袋裝智能裝車機在我公司的技改實踐
王向陽    郝向東  
山西長鋼瑞昌水泥有限公司

摘要：對原ZQD120Y-11/11移動式液壓升降袋裝水泥裝車機進行改造，采用智能裝車系統(tǒng)，并不斷完善改進，設(shè)備運行平穩(wěn)，自動化程度高，檢測設(shè)備精準，裝車全過程實現(xiàn)無人值守。解決了人員緊缺、職工職業(yè)健康問題，效果良好。技改指標均達到預(yù)期目標，

關(guān)鍵詞：智能裝車；技術(shù)改造；設(shè)備升級

山西長鋼瑞昌水泥有限公司現(xiàn)有2臺BHYW-8型旋轉(zhuǎn)式包裝機，兩臺ZQD120Y-11/11移動式液壓升降袋裝水泥裝車機，兩線均采用人工接袋碼垛的方式，工人勞動強度大，并且裝車過程中的粉塵嚴重影響工人的身體健康。為滿足水泥市場的需求，解決工人的職業(yè)健康問題，節(jié)約勞動成本，公司于2021年初與智能裝備公司聯(lián)合對2#裝車線進行了改造，經(jīng)現(xiàn)場多次勘查及現(xiàn)有車輛類型討論，設(shè)計了一套適用我單位的懸掛式袋裝智能裝車機。由于懸掛式袋裝智能裝車機系統(tǒng)在前期設(shè)計時方案有點欠缺，投產(chǎn)后對生產(chǎn)造成一定的影響，但經(jīng)過我公司與智能公司在生產(chǎn)中對部分設(shè)備的改進優(yōu)化，現(xiàn)完全達到了預(yù)期的目標。

1技改內(nèi)容 

智能裝車機改造從出包機長皮帶的轉(zhuǎn)彎溜子開始至裝車機裝袋結(jié)束。包括廠房、收塵管、軌道等基礎(chǔ)設(shè)施改造，與原一卡通及銷售平臺業(yè)務(wù)對接、設(shè)備安裝、電纜及橋架安裝、調(diào)試，與配套土建及鋼結(jié)構(gòu)改造滿足智能裝車系統(tǒng)，實現(xiàn)智能裝車。

1.1技改要求

1.1.1包裝機連續(xù)均勻放料臺時裝車量不小于 100t/h，滿足75g 現(xiàn)有編織袋，適合車廂寬度在 2.5-3m，高度不大于 3m 所有車型，裝車機破包率≦1‰， 連包處理率≥ 95%以上，連續(xù) 4 袋不停機。

1.1.2具有 T 型包、連包的處理功能，保證裝車過程中不掉包、保證包裝袋不歪斜。

1.1.3轉(zhuǎn)彎溜子實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎溜子處堵袋后報警、關(guān)停相關(guān)前道工序設(shè)備功能。

1.1.4利用現(xiàn)有收塵系統(tǒng)，采用移動式收塵風箱結(jié)構(gòu)，裝車機頭部具有揚塵吸取功能，通過移動收塵風箱將落包產(chǎn)生的揚塵負壓吸走，下部具有收集粉料功能，裝車區(qū)域滿足無組織排放要求，收塵量不低于逸散量的 95%，裝車機旋轉(zhuǎn)部位設(shè)置防護設(shè)施，且車間內(nèi)噪音不大于 85db。

1.1.5電氣部分

1、電器元件采用 ABB 或施耐德產(chǎn)品。

2、與我公司一卡通和銷售平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)互推。

3、與智能插袋機數(shù)據(jù)互推。

4、預(yù)留與原 DCS 系統(tǒng)通訊接口。

5、PLC 系統(tǒng)采用西門子品牌；伺服控制、變頻器采用匯川品牌。

6、裝車機實現(xiàn)日、月、年的包裝數(shù)量統(tǒng)計功能。

7、5 分鐘內(nèi)無車輛入道發(fā)出停機命令。

8、裝車機處設(shè)置一 800mm×600mm 液晶顯示屏，顯示內(nèi)容分四行，分別為“裝

車品種”、“車牌號”、“裝車袋數(shù)”、“已裝車袋數(shù)”，數(shù)量裝夠后語音提示。

1.2原裝車機結(jié)構(gòu)改造

1.2.1平皮帶輪距改造，原行走平皮帶 P18 軌道，中心距 1300mm，自動裝車機使用軌道P38，中心距 1510mm，軌道改造完后，同樣位于主承重梁上，強度無影響，為適應(yīng)自動裝車機軌道中心距，替換平皮帶輪組。

