智能粉料輸送在線取樣系統自動控制研究

王應麗，張 波，王 凱，袁 龍

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

在水泥、冶金、化工等對高壓管道輸送粉料現場質量控制有要求的行業，粉料的取樣工作大都用工具手工取樣——操作工將取樣袋套在取樣管道口，手閥緩慢打開，人工控制取樣量，從主管道集取少量料樣并對取樣的礦粉進行檢測。人工取樣主要存在以下缺陷：取樣不及時，取樣不均勻，取樣量不好控，不能保證數據的準確，易產生異議；對環境污染嚴重；管道內的高壓氣體有安全隱患；且工人勞動強度也大[1-2]。因此如何將粉體材料從這些高壓輸送管道中及時、均勻、定量、安全、可靠且無污染地取出成了一個難題[3]。

為了解決上述問題，中信重工機械股份有限公司經過一年多的研發改進，開發出一種適用于粉罐車及各種粉料輸送壓力管道的智能粉料輸送在線取樣系統。該取樣系統主要由取樣裝置和控制系統2 部分組成，可根據管道壓力，自動控制動力機械進行采樣、清潔、收集等工作。

1 智能粉料輸送在線取樣系統的結構及工作原理

該智能粉料輸送在線取樣裝置如圖 1所示，主要由進料閥及進料管道、反吹管道及閥門、取樣閥、分離器、存料器、過濾除塵器、放料閥和振打器等部件組成。

圖1 智能粉料輸送在線取樣裝置Fig.1 Intelligent on-line sampling device for powder conveyance

該系統工作原理是：需要卸料的散裝罐車與輸送管道連接后，開始向庫內輸送物料。當攜帶粉料的高壓氣體從管道內流過時，進料閥打開，由于壓差作用，高壓含塵氣體進入到分離器內，在分離器內完成氣固分離，分離出的粉料落入底部的集灰斗內，而氣體則由頂部的管道進入除塵器中[4]。除塵器一方面用于阻擋含塵氣體直接排放，另一方面可以降低排氣噪聲。過濾后的氣體清潔無塵可以直接排放。當集灰斗內的粉料積累到一定量后，排灰閥打開將粉料排到取樣桶中。為了防止集灰斗內結料，在集灰斗的側壁還設有振動器，通過振動可將粘結的粉料振落到取樣桶內。同時為了解決罐車打灰過后，取樣管道的粉料結塊問題，每次取樣前和取樣后都需要對取樣管道進行反吹，以保證管道清潔。

智能取樣系統可實現及時、均勻、定量、安全、可靠的取樣功能，達到全過程無人化操作，除要對機械取樣部分進行反復修改設計外，控制系統的功能和性能也至關重要。

2 智能粉料輸送在線取樣控制系統

2.1 控制流程

（1）要保證系統自動啟停 要實現智能取樣系統的無人化操作，自動啟停是根本，考慮罐車卸料的特殊工況，在取樣管道上安裝壓力傳感器，系統接收到穩定的壓力時，即可確認罐車工作，此時可以開始自動取樣。反之，如果壓力低于預設值時，可以停止取樣。

其中，壓力傳感器的設計要點在于：應能滿足不同車輛不同壓力的需求，不同的壓力，物料的質量分數就不相同。取出的樣品必須要有反映真實物理性能的代表性，為此壓力傳感器的設計帶寬要大，便于自動程序在識別濃相時工作。

（2）要保證系統按順序工作 有罐車開始卸料時，系統自動啟動，間隔一段時間，反吹—反吹停止—取樣—取樣停止—反吹—反吹停止。間隔一段時間，周而復始，到達預定的取樣次數，放料閥動作，樣品排入取樣桶中。系統順序工作流程如圖 2所示。

圖2 智能粉料輸送在線取樣系統工作流程Fig.2 Working process flow of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

（3）要確保工序間隔時間合理 確保取樣時間內可以采集到所需數量的樣品，確保反吹時間既可以清理干凈管道的剩余粉料，又盡可能地減少反吹時間，以節約壓縮空氣用量。

（4）確保異常情況下安全取樣 故障和異常情況主要包含：①壓力變送器信號的異常干擾，導致取樣驟停；② 設定時間未到或者次數未到，罐車停止卸料，導致取料周期中斷；③由于設定時間過長或者次數過多，導致放料閥長時間不動作，造成細粉樣品在集灰斗內板結，而集灰斗本身又很難清理。

