砂石骨料自動裝車控制系統(tǒng)設(shè)計

杜自彬（洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471039）

0 引言

中國是目前全球最大水泥生產(chǎn)國，也是全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模最大的國家，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中除了大家熟知的鋼鐵、水泥以外，消耗量最大是砂石骨料。例如在使用最廣泛的C30強度的混凝土中水泥與砂石骨料的比例大概是1∶3，就是說砂石骨料的消耗量是水泥的3倍。之前由于行業(yè)門檻低，砂石骨料市場由小微型企業(yè)為主導(dǎo)。目前砂石骨料生產(chǎn)企業(yè)超過2萬家，未來隨著環(huán)保趨嚴，集約式和規(guī)模化是發(fā)展趨勢[1]。

1 存在問題

河南某新建2000萬t/a新型干法骨料生產(chǎn)線設(shè)計臺時處理量5000 t，產(chǎn)出成品骨料4500t[2]。成品采用汽車運輸方式，按照每輛汽車載重40t計算，每小時需要112.5車次，每天需要2700車次才能保證工廠連續(xù)生產(chǎn)。如果采用傳統(tǒng)的人工下單、空車過磅、鏟車裝車、重車過磅、打印磅單、結(jié)算出廠的流程，全流程按照30min完成，需要60個工人才能勉強保證成品發(fā)貨不影響生產(chǎn)。

并且由于砂石骨料之前粗放型生產(chǎn)經(jīng)營的慣性，行業(yè)技術(shù)積累薄弱，操作人員水平整體不高，人工現(xiàn)場裝車的方式生產(chǎn)，不僅效率低，污染大，而且容易出現(xiàn)司機聯(lián)合裝車員、門衛(wèi)進行徇私舞弊的可能，目前水泥行業(yè)散裝和袋裝水泥都已經(jīng)有了自動裝車、物流系統(tǒng)的應(yīng)用案例，但是在骨料行業(yè)如何實現(xiàn)自動裝車尚沒有先例。

2 控制方案

為解決上述問題，筆者設(shè)計了一種針對骨料等散裝物料的包含訂單管理系統(tǒng)、車輛進出廠自動識別系統(tǒng)、產(chǎn)品庫存、車輛定位、散裝機控制、地磅控制以及DCS控制系統(tǒng)的整個骨料成品裝車過程的控制系統(tǒng)。

如圖1所示為該系統(tǒng)的組成框圖，通過整合傳統(tǒng)上各自獨立的各個功能模塊、實現(xiàn)了骨料銷售裝車從網(wǎng)上預(yù)約、到廠取卡、刷卡進廠、裝車位裝車及自動過磅、打印磅單出廠全流程不需要業(yè)主方操作工參與的骨料裝車流程。

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖

方案采用工控機加PLC的DCS控制系統(tǒng)、實現(xiàn)產(chǎn)品庫存信息、供料皮帶、散裝機、地磅等設(shè)備的信息采集和自動控制；在廠區(qū)進口和出口安裝車牌識別裝置和刷卡裝置；在DCS控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上單獨開發(fā)訂單管理系統(tǒng)，管理訂單和銷售信息，并且采用SQLServer數(shù)據(jù)庫存儲相關(guān)信息；通過TCP/IP通訊實現(xiàn)各子系統(tǒng)信號交互；通過PLC編程，人機界面編程、通訊接口編程實現(xiàn)各種設(shè)備控制。

3 主要硬件構(gòu)成

為了實現(xiàn)自動裝車系統(tǒng)功能，離不開硬件的支持，按照功能分區(qū)和安裝位置劃分，需要現(xiàn)場安裝的主要硬件包括：

（1）進出廠區(qū)域。如圖2所示，該區(qū)域主要設(shè)備是車牌識別系統(tǒng)，包含攝像機、顯示屏，自動道閘、車輛檢測器，讀卡器，控制電腦，交換機等。

圖2 車輛進出廠管理設(shè)備布置圖

（2）停車場及排隊區(qū)域。LED車輛引導(dǎo)牌，大屏幕（顯示車輛排隊信息）。

（3）裝車區(qū)域。如圖3所示，該區(qū)域設(shè)備較多，是實現(xiàn)自動裝車的關(guān)鍵部分，需要的設(shè)備主要有骨料輸送皮帶、下料口、下料收塵器、雷達料位計、裝車緩沖倉、裝車收塵器、骨料散裝機、測距儀、揚聲器、顯示屏、地磅。

圖3 裝車區(qū)設(shè)備布置圖

（4）中控室及配電室。DCS系統(tǒng)1套，包含PLC系統(tǒng)控制和人機交換系統(tǒng)HMI。

（5）訂單管理系統(tǒng)硬件。包含服務(wù)器、交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

硬件安裝完成后，還需要給PLC、服務(wù)器、操作員站安裝相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。本案例PLC采用西門子S7-1500系列產(chǎn)品，HMI操作軟件選用西門子WinCC7.4，數(shù)據(jù)庫軟件采用微軟SQL Server，軟件二次開發(fā)選用C#高級語言編寫完成[3]。

