一種基于狀態(tài)機(jī)的氣力砂發(fā)送裝置

劉亞賓，常 濤，魯 云，楊 軍

(共享能智鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

關(guān)鍵字：砂發(fā)送裝置；按需供給；用砂量統(tǒng)計(jì)；除塵聯(lián)動(dòng)；狀態(tài)機(jī)

鑄造行業(yè)型砂3D 打印機(jī)等用砂設(shè)備的儲(chǔ)砂斗位置一般較高，且設(shè)備間的間距相對(duì)較大。在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，用砂量較大，需要型砂及回收砂的連續(xù)供應(yīng)。常規(guī)的加砂方法是將回收砂收集至砂袋中，利用天車(chē)將回收砂砂袋或型砂砂袋吊至半空處的儲(chǔ)砂斗位置，人工輔助傾翻加砂。此種方法一般需要兩人配合操作，一人操控天車(chē)吊，一人輔助傾砂，勞動(dòng)強(qiáng)度大，細(xì)小砂塵往往彌漫整個(gè)車(chē)間，用砂量統(tǒng)計(jì)滯后，并存在高空作業(yè)危險(xiǎn)[1，2，3]等。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種數(shù)字化氣力砂發(fā)送裝置，以解決自動(dòng)化運(yùn)行、除塵聯(lián)動(dòng)、便于系統(tǒng)集成、操作靈活等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 砂發(fā)送裝置控制管路

砂發(fā)送裝置主要由五大控制管路組成：人工放砂控制管路，吸回收砂控制管路，砂發(fā)送控制管路，除塵控制管路，供砂控制管路，如圖1 所示。

圖1 砂發(fā)送裝置控制管路示意圖

1.1 人工放砂控制管路

人工放砂控制管路用于將回收砂緩存罐中多余的回收砂排放轉(zhuǎn)走，為吸回收砂操作騰出控制空間。主要由放砂管道及位于其上的回收砂緩存罐放砂閥等構(gòu)成。其中，放砂管道的頂端接于回收砂緩存罐的底部。

1.2 吸回收砂控制管路

吸回收砂控制管路用于將回收砂從地面或臨時(shí)砂箱中通過(guò)吸塵器的負(fù)壓作用，抽送至位于高處的回收砂緩存罐中。主要由吸砂管道及位于其上的兩個(gè)吸砂堵頭，以及吸塵器等構(gòu)成。其中，吸砂管道的頂端、吸塵器的負(fù)壓作用端位于回收砂緩存罐的頂部。

1.3 砂發(fā)送控制管路

砂發(fā)送控制管路用于將型砂緩存斗中的型砂及回收砂緩存罐中的回收砂通過(guò)續(xù)砂管道加載至發(fā)送罐中，然后根據(jù)需要通過(guò)發(fā)送管道發(fā)送至儲(chǔ)砂斗中。

砂發(fā)送控制管路主要由以下部分構(gòu)成：

續(xù)砂管道及位于其上的型砂緩存斗出砂閥、回收砂緩存罐出砂閥、發(fā)送罐進(jìn)砂閥；發(fā)送管道及位于其上的儲(chǔ)砂斗1#型砂側(cè)進(jìn)砂閥、儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)進(jìn)砂閥、儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)進(jìn)砂閥、儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)進(jìn)砂閥；位于發(fā)送罐上的發(fā)送罐排氣閥、發(fā)送罐進(jìn)氣閥、電接點(diǎn)壓力表、發(fā)送罐高料位計(jì)；位于型砂緩存斗上的型砂緩存斗低料位計(jì)，其中型砂緩存斗位于地表處，便于叉車(chē)進(jìn)行加砂；位于回收砂緩存罐上的回收砂緩存罐高料位計(jì)、回收砂緩存罐低料位計(jì)；位于儲(chǔ)砂斗1#上的儲(chǔ)砂斗1#型砂側(cè)高料位計(jì)、儲(chǔ)砂斗1#型砂側(cè)低料位計(jì)、儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)高料位計(jì)、儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)低料位計(jì)；位于儲(chǔ)砂斗2#上的儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)高料位計(jì)、儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)低料位計(jì)、儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)高料位計(jì)、儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)低料位計(jì)。

