煤炭機械化采樣樣品自動封裝配套系統研究

羅小杰，王 軍，劉晶歌

(陜西維德科技股份有限公司， 陜西 西安 710054)

0 背 景

目前煤炭仍然是我國的主要能源，也是我國出口創匯的主要商品之一。隨著國內市場經濟的發展，各領域用戶對所用的煤炭都有特定的質量要求和技術標準[1]，遵循以質論價的交易原則。而今在交易環節中按發熱量結算已經常態化，因此，煤質檢驗在煤炭產運銷的各個環節中發揮著至關重要的作用，不同程度地影響著煤炭價格和企業效益。煤質檢驗基本過程包括采樣、破碎、縮分、收集、制樣、檢驗分析等步驟[2]。當前開放式的集樣過程不能實現人樣分離和杜絕人為因素，在樣品運送環節中存在替換樣品的安全風險，從而對化驗結果產生影響進而引起貿易糾紛。基于此，本文提出研究一種不僅能夠單獨使用，還能夠配套應用于各種工況下的煤炭采樣系統。自動封裝系統是對煤炭樣品進行全自動收集、封裝、存儲樣品信息等。

1 自動封裝配套系統的總體設計

1.1 原有自動封裝裝置概述

原有的自動封裝裝置是車載移動式煤炭采樣機的組成部件，僅僅適用于車載移動式采樣機，具體結構見圖1，其換桶過程需要人工操作，生產效率、自動化程度、控制精度相對較低，應用領域也比較局限。

該裝置的主要工作原理如圖1所示：回轉式減速器1旋轉帶動集料桶9轉動，同時集料軸的轉動通過同步帶帶動封裝軸旋轉，封裝軸的轉動帶動固定于其上的轉臺蓋板17及位于蓋板17上的集料桶蓋14轉動，這樣就能夠實現集料桶9和其對應桶蓋14的同步旋轉，通過恰當地設置兩者的初始轉動位置，使得當裝滿料的集料桶9旋轉到與上面轉臺蓋板垂直對齊的封裝位置時，該集料桶9對應的集料桶蓋14也同時通過轉臺蓋板旋轉到與集料桶9垂直對齊的封裝位置，然后處于封裝位置正上方的支架上的液壓油缸12向下推動油缸壓板13，通過油缸壓板13將集料桶蓋14扣押在集料桶9上完成自動封裝。

該產品結構雖實現了對樣品的封裝，但是效率和自動化程度低。集料桶和蓋用完之后，都需要人工更換，操作頻繁，增加了工作量。

圖1 車載采樣機自動封裝裝置[3]

1.2 優化升級后的自動封裝配套系統

根據現場調研工況數據及客戶反饋，設計者結合多種條件下的使用情況，提出了自動封裝配套系統思路。即本文所設計的自動封裝配套系統完全實現了無人值守，提高了自動化程度，彌補了上述設備存在的不足，并且拓寬了應用領域，可以當作配套設備對原有的產品進行替換。該總體設計包括：自動送桶裝置、接料裝置、樣料封裝裝置、自動出桶裝置、RFID非接觸射頻識別系統、PLC智能控制系統。如圖2所示。

圖2 自動封裝配套系統

2 自動封裝配套系統構成

煤炭采樣和制樣的目的，是為了獲得一個其試驗結果能代表整批被采煤的試驗煤樣[4],因此自動封裝配套系統設計必須滿足煤炭機械化采樣的規范要求。根據自動封裝配套系統功能需求，本文采用了機械傳動、氣動傳動、電氣控制等方式進行設計。

2.1 自動送桶裝置

自動送桶裝置應用電機驅動平頂鏈輸送機實現自動輸送，大量空樣料桶通過人工補充在該輸送帶上。其工作模式為分時段工作，當該裝置樣料桶檢測傳感器(紅外線傳感器)檢測到樣料桶離開接料裝置時，控制系統控制平頂鏈輸送機啟動，將空樣料桶送到接料裝置接料預備工位，然后平頂鏈輸送機停止運行,如圖3所示。

圖3 自動送桶輸裝置

2.2 接料裝置

本文所設計的接料裝置有兩個工位，接料預備工位和接料工位。這兩個工位均安裝有樣料桶檢測傳感器(接近開關)和樣料桶阻擋器，在接料工位正上方裝有料位傳感器、帶料門的樣料中轉箱，在接料工位樣料桶安裝有RFID電子標簽讀寫器。其工作過程如下：接料工位的樣料桶檢測傳感器檢測到該工位有空樣料桶時，樣料中轉箱料門打開，樣料進入樣料桶，當料位傳感器(超聲波)檢測到樣料桶滿時，樣料中轉箱料門關閉。在接收樣料的同時，RFID電子標簽讀寫器將樣料相關信息記錄在樣料桶桶底粘貼的RFID電子標簽上。當這兩個動作完成后，該工位的樣料桶阻擋器下降，傳送鏈棍啟動，將裝滿樣料的樣料桶送到下一工位，接料預備工位的空樣料桶繼續送到接料工位，進行下一循環(見圖4)。