（5）實現全自動無人控制 粉狀物料進廠有時候按照批次檢驗，有時候按照車次檢驗，要根據批次和車型大小，調整取樣時間間隔和其他參數，自動控制系統可使化驗室人員遠距離操作。

2.2 控制難點

從智能粉料輸送在線取樣系統控制功能和流程分析，系統控制的難點在以下幾個方面[5-6]：

（1）啟停條件的設計 除了滿足信號值域要求外，還要考慮壓力信號的干擾問題和壓力上升時間，罐車開始打料時，壓力逐漸上升，數分鐘后才能穩定。打料結束時，壓力則下降比較快。啟動和停止壓力時需要取不同的時延。

（2）系統工作時序的設計 系統工作時序復雜，需要考慮好每個工序之間的順序和銜接。比如若反吹后長時間不取樣，或者取樣后長時間不反吹，以及取樣后沒有及時關閉進口閥等情況，均會導致管道粉料結塊，嚴重時甚至粉料會進入閥芯內部，堵塞閥門。

（3）對異常情況的充分考慮 由于采用循環工序取均勻樣品，任一循環或者任一循環的任一工序均會由于車況或者外部設備異常而出現故障。程序需充分考慮故障和異常情況，采取正確的應對措施，才能保證智能采樣系統的工作可靠性。

（4）可靠性與可用性 智能在線取樣系統現場環境一般較惡劣，要適應這種工作環境，需要抗干擾，抗污染，結構緊湊，以便于運輸和現場安裝放置。

（5）通信問題 化驗室上位機僅需要有調整參數、數據收集和打印功能即可。但購置 SCADA 軟件成本高昂，亦沒有自主權，所以需要開發通用的遠程通信客戶端，實現低成本的軟件架構。

3 智能粉料輸送在線取樣系統方案設計

3.1 控制要點

通過對智能粉料輸送在線取樣系統控制要點和難點分析，可以得到以下結論：

（1）控制系統需要能實現順序控制，以完成開閥、反吹、取樣、振打放料等取樣工序。

（2）控制系統應具有計時和計數功能，智能在線取樣不僅需要根據計時器延時動作，而且需要倒計時每次間隔的時間（指每車N次采樣之間的時間間隔，該時間可由用戶設置和更改）和每次取樣時間（取樣時間過長，采集樣品會過多，需合適調整該時間）；還需要記錄每車采樣開始時間、結束時間和采樣次數，并將數據上傳至化驗室；同時，根據時間間隔和次數完成循環功能。

（3）控制系統應具有模擬量采集和處理功能，系統自啟動和自停止功能均根據壓力信號完成。壓力傳感器輸出的4～20 mA 模擬量需要進入控制系統，配合完成邏輯搭建和程序編制工作。

（5）控制系統應具有遠程通信接口，要與化驗室有數據傳遞，實現化驗室人員的遠距離操作和監控。一方面可以遠程監視采集流程，另一方面可以遠距離進行參數調整。

3.2 方案確定

根據以上結論，對比以下2 種方案，確定采用以PLC＋觸摸屏的控制方案。

（1）單片機 (MCU)＋外圍電路 該方案成本低，體積小，很適合智能在線取樣系統。但該方案也存在以下2 個問題：一個是軟件開發周期長，MCU程序需要從底層寫起，編寫和調試比較費時；另一個是外圍硬件電路的搭建和測試需要外界協助，而且周期也會較長，硬件電路的穩定性和可靠性有一定風險，且硬件封裝的防塵性也需要充分考慮。

（2）PLC＋觸摸屏 該方案體積比單片機（MCU）＋外圍電路方案會大一些，能耗也大一些，成本相對高一些。但軟件開發周期較短，有固定的程序模塊可以調用，而且硬件產品的穩定性和可靠性均有官方認證，無須耗費精力[7]。綜合考慮，空間的犧牲可以容忍，成本增加也可以接受，故選擇此方案。

4 方案實施

4.1 硬件實施方案

智能粉料輸送在線取樣系統硬件選擇西門子 S7-200 SMART 昆侖通泰 MCGS 觸摸屏的方案。S7-200 SMART CPU 標配的 PROFINET 接口，基本指令執行時間為 0.15 μs。CPU 模塊有標準型和經濟型2 種類型。經濟型 CPU 模塊直接通過單機本體滿足智能在線取樣系統的控制需求。深圳昆侖通泰的 MCGS 觸摸屏可以通過 RS485 無縫連接西門子 PLC，完成兩者之間所有的數據通信工作。該方案也是現有 PLC＋觸摸屏方案中性能最好、價格最低的方案。硬件配置如圖 3所示。