1.2.2行走皮帶前端推車框架改造，適應(yīng)自動裝車機，與裝車機行走推車相連。斜皮帶下端，新增滾筒過渡裝置，適應(yīng)與自動裝車機機頭連接。

1.2.3裝車機地面低于零平面 400mm 有效長度 16.5 米，在原土壓實后鋪設(shè) 300mm 厚積配碎石并壓實，澆筑 300mm 厚 C30 混凝土，澆筑后進行保溫養(yǎng)護。

2設(shè)備的性能

該系統(tǒng)完全實現(xiàn)裝車全過程無人值守。待裝車輛按要求停止待裝點，利用刷卡器獲取車輛信息后，控制系統(tǒng)啟動車輛檢測模塊自動獲取車輛外形尺寸、位置、類型等基本信息。系統(tǒng)根據(jù)車輛掃描信息規(guī)劃碼放垛型，并將車輛信息通過一卡通系統(tǒng)傳遞給自動包裝機，開紿進行裝車。裝車機系統(tǒng)并同步進行精準袋料碼放。系統(tǒng)在工作過程中可實時監(jiān)控設(shè)備運行情況，發(fā)現(xiàn)報警可自動停機。故障處理后自繼續(xù)裝車。該系統(tǒng)可將設(shè)備運行中的數(shù)據(jù)傳回企業(yè)中心數(shù)據(jù)庫，并可執(zhí)行遠程數(shù)據(jù)修改、停車等操作。裝車完成后，自動裝車機自動回到待機點，進入下一車的等待模式。

2.1系統(tǒng)構(gòu)造

智能袋裝水泥裝車機主要由行走小車、機頭框架、自動翻板滾筒、袋料分流換向擺臂、RGV碼垛小車、袋料異常處理機構(gòu)、安全檢測機構(gòu)、平、斜皮帶輸送機、除塵系統(tǒng)、上位機、180°轉(zhuǎn)彎溜槽、下料導(dǎo)包器等組成。

2.2工作流程

智能裝車機實行全自動裝車運行，本機在使用過程中操作簡單，使用方便，用戶只需將待裝車輛按要求停到待裝位，在讀卡器上插入身份證，在上位機上進行信息確認后，設(shè)備即可開紿進行自動裝車。

圖1自動裝車流程工藝圖

2.3工作原理

1）自動裝車系統(tǒng)機械運動機構(gòu)

待裝車輛進入裝車區(qū)域，司機刷卡后，自動裝車系統(tǒng)通過雷達掃描儀對車輛信息進行識別，自動匹配裝車方案，司機在上位機上二次信息確認后，自動裝車機啟動前行至待裝車輛上方，設(shè)備內(nèi)的進、出料機構(gòu)，導(dǎo)包機構(gòu)及除塵系統(tǒng)同步啟動，進入裝車待命。裝車時RGV碼垛小車按照車廂寬度、長度，從右向左，逐行、逐列、逐層連續(xù)式碼放袋料，RGV碼垛左右小車初始位車廂前端左右兩側(cè)，擺臂位于左側(cè)，右側(cè)小車開紿放包。

自動包裝機在接收到車輛信息后，開始進行包裝掉袋作業(yè)，袋裝水泥經(jīng)接包機進入皮帶輸送機（皮帶輸送機上安裝有異形包處理機構(gòu)，防止轉(zhuǎn)彎溜子處堵包，給RGV碼垛小車碼垛時間隔距離），經(jīng)導(dǎo)包器進入180度轉(zhuǎn)彎溜子，袋料進入自動裝車機進、出料輸送皮帶機，進入RGV碼垛小車機頭內(nèi)，（機頭入料口安裝有兩個對立的光電開關(guān)，檢測袋料通過）擺臂向右撥動袋料進入右小車翻板，同時第二袋袋料進入機頭內(nèi)，擺臂向左撥動袋料進入左小車，同步右小車放料。左右小車根據(jù)系統(tǒng)計算的擺放方案重復(fù)以上動作完成裝車任務(wù)。

