一種均化庫卸料車與耙砂機(jī)配合控制系統(tǒng)

孫 雪,楊 鍇

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

在玻璃生產(chǎn)線的整條工藝鏈中，均化庫內(nèi)的工作是最早的工藝環(huán)節(jié)之一。在均化庫內(nèi)，貯存著生產(chǎn)玻璃過程中最主要的原料成分——硅砂。通常情況下，不同批次的硅砂其品質(zhì)和特性會有細(xì)微差別，故而需要在均化庫內(nèi)將其均化，然后送至原料車間與其他原料(如白云石、石灰石、純堿等)按一定的比例進(jìn)行混合，為后續(xù)關(guān)鍵的熔化工藝提供原料。雖然均化庫內(nèi)的工序并不復(fù)雜，但卻有很多可以優(yōu)化的空間。

1 背 景

考慮優(yōu)化控制就得先了解原先的工藝流程。玻璃廠均化庫的工藝流程為：

1)硅料運(yùn)輸車將硅料傾倒入指定的下料區(qū)，該區(qū)域通常與一地坑相連，同時(shí)另一端與下料地坑相連的皮帶機(jī)與斗提機(jī)將進(jìn)行對硅砂的第一輪運(yùn)輸，目標(biāo)是將硅砂提升至15～20 m高處(具體高度跟產(chǎn)線產(chǎn)量有關(guān))。

2)在高處有一鋼平臺走廊，斗提機(jī)出于走廊的一端，硅砂將被斗提機(jī)直接連續(xù)地堆放在一條不停運(yùn)轉(zhuǎn)的皮帶機(jī)上，由此運(yùn)送到走廊的中間位置。

3)在走廊的中間位置，安裝有一輛卸料小車，硅砂通過皮帶輸送進(jìn)入小車內(nèi)部，再由小車的下料口通過走廊兩側(cè)地面縫隙向車間內(nèi)地面下料，由于小車是往復(fù)運(yùn)動的，從而在地面上被堆放的硅砂也會被均化。

4)在均化庫地面一側(cè)，設(shè)置一臺同樣可以往復(fù)運(yùn)動的耙砂機(jī)，同時(shí)耙砂機(jī)下側(cè)裝有一條皮帶機(jī)，耙砂機(jī)通過橫向移動，配合控制機(jī)械臂上的皮帶機(jī)帶動鏟刀，將硅砂不間斷地刮掃至皮帶機(jī)上，并運(yùn)往原料車間進(jìn)行下一步工藝環(huán)節(jié)。

以上就是玻璃廠均化庫的工藝流程。從控制的角度來說，基本上現(xiàn)在所有的工廠仍是采用卸料車與耙砂機(jī)分開控制，其中卸料車的往復(fù)運(yùn)動是通過邏輯控制器設(shè)定延時(shí)切換電機(jī)正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。如果兩者分開運(yùn)行，必須等待卸料完成，卸料車停機(jī)，耙砂機(jī)方可開始工作；如果兩者同時(shí)運(yùn)行，則常常會發(fā)生硅砂掉落在耙砂機(jī)上，造成浪費(fèi)和安全隱患。

隨著工業(yè)生產(chǎn)向更精細(xì)化發(fā)展的趨勢，以及針對部分現(xiàn)場對于工廠自動化程度提出了更高要求，同時(shí)也為避免上述提到的原料浪費(fèi)和安全隱患，現(xiàn)考慮設(shè)計(jì)一種針對均化庫卸料車與耙砂機(jī)之間實(shí)現(xiàn)配合控制的系統(tǒng)。

2 原 理

在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)之前，首先需將均化庫分為左右兩個區(qū)，目的是使卸料車與耙砂機(jī)可以分別在兩個區(qū)同時(shí)運(yùn)行，即卸料車于左區(qū)卸料，耙砂機(jī)于右區(qū)掃料，并可通過模式切換來實(shí)現(xiàn)兩者互換位置。這樣既能在耙砂機(jī)掃料的同時(shí)繼續(xù)卸料，又能避免兩者在同一個區(qū)域發(fā)生相互干擾的情況[1]。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需包括PLC、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、交流接觸器、熱繼電器、中間繼電器、接近開關(guān)、限位開關(guān)等電器元件。繪制控制原理圖如圖1所示。

該電路設(shè)計(jì)有手動和自動模式選擇，且兩種控制模式互鎖。手動即為人為控制設(shè)備啟停，自動即為交由PLC控制設(shè)備自動運(yùn)行。兩臺設(shè)備的電機(jī)正反轉(zhuǎn)均設(shè)有互鎖保護(hù)，并設(shè)置限位開關(guān)作為運(yùn)動軌跡越界保護(hù)停車。