圖3 智能粉料輸送在線取樣系統硬件連接示意Fig.3 Hardware connection diagram of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

為滿足空間需求，將整個柜體分割，僅用上部1/6 的空間布置控制系統（含控制器、配電空開、隔離器、接觸器和中間繼電器等元器件），控制系統硬件布置如圖 4所示。控制系統周圍為對電子元器件無干擾的氣動電磁閥。

圖4 智能粉料輸送在線取樣系統硬件布置Fig.4 Hardware layout of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

4.2 軟件實施方案

根據控制要求和控制要點進行軟件設計，軟件共分以下6 個部分。

（1）工作方式切換 用戶可以選擇手動或者自動操作智能粉料取樣系統，自動時系統根據壓力自啟動，自動執行采用流程，自動停止；手動時，忽略壓力信號，直接按設定的周期循環取樣，直至取樣結束，如圖 5（a）所示。

PLM是一種數據管理和信息集成軟件，是CAx，PDM，ERP，CRM，OA等工具的集成平臺，將各種異構數據統一起來，打破信息孤島，實現了所有與項目有關的人在整個信息生命周期共享產品數據，為并行工程提供系統工作環境。

（2）模擬量信號處理 由于 SMART 200 不提供模擬量量化轉換模塊，編程人員需按照編寫程序進行量化轉換，轉換邏輯如圖 5（b）所示。

圖5 智能粉料輸送在線取樣系統軟件控制Fig.5 Software control of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

式中：PVout為轉換后的值；PVin為模擬量輸入值；Rmax、Rmin分別為儀表的上限和下限值。

（3）程序流程的時序 此部分為軟件核心內容，為軟件設計的難點。順序工作流程時序如圖 6所示。

圖6 智能粉料輸送在線取樣系統信號時序圖Fig.6 Signal sequence diagram of intelligent on-line sampling system for powder conveyance

（4）故障處理 用于處理故障或者異常情況。目前主要考慮了壓力變送器信號異常、罐車未拉滿料導致循環提前結束等情況。

（5）人機接口 主要包括觸摸屏操作畫面，用于顯示系統實時工作的動態畫面，采集次數、集時長等參數設定的界面，以及手動檢修時進行單個設備驅動測試的界面。

（6）PLC 與化驗室的通信程序 利用 C# 軟件，采用 S7 協議，直接對 PLC 的地址進行讀取和寫入操作，從而訪問到化驗室需要的數據，以及下發至PLC 的參數設置。同時提供了單據打印功能。以下為 C# 與 SMART 200 通信連接和調用的實例化代碼（部分）。

5 投運效果

經過數次改造和試投運，智能粉料輸送在線取樣系統最終在山東平陰山水水泥廠粉磨車間達到了連續投運。智能粉料輸送在線取樣系統如圖 7所示。

圖7 智能粉料輸送在線取樣系統Fig.7 Intelligent on-line sampling system for powder conveyance

經過投運一年來的數據統計，智能粉料輸送在線取樣系統達到了100% 的自動投運率，完全避免了管道板結情況，大大降低了人工取樣的勞動強度，節約了取樣采樣人員的數量。取樣均勻度根據預設時間隨意調整，取樣量滿足用戶需求。對意外情況，如壓力變送器信號的異常干擾、沒有完成設定情況以外終止打料等，均能進行故障處理，強制中斷循環，強制吹掃，并振打放料。

在投入運行的經濟效果方面，單臺自動取樣設備每年為企業節約人工成本約3 萬元，節約了取樣用量，避免了原料浪費，從取樣方式上杜絕了來料以次充好的途徑。

6 結語

經過實際現場應用表明，智能自動取樣完全解決了人工取樣無法定時、定量、安全、可靠且無污染的問題，也間接消除了采樣數據不準，易引起異議的問題，更為用戶帶來了質量管控的基礎，同時也避免了潛在的經濟損失。在目前市場仍然依靠手動取樣的高壓管道粉料現場有巨大的推廣和應用空間，具有良好的附加經濟效益。