2）智能控制系統(tǒng)

能控制系統(tǒng)可以分為4個模塊：通訊、視覺、算法及電氣控制系統(tǒng)。

通訊模塊主要負責一卡通系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)之間的信息流數(shù)據(jù)交互。實現(xiàn)一卡通與上位機系統(tǒng)之間的訂單信息數(shù)據(jù)交互，將視覺檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果傳送至上位機系統(tǒng)以及上位機系統(tǒng)的跺行算法結(jié)果傳送至PLC控制系統(tǒng)。

算法模塊主要集成在上位機系統(tǒng)中，將獲取的車輛輪廓尺寸和訂單信息結(jié)果進行處理，進行每一包水泥的坐標計算得出該訂單最優(yōu)的裝車跺型，合理化配置裝車層數(shù)、尾部縮進、水泥包疊加系數(shù)、層數(shù)補償?shù)取?/p>

視覺模塊是視覺檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電機控制激光轉(zhuǎn)動掃描，實時獲取IMU傾角數(shù)據(jù)（或者通過積分獲取角度）組建形成車輛的3D點云模型，該點云模型數(shù)據(jù)基于局部特征對點云去噪、濾波、分割、壓縮、配準、檢測，通過算法獲取車輛輪廓尺寸并錄入數(shù)據(jù)庫存檔信息。

PLC控制系統(tǒng)通過Scoket通訊實時獲得上位機計算的物料坐標信息，進行邏輯運算，將結(jié)果通過profinet協(xié)議發(fā)送至控制器驅(qū)動伺服電機及外部IO設(shè)備的驅(qū)動，控制設(shè)備的提升、左右、前后定位及氣缸的打開關(guān)閉實現(xiàn)物料的碼垛，在裝車碼垛過程中出現(xiàn)問題及時停機報警人為進行異常處理后切換至自動模式設(shè)備可繼續(xù)自動碼垛。該控制系統(tǒng)支持的外部設(shè)備包括:西門子S7-1500（CPU）、支持PN通訊的伺服驅(qū)動器、PNP型輸入傳感器，HMI界面友好、人性化，包括管理員信息、裝車進度、手動操作、異常處理、報警瀏覽以I/O狀態(tài)監(jiān)視等模塊。

3主要設(shè)備改造前后對比圖

 

圖2裝車機改造前后對比圖

圖3轉(zhuǎn)彎溜子改造前后對比圖

4設(shè)備運行中的優(yōu)化

經(jīng)過二個多月的安裝和設(shè)備調(diào)試，于3月15日開始發(fā)貨裝車。在技改投產(chǎn)運行一段時間后由于當初設(shè)計方案的缺失，人員的操作技能不熟練，設(shè)備故障對生產(chǎn)造成一定的影響，為此對部分設(shè)備進行了改進。

4.1對皮帶輸送機架進行了改善：原來進料平皮帶與出料斜皮帶兩行走輪間距過大，斜皮帶機頭部又安裝了懸掛式袋裝移動小車升降機構(gòu)，在裝車過程中出現(xiàn)平、斜皮帶機滾筒聯(lián)接處斷裂故障三次。通過現(xiàn)場裝車時觀察及與智能公司的溝通，在兩皮帶聯(lián)接處增設(shè)一組行走平輪（見圖4），增加平、斜皮帶間的支撐力，避免機架聯(lián)接處開裂，造成停機故障。

圖4皮帶輸送機改善前后對比

       4.2對裝車機移動電源線進行了改善：由于原來設(shè)計失誤，電源線采用吊掛移動式，在小車頻繁的移動過程中，發(fā)生掛鉤脫落故障，由于崗位人員沒有及時發(fā)現(xiàn)，造成小車移動時對電源線，氣管、信號線壓斷，造成停機故障。采用托鏈式替代吊掛式移動小車主電源（見圖5）。

