噸袋自動(dòng)破解技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用
——以韶鋼輔材庫(kù)為例

文/李華良 吳治國(guó) 鄒廣柱 張柏文

0 前言

輔材倉(cāng)庫(kù)主要是用于存放輔助生產(chǎn)物料的倉(cāng)庫(kù)。中南鋼鐵韶鋼松山股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“韶鋼”）所屬物資（合金、輔材）進(jìn)廠后，在輔材庫(kù)卸車堆放，當(dāng)生產(chǎn)需要合金輔材產(chǎn)品時(shí)，從輔材庫(kù)裝車運(yùn)送到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，即輔材庫(kù)是一個(gè)生產(chǎn)物資中轉(zhuǎn)庫(kù)。

目前，韶鋼輔材倉(cāng)庫(kù)存有30多個(gè)品種輔料，最多倉(cāng)儲(chǔ)量有15000個(gè)單位，日出貨量約為400個(gè)單位，貨物噸袋破解全部由操作人員手工完成。這種人工破解噸袋的方式存在較多缺陷，如操作人員破解噸袋勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、粉末狀輔料產(chǎn)生較大粉塵等，帶來(lái)作業(yè)危害及安全隱患，安全性缺失易造成安全事故。所以，對(duì)韶鋼的倉(cāng)庫(kù)物料噸袋破解方法系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)改造非常必要。

1 噸袋自動(dòng)破解系統(tǒng)工藝流程及創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 噸袋自動(dòng)破解系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

噸袋自動(dòng)破解系統(tǒng)由噸袋系統(tǒng)、軌道懸掛系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、物料存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)四大系統(tǒng)構(gòu)成。整個(gè)過(guò)程先由懸掛系統(tǒng)葫蘆吊吊住噸袋送入割袋料倉(cāng)，然后采用了激光切割技術(shù)。在噸袋切割的過(guò)程當(dāng)中，激光會(huì)發(fā)射出高能量的激光射線，這些激光射線所產(chǎn)生的巨大能量，可以瞬間將噸袋需要切割的位置進(jìn)行切割，這樣就可以輕松地將非常牢固的噸袋表面切開(kāi)，使袋內(nèi)輔料流出，出袋后的輔料后經(jīng)過(guò)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)送到儲(chǔ)料料斗，料斗通過(guò)液壓翻板控制下料量。

1.2 噸袋自動(dòng)破解系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）數(shù)控噸袋破解設(shè)備：運(yùn)用了激光破解噸袋的新方法，該項(xiàng)技術(shù)屬于國(guó)內(nèi)首先在噸袋破解設(shè)備中應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)。噸袋底部破解的形狀為直線。（2）數(shù)控噸袋破解系統(tǒng)的信息化接口：數(shù)控噸袋破解系統(tǒng)的電氣控制采用了西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)，具有RS232接口，必要時(shí)可與韶鋼上層的ERP 企業(yè)資源管理系統(tǒng)、MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)及WMS 倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)之間的資源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通。（3）噸袋提升裝置：運(yùn)用了數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)和編碼器精確定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)三軸數(shù)控控制及三軸行走無(wú)級(jí)調(diào)速、無(wú)人化自動(dòng)運(yùn)行和噸袋破解后的清除殘存余料的抖動(dòng)動(dòng)作。

2 噸袋自動(dòng)破解系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 噸袋自動(dòng)破解設(shè)備總體構(gòu)成

數(shù)控噸袋破解設(shè)備主要由軌道懸掛系統(tǒng)、物料存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)、料倉(cāng)、除塵隔離房、輸送上料平臺(tái)、激光破袋專機(jī)、除塵過(guò)濾系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 噸袋自動(dòng)破解設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 電控系統(tǒng)

電控制系統(tǒng)主要用于協(xié)調(diào)起吊、料倉(cāng)、破袋專機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的動(dòng)作邏輯，系統(tǒng)的主要元器件均選用國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀品牌產(chǎn)品。其中：

控制系統(tǒng)主要包含可編程控制器PLC、觸摸屏、控制柜、控制通信電纜及相關(guān)軟件等，具有工作異常、急停等故障的自診斷和報(bào)警功能，并與安全防護(hù)系統(tǒng)連鎖控制?？偪刂葡到y(tǒng)能方便地與設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖2所示。通過(guò)操作臺(tái)上的功能鍵，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、暫停、急停、程序選擇等功能，增加了操作者的安全性，提高了設(shè)備的靈活性。