其中續(xù)砂管道的頂端分別接于型砂緩存斗、回收砂緩存罐的底部，續(xù)砂管道的底端接至發(fā)送罐的頂部；發(fā)送管道的底端接于發(fā)送罐的底部出口，發(fā)送管道的頂端位于儲(chǔ)砂斗1#、儲(chǔ)砂斗2#的上方。

型砂流向如圖1 中的黑色實(shí)體箭頭所示，供氣排氣流向如圖中的黑色空心箭頭所示；料位計(jì)用于指示其所處容器內(nèi)型砂料位的高低；規(guī)定儲(chǔ)砂斗1#、儲(chǔ)砂斗2#的左側(cè)存放回收砂，右側(cè)存放型砂。

當(dāng)發(fā)送罐與發(fā)送管道中有型砂時(shí)，電接點(diǎn)壓力表指示對(duì)應(yīng)的壓縮空氣壓力。調(diào)整其壓力下限為0.1 MPa 左右后，在壓力低于0.1 MPa 時(shí)，電接點(diǎn)壓力表常開(kāi)觸點(diǎn)閉合；反之在壓力高于0.1 MPa 時(shí)，電接點(diǎn)壓力表常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。當(dāng)發(fā)送罐與發(fā)送管道中的型砂接近發(fā)送完畢時(shí)，發(fā)送管道的頂端與底端形成連通器，通過(guò)電接點(diǎn)壓力表的常開(kāi)觸點(diǎn)有閉合、斷開(kāi)、閉合的過(guò)程，可判斷該罐中的物體是否發(fā)送完畢。

1.4 除塵控制管路

除塵控制管路用于砂發(fā)送時(shí)的除塵，保持車(chē)間清潔。

主要由除塵風(fēng)機(jī)、除塵罩1#、除塵罩2#、除塵管道及位于其上的儲(chǔ)砂斗1#除塵閥、儲(chǔ)砂斗2#除塵閥等構(gòu)成。其中除塵罩1#與除塵罩2#分別位于儲(chǔ)砂斗1#與儲(chǔ)砂斗2#的上方。

1.5 供砂控制管路

供砂控制管路用于輸送儲(chǔ)砂斗中的型砂，服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

供砂控制管路主要由以下部分構(gòu)成：

出砂管道1# 及位于其上的儲(chǔ)砂斗1# 型砂側(cè)出砂閥、儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)出砂閥；出砂管道2#及位于其上的儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)出砂閥、儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)出砂閥；位于儲(chǔ)砂斗1#上的儲(chǔ)砂斗1#型砂側(cè)振動(dòng)器、儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)振動(dòng)器；位于儲(chǔ)砂斗2#上的儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)振動(dòng)器、儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)振動(dòng)器。

其中，出砂管道1#的頂端分別位于儲(chǔ)砂斗1#、儲(chǔ)砂斗2#的底部，儲(chǔ)砂斗1#、儲(chǔ)砂斗2#的左側(cè)供給回收砂，右側(cè)供給型砂。在型砂供時(shí)，通過(guò)振動(dòng)器的動(dòng)作，減少型砂在儲(chǔ)砂斗1#、儲(chǔ)砂斗2#底部側(cè)壁上的附著作用，確保型砂順暢供給。

2 砂發(fā)送裝置控制流程

與控制管路構(gòu)成部件對(duì)應(yīng)，砂發(fā)送裝置的控制流程可分解為五大部分：人工放砂控制流程，吸回收砂控制流程，砂發(fā)送控制流程，除塵控制流程和供砂控制流程。

所有的傳感器功能部件、執(zhí)行器的控制及反饋信號(hào)均連接至現(xiàn)場(chǎng)PLC.PLC 一方面通過(guò)串行通信與觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，另一方面與觸摸屏一道實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的聯(lián)鎖互鎖、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)工況狀態(tài)及遠(yuǎn)程運(yùn)維與程序升級(jí)。

因涉及操作類(lèi)別及IO 節(jié)點(diǎn)較多，常規(guī)方法難以有交解決，本文采用狀態(tài)機(jī)方式編程，以求思路清晰，便于維護(hù)和排故[4，5]。

2.1 人工放砂控制流程

第1 步：關(guān)閉吸塵器，打開(kāi)回收砂緩存罐放砂閥。

第2 步：當(dāng)手動(dòng)操作或回收砂緩存罐低料位計(jì)信號(hào)為低時(shí)，關(guān)閉回收砂緩存罐放砂閥。

第3 步：人工放砂過(guò)程結(jié)束。

2.2 吸回收砂控制流程

第1 步：根據(jù)工位操作需要，打開(kāi)吸砂堵頭1#或吸砂堵頭2#.