該設(shè)計(jì)意在通過一臺PLC設(shè)置卸料車與耙砂機(jī)各自電機(jī)在到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)啟動正反轉(zhuǎn)切換，實(shí)現(xiàn)兩臺設(shè)備各自往復(fù)循環(huán)地卸料與耙砂，并在停止命令之后，繼續(xù)運(yùn)行直至回到初始位置停止。上述正反轉(zhuǎn)切換的相應(yīng)位置為卸料車與耙砂機(jī)運(yùn)行軌跡的左極限與右極限，初始位置為整個車間的中間位置，即左右兩區(qū)的分界點(diǎn)。卸料車的行動軌跡上，分別有LS1、LS2、LS3作為左極限、中間位、右極限的接近開關(guān)位置信號；耙砂機(jī)的行動軌跡上，分別有LS4、LS5、LS6作為左極限、中間位、右極限的接近開關(guān)位置信號。

實(shí)現(xiàn)該控制方法通過以下步驟：

1)檢查卸料車與耙砂機(jī)是否均處于中間位，若不在中間位，可通過手動模式讓卸料車復(fù)位至觸發(fā)接近開關(guān)LS2，耙砂機(jī)復(fù)位至觸發(fā)接近開關(guān)LS4，均復(fù)位時(shí)有信號燈HW1顯示為自動控制準(zhǔn)備就緒，其PLC梯形圖如圖2所示[2]。

2)正常工作時(shí),轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1可切換自動控制或手動控制，自動模式下由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2選擇自動的模式與停止，手動模式則方便于試車調(diào)試。

(1)將SA2向左旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入模式一狀態(tài)：卸料車電機(jī)正向啟動，向左區(qū)運(yùn)行；耙砂機(jī)電機(jī)反向啟動，向右區(qū)運(yùn)行;

(2)以卸料車為例，當(dāng)卸料車左行至觸發(fā)接近開關(guān)LS1時(shí)，電機(jī)停止，等候3 s，然后反轉(zhuǎn)啟動，向中心方向運(yùn)行；當(dāng)卸料車右行至中心位置，觸發(fā)接近開關(guān)LS2時(shí)，電機(jī)停止，等候3 s，然后再次正向啟動，以此循環(huán)；

(3)耙沙機(jī)控制原理與卸料車相同，方向相反；

(4)將SF2旋轉(zhuǎn)至停車，卸料車與耙沙機(jī)不會立刻停車，均會繼續(xù)運(yùn)行至回到兩區(qū)中心位置后才停車。

3)模式二與模式一原理相同，區(qū)別在于卸料車與耙沙機(jī)工作的左右區(qū)域互換。

4)卸料車與耙沙機(jī)均設(shè)有緊急停車自鎖按鈕，以保證緊急情況下的斷電停機(jī)。

卸料車與耙砂機(jī)整套運(yùn)行流程的PLC梯形圖分別如圖3～圖6所示。

如此一來，一套相對比較完整的卸料車與耙砂機(jī)分區(qū)配合自動工作的控制系統(tǒng)便完成了[3]。

3 相關(guān)說明

為使該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的更明確、控制原理更清晰，以及操作方法更便于理解，也為了更好地結(jié)合工廠的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，現(xiàn)對設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的一些細(xì)節(jié)作進(jìn)一步闡述說明。

1)接近開關(guān)與限位開關(guān)的區(qū)別

卸料車與耙砂機(jī)在行走軌道的左右兩側(cè)均設(shè)有限位開關(guān)和接近開關(guān)，這兩種元器件從功能上來說，都是用來檢測目標(biāo)設(shè)備在運(yùn)動過程中是否到達(dá)或離開目標(biāo)位置，從而觸發(fā)電信號遠(yuǎn)傳來實(shí)現(xiàn)顯示和控制的位置開關(guān)。它們的區(qū)別在于：限位開關(guān)是通過目標(biāo)設(shè)備在運(yùn)動中與開關(guān)本身的機(jī)械碰撞來觸發(fā)內(nèi)部觸點(diǎn)通斷的接觸式檢測元件，而接近開關(guān)是無機(jī)械動作，依靠傳感器遠(yuǎn)程感應(yīng)來觸發(fā)通斷的非接觸式檢測元件[4]。

因此，限位開關(guān)的安裝位置是在卸料車與耙砂機(jī)行進(jìn)軌道中的極限位置，簡而言之，即是當(dāng)電機(jī)因不知名原因運(yùn)動至軌道的最末處，限位開關(guān)是以機(jī)械動作切斷電源以保證整個系統(tǒng)安全的最終手段。

而接近開關(guān)的安裝位置，是在行進(jìn)軌道中的次極限位置以及中心區(qū)域位置，其作用是作為自動控制模式下，在軌道上行走的電機(jī)停車與反轉(zhuǎn)的觸發(fā)信號。因?yàn)樵谡Ｉa(chǎn)中，無論是運(yùn)行在模式一還是模式二之下，又或者模式一與模式二互相切換時(shí)，設(shè)備都會頻繁地經(jīng)過并觸發(fā)或忽略接近開關(guān)，如果在此處選擇機(jī)械接觸式的檢測元件，無論是安裝還是因?yàn)橛|發(fā)動作產(chǎn)生的機(jī)械損耗，都是沒有必要的。