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1.2 激光破袋設(shè)備

為了保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，采用一拖二的方式。所謂一拖二是指兩臺(tái)激光發(fā)射器使用一個(gè)控制系統(tǒng)，當(dāng)一臺(tái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題另一臺(tái)可以快速切換。激光破袋專機(jī)采用二氧化碳激光器,是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。采用先進(jìn)的板條放電技術(shù)完全封離式激光器，充入激光腔內(nèi)的氣體與外界完全密封隔離，大大延長(zhǎng)了激光管的使用壽命。

激光腔體采用金屬進(jìn)行密封，腔體內(nèi)充入CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮?dú)?，還有少量的氫或氙氣）；電極采用平行極板的方向形成板條放電，在極板間接入高頻電源，通過(guò)極板放電電離CO2氣體產(chǎn)生波長(zhǎng)10.6μm 的激光，激光通過(guò)諧振腔進(jìn)行振蕩放大，最終由出光口輸出高功率激光。

采用金屬封離式板條放電技術(shù)制成的激光器，具有體積小、激光功率大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可適用于24小時(shí)/天工作的工業(yè)環(huán)境，技術(shù)成熟可靠。

2.1.3 物料存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)

物料存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)的作用是將接料料斗中的物料由斗式輸送機(jī)、伸縮式皮帶機(jī)運(yùn)輸至儲(chǔ)料料斗內(nèi)，最后卸料至運(yùn)輸卡車內(nèi)。

物料存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)主要由接料料斗、斗式輸送機(jī)、儲(chǔ)料料斗和伸縮式皮帶機(jī)構(gòu)成。儲(chǔ)料料斗可以滿足一次儲(chǔ)料16噸的最大容量，在運(yùn)輸卡車未到位時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)要求提前備料，縮短了卡車的等候時(shí)間，提高工作效率。儲(chǔ)料料斗分成三個(gè)獨(dú)立料倉(cāng)，斗式提升機(jī)將接料料斗內(nèi)的物料提升至伸縮式皮帶機(jī)上，再由伸縮式皮帶機(jī)按要求將物料落入規(guī)定的獨(dú)立料倉(cāng)。儲(chǔ)料料斗可同時(shí)存儲(chǔ)三種不同的物料，也可一次最大量地放同一種物料，可按生產(chǎn)要求隨時(shí)調(diào)節(jié)，方便儲(chǔ)料，節(jié)約時(shí)間。物料輸送系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 物料輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.4 軌道懸掛系統(tǒng)

軌道懸掛系統(tǒng)主要完成來(lái)料噸袋的提升與卸料。其中，軌道行走機(jī)構(gòu)及起吊系統(tǒng)由環(huán)型滑觸線提供動(dòng)力。軌道懸掛系統(tǒng)可一鍵自動(dòng)，掛袋后自動(dòng)運(yùn)行直至重新回到掛袋位，并可多個(gè)行走機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，破袋和掛袋可同時(shí)進(jìn)行且互不干涉。

主要構(gòu)成：環(huán)形軌道、機(jī)架、軌道行走機(jī)構(gòu)（滑軌機(jī)構(gòu)、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、起吊機(jī)構(gòu)（單軌電動(dòng)葫蘆）、環(huán)型滑觸線。軌道懸掛系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 軌道懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.5 料倉(cāng)改造

料倉(cāng)主要完成上下密封板的開(kāi)合、下位置移動(dòng)及快速打袋落料。

構(gòu)成：上密封板（含扣合機(jī)構(gòu)、防塵軟毛）、下密封板（含開(kāi)合機(jī)構(gòu)、下密封板卸料口與裝袋區(qū)液壓位移機(jī)構(gòu)）、下料料倉(cāng)、打袋落料機(jī)構(gòu)、倉(cāng)體。打袋落料機(jī)構(gòu)在已破噸袋提升時(shí)，會(huì)傾斜伸進(jìn)料倉(cāng)內(nèi)并保持固定的相對(duì)距離，同時(shí)旋轉(zhuǎn)著在兩側(cè)擊打噸袋，使噸袋內(nèi)剩余物料快速掉落入倉(cāng)，達(dá)到清理噸袋的效果。清理完噸袋后，打袋落料機(jī)構(gòu)自動(dòng)收回，不影響滿噸袋在料倉(cāng)內(nèi)移動(dòng)。料倉(cāng)系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 料倉(cāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.6 除塵隔離房改造