4 控制流程

4.1 預(yù)約下單

（1）客戶提前預(yù)約提貨業(yè)務(wù)（網(wǎng)頁版和微信客戶端），并將預(yù)計提取的貨物信息（物料類型及相應(yīng)重量等）、運輸車輛信息（車牌號、司機身份證號、本車載重的物料類型及相應(yīng)重量等）輸入系統(tǒng)。

（2）在車輛到廠前，客戶如需變動信息，可中間修改信息，系統(tǒng)記錄更改過程。

（3）預(yù)約成功后向客戶發(fā)送進廠取業(yè)務(wù)卡的驗證密碼（密碼形式可為驗證碼、二維碼、條形碼等合理可用形式）。

4.2 到廠自助取卡

（1）司機到廠后，根據(jù)驗證密碼及身份證，在自助取卡機上自助操作。驗證成功后取得業(yè)務(wù)卡，并打印取料小票（訂單上可包含裝車位信息、預(yù)約信息、身份信息等）。

（2）如未網(wǎng)上提前預(yù)約，也可在開票室人工辦理上述相應(yīng)業(yè)務(wù)。

4.3 自助刷卡進廠

（1）司機用取到的業(yè)務(wù)卡感應(yīng)刷卡進廠，采用遠距離讀卡，即車輛到達刷卡區(qū)司機不用下車，刷卡的同時車牌號識別設(shè)備識別車牌信息，如信息一致進廠道閘自動抬桿，車輛進廠。

（2）車輛進出廠管理設(shè)備布置如圖2所示，車輛進廠控制邏輯如圖3所示。車牌識別的抓拍的照片可存儲。

（3）車輛進廠以后，按照車輛引導(dǎo)示意圖行駛至指定裝車位。

4.4 裝車位自助裝料

（1）司機根據(jù)廠內(nèi)LED屏上的車輛排隊信息、訂單上規(guī)定車位及廠內(nèi)標識路線到裝車位，到裝車庫前等待裝骨料，當裝料庫前紅綠燈為綠燈時且地磅上沒有車輛時進庫。

（2）司機將車輛開到地磅上，停至下料口下方；為防止壓磅，磅體兩端裝有紅外線檢測器。當紅外線檢測器檢測到異常時，司機應(yīng)無法進行以下裝車操作，且在裝車位的LED屏上有提示。

（3）司機將卡插到插卡取電控制器上，系統(tǒng)自動識別驗證IC卡內(nèi)物料與本裝車位物料是否一致，若一致則裝車位LED顯示屏顯示車輛車牌號，裝車品種，預(yù)裝數(shù)量；若不一致則提示司機錯誤。

（4）無異常情況下，系統(tǒng)開啟稱皮重過程。司機按下稱重按鈕，系統(tǒng)開始稱重，完成后，LED屏顯示皮重信息并提示司機稱重完畢、將車對準下料口及下一步操作等信息；同時裝車系統(tǒng)向DCS發(fā)送裝車準備完成信號，DCS接到信號后，根據(jù)散裝機等設(shè)備情況返還是否準許裝車信號。

（5）DCS返回可以裝車信號，系統(tǒng)通過現(xiàn)場顯示器和語音再提示司機可以開始裝車，請按下裝車開始按鈕。允許散裝機下料的同時下料收塵器自動開始工作，避免下料過程中灰塵擴散污染環(huán)境[4]。

（6）司機按下裝車開始按鈕，系統(tǒng)將開始裝車指令發(fā)至DCS，DCS室控制散裝機開始下料。

（7）裝車系統(tǒng)不斷從磅讀取重量信息，當達到預(yù)約重量時，裝車系統(tǒng)向DCS發(fā)送停止下料信號，DCS控制散裝機停止下料。

（8）裝車位配置有無線手持遙控器，遙控器含有啟停按鈕，因此司機可在不下車的情況下依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控實時查看裝車情況并進行適當挪車。

（9）定量裝車完成后，系統(tǒng)稱重并將裝料的重量顯示于LED屏，并提示司機裝車結(jié)束。

（10）司機拔卡，并將遙控器放到相應(yīng)底座上后，道閘才可升起，同時向DCS發(fā)送裝車完成信號。

（11）車輛完全下磅后，道閘自動下放，同時入口處紅綠燈變?yōu)榫G燈。

（12）無線手持遙控器置于底座上時可充電。

（13）插卡取電控制器上也含有啟停按鈕。

4.5 打印磅單出廠

（1）司機將車開到出廠口。

（2）用收卡機收卡并打印磅單，系統(tǒng)根據(jù)實際重量扣除賬戶費用。

（3）若無意外，收卡后，道閘自動開啟，司機開車出廠。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)通過整合進出廠車輛自動識別系統(tǒng)、車輛引導(dǎo)和定位系統(tǒng)、下單和庫存管理系統(tǒng)、以及裝車位地磅和散料給料機自動控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)整個成品裝車過程無人值守，極大的提高整個骨料生產(chǎn)線的自動化、智能化水平；減少了因人為因素造成成本提高，實現(xiàn)了節(jié)約成本的目的，堵住了企業(yè)存在的漏洞，提高了辦公自動化程度，實現(xiàn)了信息共享，有助于領(lǐng)導(dǎo)及時做出科學(xué)決策。