第2 步：關(guān)閉回收砂緩存罐出砂閥、回收砂緩存罐放砂閥，并確保關(guān)到位。

第3 步：打開(kāi)吸塵器開(kāi)始吸回收砂。

第4 步：當(dāng)手動(dòng)操作或回收砂緩存罐高料位計(jì)信號(hào)為高時(shí)，關(guān)閉吸塵器。

第5 步：將吸砂堵頭1#或吸砂堵頭2#加載至原位置。

第6 步：吸回收砂過(guò)程結(jié)束。

2.3 砂發(fā)送控制流程

第1 步：關(guān)閉發(fā)送罐進(jìn)氣閥。

第2 步：發(fā)送罐進(jìn)氣閥關(guān)到位后，打開(kāi)發(fā)送罐排氣閥，持續(xù)2 s 左右。

第3 步：打開(kāi)發(fā)送罐進(jìn)砂閥。

第4 步：根據(jù)型砂或回收砂選擇，若型砂緩存斗低料位計(jì)或回收砂緩存罐低料位計(jì)信號(hào)不為低，則打開(kāi)型砂緩存斗出砂閥或回收砂緩存罐出砂閥，進(jìn)行續(xù)砂。

第5 步：如果在續(xù)砂過(guò)程中按下了停止鍵，或發(fā)送罐高料位計(jì)為高，則關(guān)閉型砂緩存斗出砂閥或回收砂緩存罐出砂閥，停止續(xù)砂。

第6 步：關(guān)閉發(fā)送罐進(jìn)砂閥及發(fā)送罐排氣閥，同時(shí)根據(jù)型砂、回收砂選擇，以及儲(chǔ)砂斗選擇，打開(kāi)或關(guān)閉相應(yīng)的儲(chǔ)砂斗進(jìn)砂閥，在同一時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)砂斗進(jìn)砂閥只能打開(kāi)一個(gè)，其余的要處于關(guān)閉狀態(tài)。

第7 步：當(dāng)發(fā)送罐進(jìn)砂閥及發(fā)送罐排氣閥均關(guān)到位后，打開(kāi)發(fā)送罐進(jìn)氣閥，開(kāi)始砂發(fā)送。

第8 步：等待電接點(diǎn)壓力表常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)出現(xiàn)上升沿，若本罐所發(fā)送的為型砂，則型砂發(fā)送累計(jì)罐數(shù)增加1；若本罐所發(fā)送的為回收砂，則回收砂發(fā)送累計(jì)罐數(shù)增加1.同時(shí)延時(shí)10 s 左右，確保發(fā)送罐及發(fā)送管道清空。

第9 步：關(guān)閉發(fā)送罐進(jìn)氣閥，如果發(fā)送過(guò)程中按下了停止鍵，則進(jìn)入第12 步。否則，進(jìn)入第10步。

第10 步：根據(jù)型砂、回收砂選擇及儲(chǔ)砂斗選擇，判斷對(duì)應(yīng)儲(chǔ)砂斗上的高料位計(jì)信號(hào)是否為高，即所選擇的儲(chǔ)砂斗是否加滿(mǎn)。若本次所選擇的儲(chǔ)砂斗已加滿(mǎn)，則進(jìn)入第11 步，否則返回第1 步，進(jìn)行下一發(fā)送罐的續(xù)砂發(fā)送過(guò)程。

第11 步：進(jìn)行手自動(dòng)判斷，若為手動(dòng)操作狀態(tài)，則進(jìn)入第12 步；若為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，則按既定的順序依次判斷各儲(chǔ)砂斗是否已加滿(mǎn)，若存在未加滿(mǎn)的儲(chǔ)砂斗，則返回第1 步，進(jìn)行下一發(fā)送罐的續(xù)砂發(fā)送過(guò)程。若各斗均已加滿(mǎn)，則進(jìn)入第12 步：關(guān)閉發(fā)送罐進(jìn)氣閥，關(guān)閉儲(chǔ)砂斗1#型砂側(cè)進(jìn)砂閥、儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)進(jìn)砂閥、儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)進(jìn)砂閥、儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)進(jìn)砂閥，在發(fā)送完畢后確保各閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.4 除塵控制流程