圖4 接料裝置

2.3 樣料封裝裝置

本文所設計的樣料封裝裝置只有一個工位。該工位安裝有樣料桶檢測傳感器(接近開關)、樣料桶阻擋器和樣料桶定位機構。封蓋工位正上方安裝有封蓋機械臂，其由1個上下垂直運動的封裝氣缸和3個抓手小氣缸組成，主要完成料桶蓋的抓取和封扣動作。封裝氣缸上安裝有拉線位移傳感器和接近開關，用來自動判別料桶蓋支架上料桶蓋的位置和料桶蓋的數量，方便封蓋機械臂的抓取。封蓋機械臂旁邊布置有旋轉式料桶蓋支架，它有兩個工位，供蓋工位和料桶蓋補充工位，為封蓋機械臂提供料桶蓋。樣料封裝裝置工作過程如下：裝滿樣料的樣料桶進入到封蓋工位，樣料桶定位機構動作，對樣料桶進行精確定位。封蓋機械臂從料桶蓋支架上抓取一個料桶蓋，并旋轉到樣料桶正上方，再將料桶蓋封扣在樣料桶上。旋轉式料桶蓋支架供蓋工位料桶蓋用完后，料桶蓋支架旋轉180°，料桶蓋補充工位的料桶蓋旋轉到供蓋工位，繼續給封裝機械臂提供料桶蓋，原供蓋工位的空料桶蓋支架旋轉到料桶蓋補充工位(見圖5)。

圖5 樣料封裝裝置

2.4 自動出桶裝置

本文所設計的自動出桶裝置主要由電機驅動的平頂鏈輸送機，不帶動力的、有一定傾斜角度的鏈棍輸送機和樣料桶存儲平臺組成。其工作過程如下：封好蓋的樣料桶由平頂鏈輸送機送出，由操作人員將封好蓋的樣料桶從輸送機上取下，未取下的料桶被輸送到不帶動力的、有一定傾斜角度的鏈棍輸送機上，在鏈棍輸送機上由于樣料桶重力作用，樣料桶被輸送到樣料桶存儲平臺上，方便操作人員隨時收取(見圖6)。

圖6 自動出桶裝置

2.5 RFID非接觸射頻識別系統

本設計所應用的射頻識別系統(RFID)是專門針對煤場采樣惡劣的工業自動化環境，實現數據讀入和讀出的解決方案。射頻電子標簽可適用于絕大多數惡劣工業環境，該裝置達到了IP68的工業防護等。設備采用的RFID識別控制器(IDENT Control)將提供統一的操作界面和相同的命令處理模式。IDENT Control識別控制器現場部分采用工業級Profibus-DP總線，防護等級高，抗干擾能力強。實驗室解碼部分通過RS232接口連接電腦。檢驗完成后實現解碼顯示并關聯相關軟件存儲煤樣數據。

2.6 PLC智能控制系統

本文所設計的控制系統主要包括主控器、傳感器、執行元件以及通訊模塊等部分，其中傳感器分別檢測樣桶位置，樣煤多少，樣桶數量等相關參數，并按所設定的工藝邏輯工作；主控器采用小型邏輯控制器或單片機集成板，并配合外圍隔離電路實現，可在最經濟、最穩定的基礎上更有效的對主控器實現保護作用；執行元件主要由電機及氣動元件組成；通訊模塊至少可實現兩個基礎功能，一是無線射頻識別功能(RFID)，負責數據卡的讀取寫入工作，可實現煤樣的信息溯源，保障煤樣安全；二是提供自動封裝系統與其他相關智能采制樣系統之間的數據交換功能，如接收來自采制樣系統對所封裝煤樣的信息描述等。

3 結 語

本文研究的自動封裝設備，無論是在樣料的代表性、公正性方面，或者在樣料收集、樣料封裝整個過程的自動化方面，還是在節能環保方面，都具有很重要的意義。

(1) 自動封裝配套系統的設計滿足煤炭機械化采樣的規范要求，有效結合并采用機械傳動、氣動傳動、電氣控制等方式進行設計，實現煤樣基礎數據采集、自動集樣封裝、射頻卡(RFID)樣品屬性信息智能讀寫以及樣品質量智能校核、自動生成核算信息等功能；

(2) 自動封裝配套系統實現了無人值守，提高了自動化程度，彌補了原有封裝設備存在的不足，并且拓寬了應用領域，可以當作配套設備對原有的產品進行替換。

參考文獻：

[1]GB/T 30730-2014.煤炭機械化采樣系統技術條件[S].

[2]祝 培,彭 超.全自動汽車煤炭采制樣機的研究[J].煤炭加工與綜合利用,2011(03):21-25.

[3]王 軍.一種煤炭采制樣機中的自動集樣封裝裝置[P].中國,ZL201310038250.X，2014-09-17.

[4]GB/T19494.1-2004.煤炭機械化采樣第1部分：采樣方法[S].

[5]謝恩情.煤炭機械化采樣方案的確立[J].煤質技術,2005(04):46-49.