韓　荃， 董　浩， 王嘉容， 呂莉華

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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磨料回收系統(tǒng)智能控制研究

韓荃， 董浩， 王嘉容， 呂莉華

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

摘要在現(xiàn)階段我國大型造船廠廣泛使用的涂裝工場中，磨料回收系統(tǒng)是必不可少的組成部分。磨料回收系統(tǒng)一般由局部除塵器、局部除塵風(fēng)機、皮帶輸送機、斗式提升機、磨料清理機和螺旋輸送機組成，其設(shè)備的啟動與停機需遵循一套啟停程序，以保證系統(tǒng)內(nèi)不會淤積磨料。如果磨料回收系統(tǒng)存在磨料淤積，設(shè)備啟動荷載極易超出額定負荷，從而導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行或損壞。

本項目“磨料回收系統(tǒng)智能控制研究”就是針對磨料回收系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，通過智能控制設(shè)備的運行狀態(tài)，精確控制磨料回收系統(tǒng)內(nèi)部各個設(shè)備的開機與關(guān)機時機，合理分配能源，最大化地減少磨料回收系統(tǒng)的空載時間，從而達到既能滿足原有的生產(chǎn)負荷，又能節(jié)約能耗降低設(shè)備損耗的目的，為涂裝工廠節(jié)能減排、降本增效提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞磨料回收系統(tǒng)智能控制減少淤積節(jié)能減排

Intelligent Control Research on Abrasive Recovery System

HAN Quan, DONG Hao, WANG Jia-rong， LV Li-hua

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

AbstractCoating workshop for large shipyards, widely used in China at the present stage of abrasive recovery system is a part of less than not.Abrasive recovery system in general by the local dust collector and local dust removal fan, belt conveyor, bucket elevator, abrasive blasting machine and screw conveyor.The equipment start and stop to follow a set of start-stop standards,to ensure that the system will not fill abrasive, otherwise once recovery system for abrasive debris to a certain extent. The equipment can't normal boot or damage to the equipment of the serious consequences.

The project "abrasive recovery system intelligent control research" is aimed at abrasive recovery system of the actual working condition, through intelligent control equipment running status, precise control of abrasive recovery system inside the boot and shutdown time of the equipment, reasonable distribution of energy, minimize the abrasive recovery system of idle time, so as to achieve both can satisfy the original production load, and can reduce equipment loss for the purpose of saving energy consumption, energy conservation and emissions reduction for group company, the authors advocate efficiency provides the technical support.

KeywordsAbrasive recovery systemIntelligent control researchDecrease depositionEnergy conservation

0引言

在我國現(xiàn)階段的大型涂裝工場中，磨料回收系統(tǒng)是必不可少的組成部分，其主要負擔(dān)的功能是將噴砂系統(tǒng)噴出的砂丸及時地回收到磨料存儲單元中，使其可以循環(huán)反復(fù)使用。

在現(xiàn)階段的涂裝工場生產(chǎn)中，以廣州中船龍穴造船有限公司為例，一間噴砂車間擁有4套集中回收磨料地坑，理論上4套磨料回收系統(tǒng)回收全部磨料的時間只需要3~5 h，但由于考慮到綜合經(jīng)濟成本，每個噴砂車間一般只配置1~2臺山貓推砂車，無法滿足4套回收區(qū)域同時回砂的最高效率要求，且船用分段在預(yù)驗收以后，還需要局部的補焊和補噴，這樣在集中回收的時間段外，磨料回收系統(tǒng)還需要再次開機回收，回收的時間長短完全取決于現(xiàn)場施工工人的進度。綜合以上情況，磨料回收系統(tǒng)一天的工作運行時間一般都在10~12 h左右，其中滿負荷運行時間卻一般不超過5 h，設(shè)備運行的大部分時間都處于空載運行，這樣即損耗電能又增加設(shè)備損耗。而磨料回收系統(tǒng)在涂裝工場中雖然不是最大耗電量的系統(tǒng)，但是由于每天開機時間長、系統(tǒng)負荷量大，如果可以在滿足生產(chǎn)能力的要求下，合理減少系統(tǒng)的運行時間，就可以達到既能滿足原有的生產(chǎn)負荷，又能節(jié)約能耗、降低設(shè)備損耗的目的。因此開發(fā)磨料回收系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)來滿足上述要求是十分必要的。

1系統(tǒng)功能簡述

磨料回收系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)其目標是為了解決現(xiàn)階段造船廠大型涂裝工場由于實際生產(chǎn)工藝等原因產(chǎn)生多個回收區(qū)域的回砂量不平均，設(shè)備空載運行所造成的電能浪費、設(shè)備損耗增加等問題。磨料回收智能控制系統(tǒng)采用高效的計算核心、準確而穩(wěn)定的信號采集模塊，實現(xiàn)磨料回收系統(tǒng)的智能化，降低了磨料回收系統(tǒng)空載運行時間。