第1 步：循環(huán)檢測(cè)發(fā)送罐進(jìn)氣閥開(kāi)到位及關(guān)到位狀態(tài)，若為開(kāi)到位，進(jìn)入第2 步，否則進(jìn)入第4 步。

第2 步：若儲(chǔ)砂斗1#型砂側(cè)進(jìn)砂閥或儲(chǔ)砂斗1#回收砂側(cè)進(jìn)砂閥開(kāi)到位，則打開(kāi)儲(chǔ)砂斗1#除塵閥；若儲(chǔ)砂斗2#型砂側(cè)進(jìn)砂閥或儲(chǔ)砂斗2#回收砂側(cè)進(jìn)砂閥開(kāi)到位，則打開(kāi)儲(chǔ)砂斗2#除塵閥。

第3 步：打開(kāi)除塵風(fēng)機(jī)，返回第1 步。

第4 步：關(guān)閉除塵風(fēng)機(jī)，關(guān)閉除塵閥返回第1 步。

2.5 供砂控制流程

第1 步：當(dāng)用砂生產(chǎn)設(shè)備如3DP 打印機(jī)需要砂時(shí)，發(fā)送一個(gè)使能聯(lián)鎖信號(hào)，砂發(fā)送裝置控制器接收該信號(hào)后解析。

第2 步：根據(jù)解析結(jié)果確定是哪臺(tái)套用砂生產(chǎn)設(shè)備需要供砂，是需要供給回收砂還是型砂，然后根據(jù)用砂需求打開(kāi)相應(yīng)的儲(chǔ)砂斗出砂閥。

第3 步：儲(chǔ)砂斗出砂閥開(kāi)到位后，打開(kāi)與之對(duì)應(yīng)的振動(dòng)器。

第4 步：當(dāng)接收到砂生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)閉信號(hào)或相應(yīng)的低料位計(jì)信號(hào)為低時(shí)，關(guān)閉儲(chǔ)砂斗出砂閥及與之對(duì)應(yīng)的振動(dòng)器。

第5 步：供砂過(guò)程結(jié)束。

3 砂發(fā)送裝置特點(diǎn)

該數(shù)字化氣力砂發(fā)送裝置具備以下交果：

1）設(shè)備擴(kuò)容簡(jiǎn)便。當(dāng)有更多的型砂3D 打印機(jī)設(shè)備需要本裝置供砂時(shí)，本裝置的砂發(fā)送管路構(gòu)件無(wú)需增加，只需增加吸回收砂、除塵、按需供砂管路及其構(gòu)件至新增的設(shè)備處，即可實(shí)現(xiàn)更多臺(tái)套型砂3D 打印機(jī)等用砂設(shè)備的應(yīng)用需求。但當(dāng)管路過(guò)長(zhǎng)或彎曲時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果增加增壓器。

2）操作安全便利。本裝置型砂加入、人工放砂、吸回收砂等需要人工輔助操作的功能均在地面進(jìn)行，無(wú)高空作業(yè)危險(xiǎn)。

3）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。所有功能采用“傻瓜式”操作，無(wú)須操作工熟悉設(shè)備工作原理，十分鐘培訓(xùn)即可上崗作業(yè)。

4）便于排故定位。人工放砂、吸回收砂、砂發(fā)送、除塵、供砂等控制流程相對(duì)獨(dú)立，各步驟采用基于狀態(tài)機(jī)的控制方式，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)值，可以直接定位到故障程序段進(jìn)行排查。

5）用砂量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。當(dāng)發(fā)送完一罐后，型砂或回收砂發(fā)送累計(jì)罐數(shù)增加一，因發(fā)送罐容積一定，相當(dāng)于計(jì)量罐，則當(dāng)前用砂量可以直接換算出，用于后臺(tái)工作量及成本管理等統(tǒng)計(jì)分析。