2)電機(jī)延時(shí)自動反轉(zhuǎn)與位置信號觸發(fā)反轉(zhuǎn)的區(qū)別

該控制系統(tǒng)因嘗試將均化庫分區(qū)，改善了原本的控制回路，通過選擇模式一或模式二，來啟動卸料車與耙砂機(jī)分別在不同區(qū)域自動運(yùn)行。也同時(shí)改善了電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制原理，原本以PLC設(shè)定延時(shí)機(jī)制來啟停電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)的設(shè)計(jì)，其弊端在于若卸料車或耙砂機(jī)每次所帶負(fù)載不同，其電機(jī)運(yùn)行速度多少會受影響，在電機(jī)速度不同的情況下，只考慮一到設(shè)定時(shí)間就停機(jī)并反轉(zhuǎn)，會造成每次行走的路徑存在差異，如需每次合理利用整個均化庫的空間，就需要每次都重新測試并設(shè)定延時(shí)的時(shí)間參數(shù)，不精確也不方便。因此該控制系統(tǒng)改用接近開關(guān)在固定位置觸發(fā)電機(jī)的停車和正反轉(zhuǎn)切換，回避了上述問題。

3)為何設(shè)備停止后需要繼續(xù)運(yùn)行到中間的準(zhǔn)備位置

該控制系統(tǒng)在自動模式運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)輸入停止指令，設(shè)備會繼續(xù)動作，直到回到均化庫中心的接近開關(guān)位置。這個設(shè)計(jì)一方面是為了避免設(shè)備處在任意位置時(shí)，啟動后不知會向哪個方向運(yùn)行的不確定性；另一方面也是考慮到在啟動自動模式之前，需要一個準(zhǔn)備就緒的前置信號，避免自動模式的意外啟動。

4)控制回路與梯形圖在實(shí)際運(yùn)作中的講解

在控制回路方面，當(dāng)SA1切換為手動模式時(shí)，卸料車與耙砂機(jī)均可由按鈕自由啟動與停止正反轉(zhuǎn)；當(dāng)SA1切換為自動模式時(shí)，卸料車與耙砂機(jī)需要由PLC輸出的繼電器信號KA3-KA6的通斷來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，KA3與KA6的通斷由PLC內(nèi)的邏輯編程實(shí)現(xiàn)。LS1-3為卸料車左到位、中到位、右到位；LS4-6為耙沙機(jī)左到位、中到位、右到位。當(dāng)兩臺設(shè)備均處于中間位置時(shí)，KA17得電，HW1燈亮，視為自動控制準(zhǔn)備就緒。

實(shí)施例：將SA2切換為模式一，以卸料車為例：模式一狀態(tài)下，DI1得電閉合，Y60為準(zhǔn)備就緒延時(shí)斷開信號，此時(shí)得電閉合，Y35、DI4閉合，卸料車啟動向左運(yùn)行；當(dāng)行至左側(cè)接近開關(guān)，觸發(fā)LS1，使DI4得電斷開，電機(jī)停止；延時(shí)3 s后，由T51得電閉合，卸料車啟動向右運(yùn)行；當(dāng)行至中間接近開關(guān)，觸發(fā)LS2，使DI5得電斷開，電機(jī)停止；延時(shí)3 s后，由T52得電閉合，卸料車重新啟動向左運(yùn)行，進(jìn)入循環(huán)。

將SA2切換為停止，以卸料車為例：停止?fàn)顟B(tài)下，DI2得電閉合。如果設(shè)備原本在模式一狀態(tài)下運(yùn)行，則設(shè)備將保持運(yùn)行至回到中心位置，觸發(fā)LS2，使DI5得電閉合，Y35得電斷開，電機(jī)停止循環(huán)。

模式二控制原理與模式一相同，耙砂機(jī)控制原理與卸料車相同，方向相反。

如果在啟動模式一或模式二之前，卸料車或耙砂機(jī)其中至少一臺設(shè)備因之前手動啟停或緊急停車后不在中心位置，需同樣以手動模式將其停止到中心位置：LS2、LS5閉合，KA12、KA15得電，KA17得電，HW1燈亮，DI10得電，Y60得電閉合，啟動準(zhǔn)備就緒。

如遇緊急情況需立即停車，可按緊急停止按鈕SS1、SS2。

4 結(jié) 論

當(dāng)今的玻璃生產(chǎn)線，不斷地向數(shù)字化、智能化邁進(jìn)。如果說窯爐、錫槽、退火是技術(shù)發(fā)展的最前線，那在關(guān)注前沿技術(shù)的同時(shí)，也不要忘記：在大后方，如均化庫這般沒有太多復(fù)雜工序的場所，依然可以有很多從技術(shù)角度來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的空間。也許一個簡單的靈感和想法，一個簡單的對控制系統(tǒng)的改進(jìn)，其提升的整體效率和數(shù)字化程度，并不簡單。