圖5電源線改善前后對比

       4.3對進料口動力滾筒支架及滾筒固定方式進行了改善：滾筒支架在制作過程中采用氬弧焊焊接時未對支架焊口處焊接牢固，在生產(chǎn)過程中由于袋裝水泥的頻繁施壓，焊口開裂，致使?jié)L筒掉下，動力滾筒電源線損壞，造成生產(chǎn)停機。改變滾筒的原來安裝方式，對支架邊緣增加肋板加固焊接，固定片安裝滾筒里面，外面增加墊片，兩面緊固，避免支架變形使?jié)L筒掉下（見圖6）。

圖6滾筒支架及滾筒固定方式改善前后對比

4.4對提升機構(gòu)的定滑輪組進行改善：原小車提升機構(gòu)定滑輪是3t，鋼絲繩是Ø16，小車升降時鋼絲繩從卷筒通過三個定滑輪作上下移動，由于3t定滑輪輪沿間距為20mm，與鋼絲繩摩擦力過大，造成鋼絲繩與滑輪磨損過快，設(shè)備運行3個月后，出現(xiàn)鋼絲繩磨損過半，定滑輪損壞，更換為5t定滑輪，輪沿間距達30mm，并整體向右移動 16mm，減少了鋼絲繩與滑輪的摩擦（見圖7）。

圖7定滑輪及磨損情況改善前后對比

4.5 2#智能裝車機運行到6個月后，出現(xiàn)機頭內(nèi)小車放料翻板運行過程中不放料，安排維護人員進行了排查，是電磁閥的電源線纜不通造成，更換了損壞的電源線纜，恢復(fù)正常生產(chǎn)。在隨后頻繁出現(xiàn)類似故障，更換在線線纜后恢復(fù)正常，一周后又出現(xiàn)翻板打不開故障。通過對故障的分析，在線電纜不適合頻繁移動，造成故障停機，將原RVV型號的信號線纜更換為TRVV信號線纜，徹底解決了這一故障（見圖8）。

圖8使用的RVV線纜改善前后對比

5技改效果

將原有 2#人工裝車機拆除并安裝完成新智能裝車機，經(jīng)6個月的完善改進，設(shè)備儀器運行平穩(wěn)，自動化程度高，檢測設(shè)備精準，徹底改變了人工接袋碼垛的方式，為企業(yè)打造成裝車智能數(shù)字化模式奠定基礎(chǔ)，促進水泥企業(yè)裝備技術(shù)升級，下一步將對1#裝車機進行改造，裝車系統(tǒng)采用智能化裝車，有效提高公司經(jīng)濟效益和信息化管理水平。

6存在的不足

由于我公司的皮帶輸送機長為101米，帶速為1.5m/s，車輛對位后激光掃描時間為1sin，袋料從包裝機到發(fā)貨車輛上需約2.6min，耗時過長；5t以下車輛占1/3，掃描對位時間長，發(fā)貨量低。上述兩個條件嚴重影響自動裝車機的臺時產(chǎn)量。下一步我公司將優(yōu)化發(fā)貨車輛，并與智能制造公司協(xié)商，改善裝車程序，實現(xiàn)長皮帶上留包的控制方式來提高自動裝車機的臺時產(chǎn)量。

懸掛式袋裝智能裝車機是未來水泥發(fā)運的方向，隨著水泥行業(yè)從業(yè)人員的老年化趨勢，勞動力越來越寶貴，水泥從業(yè)朝著自動化智能化少人、甚至無人方向發(fā)展，智能裝車機的有效運用和不斷地完善提高，提升了公司的市場競爭力，同時也給同類型生產(chǎn)企業(yè)提供了很好的借鑒。

參考文獻：

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【2】褚建偉, 蘇　偉, 姬忠全：智能袋裝水泥裝車機器人系統(tǒng)的介紹及應(yīng)用【J】.水泥，2019，（8）：55-57.