混凝土攪拌站骨料卸料的無縫料流技術(shù)

任水祥 王舒曼 涂欣

（1.三一汽車制造有限公司，湖南長沙 410100；2.上海海洋大學(xué)，上海 201306）

0.引言

骨料配料站是混凝土攪拌站的重要組成部分，由骨料倉和骨料稱組成[1]。在生產(chǎn)過程中，儲存在骨料倉中的砂子、石頭等骨料，通過骨料稱的稱量和卸料，經(jīng)過平皮帶和斜皮帶的運(yùn)輸，最終使得骨料投進(jìn)攪拌主機(jī)，和水泥、水、外加劑等材料進(jìn)行攪拌，形成勻質(zhì)的混凝土[2]。

一般來說，混凝土攪拌站的骨料倉包含4～6種材料，骨料材料一般有不同規(guī)格的碎石、天然砂、河砂、機(jī)制砂等[3]，生產(chǎn)過程中根據(jù)強(qiáng)度等級、澆筑部位等信息的不同，所用到的材料也不同。因此每車料所選的料倉不同，每車料卸料過程的順序和間隔時(shí)間可能都不同[4]。骨料配料站示意圖如圖1所示。

圖1 混凝土攪拌站骨料配料站

為了保證每個(gè)倉的骨料可以卸完，除了設(shè)置卸料順序，還需要設(shè)置一些時(shí)間參數(shù)，為了避免骨料在皮帶上重疊或者撒料[5]，操作人員所設(shè)置的時(shí)間往往要比實(shí)際卸料的時(shí)間長，而富裕出來的時(shí)間就會(huì)導(dǎo)致效率的降低。無縫料流技術(shù)解決了這一問題，通過智能化的算法，保證骨料在卸料過程中既不疊料、撒料，每種骨料之間也沒有間隔，從而提升攪拌站的工作效率[6]。

1.傳統(tǒng)方式

傳統(tǒng)混凝土攪拌站的骨料配料站，多倉卸料控制方法有2種[7]：一種是設(shè)置每個(gè)倉的卸料時(shí)間，一般設(shè)置的卸料時(shí)間比實(shí)際物料卸完所需的時(shí)間長，避免疊料、撒料；另一種是設(shè)置2個(gè)倉之間的卸料間隔時(shí)間，前一個(gè)倉卸料結(jié)束后，間隔一小段時(shí)間，再開始下一個(gè)倉的卸料。

另外，骨料通過平皮帶、斜皮帶，最后完全投入待料斗的時(shí)間也需要人為估算并設(shè)置，我們把這個(gè)時(shí)間稱為骨料時(shí)間，若骨料時(shí)間太短，骨料不能完全投進(jìn)待料斗并進(jìn)入主機(jī)，若骨料時(shí)間太長，會(huì)導(dǎo)致效率降低[8]。

當(dāng)原料、配比或單盤方量發(fā)生變化時(shí)，操作人員需要根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)調(diào)整卸料順序、卸料時(shí)間（卸料間隔時(shí)間）和骨料時(shí)間，如果參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，導(dǎo)致皮帶疊料、撒料，或骨料間隔距離太長，會(huì)造成以下后果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)方式現(xiàn)象及后果

2.無縫料流技術(shù)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

無縫料流技術(shù)運(yùn)用采集到的骨料配料站實(shí)際參數(shù)，通過智能控制算法，自動(dòng)計(jì)算卸料間隔時(shí)間使得最終卸在平皮帶上的骨料既不疊料、溢料，料流也不間斷[9]。

無縫料流技術(shù)制定了倉位順序，建立了以順序、倉位為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測物料流速變化自動(dòng)適應(yīng)不同工況，動(dòng)態(tài)識別各種情況如方量變化、配比變化、順序調(diào)整、倉位改變等，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整骨料卸料參數(shù)，自動(dòng)調(diào)度秤斗開門卸料，實(shí)現(xiàn)骨料無縫料流輸送。同時(shí)，系統(tǒng)具備異常應(yīng)對機(jī)制，如骨料卸料卡料異常、人工干預(yù)錯(cuò)誤設(shè)置診斷、卸料速度異常預(yù)警、含水率異常等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)料場無人化管理。

為了使料流不重疊不間斷地落在平皮帶上，需要計(jì)算每個(gè)稱卸料的起始時(shí)間，前一物料在相對斜皮帶的近端還是遠(yuǎn)端也是計(jì)算卸料起始時(shí)間的影響因素。為了計(jì)算這些時(shí)間，需要準(zhǔn)備一些固定參數(shù)，這些參數(shù)及含義如表2所示。

表2 無縫料流參數(shù)含義

以下示意圖2表示了單倉間隔和卸料口長度的測量方法，并表示了倉位順序如何影響下一個(gè)物料卸料等待或提前的料長距離，只要計(jì)算出示意圖2中下一物料卸料等待或提前的料長距離，綜合每個(gè)物料的卸料速度就可以計(jì)算出下一物料的卸料時(shí)間。