除塵隔離房配有除塵裝置，在皮帶機(jī)上料端，主要作用是在儲(chǔ)料料斗向卡車卸料時(shí)除塵。隔離房示意見(jiàn)圖6。

圖6 隔離房構(gòu)成

2.1.7 輸送上料平臺(tái)改造

輸送上料平臺(tái)使用板鏈輸送，可將運(yùn)送來(lái)的滿噸袋運(yùn)送至掛袋位置下方。

工人可以用行車一次將多袋（最多4袋）吊放在平臺(tái)上，再由平臺(tái)運(yùn)至掛袋位置下方，方便了從行車到掛袋位的運(yùn)輸銜接。上料平臺(tái)示意見(jiàn)圖7。

圖7 上料平臺(tái)構(gòu)成

2.1.8 除塵過(guò)濾系統(tǒng)改造

除塵過(guò)濾系統(tǒng)主要由除塵器、多級(jí)別變徑管道、除塵插口、風(fēng)機(jī)等組成。

設(shè)備除塵點(diǎn)有破袋料倉(cāng)內(nèi)一個(gè)、接料料斗到斗式提升機(jī)入口處一個(gè)、除塵隔離房?jī)蓚€(gè)，共四個(gè)除塵點(diǎn)。

在除塵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，破袋及卸料所產(chǎn)生的含塵氣體在引風(fēng)機(jī)吸引力的作用下進(jìn)入灰斗，經(jīng)導(dǎo)流板后被均勻分配到各個(gè)濾袋上，粉塵被攔截在濾袋外表面，氣體則穿過(guò)濾袋，經(jīng)過(guò)凈氣室后外排。袋式除塵器捕集在濾袋外表面上的粉塵會(huì)導(dǎo)致濾袋透氣性的減少，使除塵器的阻力不斷增加，等到阻力達(dá)到設(shè)定植（差壓控制）或是過(guò)濾的時(shí)間達(dá)到設(shè)定值（時(shí)間控制），通常處于關(guān)閉狀態(tài)的脈沖閥在脈沖噴吹控制儀（PLC）脈沖噴吹控制下打開(kāi)0.1s 左右，高壓氣體瞬間從氣包進(jìn)入噴吹管，并高速?gòu)膰姶悼讎姵?。高速氣流噴入濾袋是還會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于噴射氣體的二次引流，噴射氣流與二次引流的共同作用使濾袋內(nèi)側(cè)的壓力迅速升高，濾袋由原先內(nèi)凹的形狀變成外凸的形狀，并在變形量達(dá)到最大值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)很大的反向加速度，吸附在濾袋上的粉塵主要在這反向加速度作用下脫離濾袋表面，落入灰斗，除塵器的阻力隨之下降。將粉塵從濾袋表面清除的過(guò)程稱為清灰。清灰工作是一排一排進(jìn)行的，脈沖閥每動(dòng)作一次，一排濾袋就得到清灰。脈沖閥按照設(shè)定的時(shí)間間隔與順序依次動(dòng)作，直到完成一個(gè)循環(huán)。除塵過(guò)濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 除塵過(guò)濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.9 安全保護(hù)系統(tǒng)改造

安全系統(tǒng)主要由護(hù)欄、安全光幕等組成。安全光幕是經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的光幕產(chǎn)品，由兩部分組成。投光器發(fā)射出調(diào)制的紅外光，由受光器接收，形成了一個(gè)保護(hù)網(wǎng)，當(dāng)有物體進(jìn)入保護(hù)網(wǎng)時(shí)，即有光線被物體擋住，通過(guò)內(nèi)部控制線路，受光器電路馬上作出反應(yīng)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。見(jiàn)圖9。

圖9 安全光幕構(gòu)成

3 結(jié)束語(yǔ)

輔材庫(kù)噸袋破解系統(tǒng)改造后，減少人機(jī)結(jié)合交叉作業(yè)現(xiàn)象，提升作業(yè)效率和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)安全本質(zhì)化水平提升；破袋過(guò)程采用除塵設(shè)備，減少作業(yè)環(huán)境粉塵，降低工人接觸粉塵職業(yè)危害可能。

本噸袋自動(dòng)破解系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)參照了國(guó)家有關(guān)智能制造標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)突出了數(shù)字化控制和自動(dòng)化運(yùn)行，采用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字和液壓控制技術(shù)、激光加工、環(huán)境保護(hù)等技術(shù)，預(yù)留了和韶鋼ERPMES 等信息化管理系統(tǒng)互聯(lián)互通接口，為今后接入公司信息化管理系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。項(xiàng)目系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)、減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度、提升自動(dòng)化水平和實(shí)現(xiàn)智能化管理的要求；優(yōu)化3D 崗位，每年節(jié)約人工成本56萬(wàn)元，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，提高了寶武韶鋼的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。