圖2 無縫料流算法示意圖

2.2 方案實(shí)施

根據(jù)以上示意圖3，設(shè)計(jì)了具體的算法，實(shí)施方案如下：

圖3 編號示意圖

（1）計(jì)算卸料順序。為了避免骨料在斜皮帶上滾落，一般來說要保證砂子最后卸料，卸料順序可以通過人為設(shè)置，若人為沒有設(shè)置，則根據(jù)無縫料流算法設(shè)置，算法中保證砂子最后卸料，其余物料根據(jù)是否啟用的標(biāo)志位依次卸料。

（2）計(jì)算倉位間隔。根據(jù)攪拌站實(shí)際的倉位布置順序，相對斜皮帶而言，由遠(yuǎn)及近依次將位置編號為WZ1,WZ2,WZ3,……；對應(yīng)的卸料順序依次為VB1,VB2,VB3,……；剩余重量依次為W1,W2,W3,……；卸料速度依次為V1,V2,V3,……；某種物料是否禁用表示為JY1,JY2,JY3, ……;JYn為1表示物料禁用，JYn為0表示物料啟用，禁用是指該物料在當(dāng)前盤生產(chǎn)中沒有使用。

根據(jù)物料j的位置編號信息可得出物料j與物料i間的前后順序和間隔距離：

間隔距離ij=單倉間隔×間隔倉數(shù)（|i-j|）；

（3）計(jì)算卸料時(shí)間。卸料順序一旦確定，我們只需要計(jì)算每相鄰2個(gè)料倉的卸料間隔時(shí)間即可，我們將首個(gè)開始卸料的物料設(shè)為物料i，第二個(gè)開始卸料的物料認(rèn)為是物料j，其對應(yīng)的位置為WZi、WZj，對應(yīng)的卸料順序編號為 VBi，VBj。

物料i的卸料起始時(shí)間為所有物料稱量完成時(shí)，其他所有物料和前一種物料的卸料間隔時(shí)間都和前一種物料的位置及卸料時(shí)間相關(guān)，我們把前一種物料稱為前倉。

物料j的卸料起始時(shí)間與物料i的相對位置相關(guān)：

若物料j在物料i相對斜皮帶遠(yuǎn)端，則

物料ij卸料間隔時(shí)間 =（物料i待卸料值Wi-剔除計(jì)算重量）/物料i卸料速度Vi-（單倉間隔/皮帶速度）×間隔倉數(shù)（|i-j|）+卸料口長度/皮帶速度

若物料j在物料i相對斜皮帶近端，則

物料ij卸料間隔時(shí)間=（物料i待卸料值Wi-剔除計(jì)算重量）/物料i卸料速度Vi+（單倉間隔/皮帶速度）×間隔倉數(shù)（|i-j|）+卸料口長度/皮帶速度

由于經(jīng)過無縫料流計(jì)算后，物料之間不重疊無縫隙，由整個(gè)料流的長度和皮帶運(yùn)行速度就可以計(jì)算出骨料全部投到待料斗的時(shí)間，若物料j為最后一種物料，則

骨料時(shí)間=（物料j到平皮帶尾部的距離+斜皮帶長度）/皮帶速度

2.3 結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算流程和推論，由物料j與物料i的卸料順序和關(guān)系，可以推出適用于其他所有物料卸料間隔時(shí)間的普適公式，從而總結(jié)出無縫料流智能閉環(huán)控制算法流程圖，如圖4所示。

圖4 無縫料流算法流程圖

其中，公式1表示前倉在相對斜皮帶遠(yuǎn)端：

卸料間隔時(shí)間=（前秤待卸料值-剔除計(jì)算重量）/該秤卸料速度+（單倉間隔/皮帶速度）×間隔倉數(shù)+卸料口長度/皮帶速度

公式2表示前倉在相對斜皮帶近端：

卸料間隔時(shí)間=（前秤的待卸料值-剔除計(jì)算重量）/該秤卸料速度-（單倉間隔/皮帶速度）×間隔倉數(shù)+卸料口長度/皮帶速度

同時(shí)計(jì)算出骨料全部投到待料斗的時(shí)間：

骨料時(shí)間=（最后卸料的物料料倉到平皮帶尾部的距離+斜皮帶長度）/皮帶速度

經(jīng)過在35個(gè)攪拌站進(jìn)行不同方量、不同配方的多倉卸料檢測，實(shí)現(xiàn)了卸料順序、卸料時(shí)間自調(diào)整功能，料流不重疊不間斷達(dá)到96%以上的合格率，大大提升了攪拌站的工作效率。

3.結(jié)論

目前，攪拌站的發(fā)展方向是智能化、無人化，而傳統(tǒng)攪拌站仍對操作人員技能要求較高，許多地方還需要人工手動(dòng)干預(yù)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)備維護(hù)清理的成本高。本文探討了一種在卸料過程中自動(dòng)適應(yīng)不同工況的無縫料流技術(shù)，有效解決了“斷料、溢料、效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大”的痛點(diǎn)，減少了人工干預(yù)，提高了工作效率，提升了攪拌站的盈利能力，向攪拌站無人值守的主流方向邁進(jìn)了一步，為用戶創(chuàng)造了價(jià)值，具有重大推廣意義。