一套完整磨料回收系統(tǒng)一般是由地坑集砂斗、皮帶輸送機、斗式提升機、磨料清理機及儲料桶組成。磨料回收地坑集砂斗中磨料數(shù)量的多少是可以實時反映磨料回收系統(tǒng)中磨料回收的情況。以廣州中船龍穴造船有限公司為例，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，當磨料回收集砂斗裝滿磨料后，磨料回收系統(tǒng)需要30 min的時間將集砂斗中的磨料回收完畢，因此當磨料回收集砂斗中的磨料全部回收到磨料回收系統(tǒng)儲料桶中后，若沒有新的待回收磨料被再次加入集砂斗中時，磨料回收智能控制系統(tǒng)將根據(jù)安裝在地坑集砂斗上的磨料檢測傳感器傳回的信號，智能判斷是否可以停機進入到待機狀態(tài)，以節(jié)約能源及降低設(shè)備損耗。而當新的待回收磨料被再次加入地坑集砂斗后，智能控制系統(tǒng)將再次對磨料數(shù)量進行判斷，自行選擇開機回收時機，如此循環(huán)反復(fù)，可以將磨料回收地坑集砂斗作為回收磨料緩沖區(qū)的利用率最大化，避免了設(shè)備空載運行和設(shè)備頻繁啟動停止等問題。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1磨料檢測系統(tǒng)設(shè)計

磨料檢測系統(tǒng)是磨料回收智能控制系統(tǒng)的主要功能。考慮到造船廠磨料回收系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，在滿足功能需求的前提下，檢測傳感器選擇了動作可靠、性能穩(wěn)定、響應(yīng)頻率高、使用壽命長、抗干擾能力強、具有防水及防塵功能的全封閉電感式接近開關(guān)，如圖1所示。

圖1　電感式接近開關(guān)

因為電感式接近開關(guān)的有效檢測距離均較小，該型號接近開關(guān)有效檢測距離只有10 mm，且為了避免接近開關(guān)檢測頭直接接觸被檢測物體磨料所造成的磨損，在接近開關(guān)與磨料之間需采用有機玻璃面板進行隔離。為了避免檢測窗口發(fā)生積砂情況，再綜合考慮有效檢測距離，且使有機玻璃隔板的磨損降至最低，最終將有機玻璃隔板制作為凸臺凹型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其凹面中心點距電感式接近開關(guān)檢測頭只有5 mm，既可保證檢測距離在電感式接近開關(guān)的檢測范圍內(nèi)，又可保證不會發(fā)生當?shù)乜蛹岸窂牧蠞M到料空后檢測面有磨料堆積的問題。

圖2　凸臺凹型有機玻璃安裝示意圖

在檢測裝置安裝位置較充裕的情況下，還可以采用一般的平板有機玻璃隔板，如圖3所示。對比凸臺凹型有機玻璃隔板，該種方案的優(yōu)點是降低了有機玻璃隔板的加工難度，不需要將有機玻璃隔板處理成凸臺凹形結(jié)構(gòu)，且由于有機玻璃面板面積增大，又增加了接近開關(guān)的檢測位調(diào)節(jié)幅度。但不足之處是會降低地坑集砂斗的機械強度及增大安裝的難度。這兩種安裝方案，都可以達到對磨料檢測的要求，并且具有良好的穩(wěn)定性和實用性。具體選用何種安裝方式，可以根據(jù)不同磨料回收系統(tǒng)的現(xiàn)場實際情況進行綜合判斷。

圖3　平面有機玻璃安裝示意圖

2.2智能控制部件設(shè)計

智能控制部件是磨料回收系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)的核心部件。磨料回收系統(tǒng)要智能化，勢必要有信號收集、信號分析處理、系統(tǒng)反饋響應(yīng)等一系列功能，而智能控制部件對信息的處理分析就是其中最關(guān)鍵的一步，其作用就相當于人的大腦，控制著整個磨料回收系統(tǒng)的運行。

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖

首次開機通電后，系統(tǒng)自檢初始化進入待機狀態(tài)，控制部件不斷地檢測回收地坑集砂斗上的下部接近開關(guān)是否有信號輸入。如果沒有，則一直保持待機狀態(tài)，如果有信號輸出，則再檢測回收地坑集砂斗上的上部接近開關(guān)是否有信號，如果沒有信號，則保持待機狀態(tài)，等待集砂斗中加砂，當上部接近開關(guān)發(fā)出信號時，控制部件則發(fā)出開機信號使系統(tǒng)正常開機運行，開始進行回收工作。當正常運行過程中，如果上部接近開關(guān)信號消失，則再檢查下部接近開關(guān)的信號，如果有信號則保持開機狀態(tài)不變，如果下部接近開關(guān)信號也消失，則進入延時關(guān)機狀態(tài)，待系統(tǒng)內(nèi)的磨料全部回收到儲料桶以后，控制部件發(fā)出關(guān)機信號，系統(tǒng)再次進入待機狀態(tài)，如此循環(huán)反復(fù)，系統(tǒng)的使用效率將會顯著提高，節(jié)約了不必要的電能消耗，降低設(shè)備磨損率。

圖5　智能控制部件

圖6　智能控制部件PCB圖

磨料回收系統(tǒng)智能控制部件如圖5、圖6所示。智能控制部件采用AVR系統(tǒng)開發(fā)，主控器選用ATMEL公司的ATMEGA48單片機。AVR系列單片機是ATMEL公司推出的第一款具有真正意義上的RISC結(jié)構(gòu)8位單片機，具有先進的指令集及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率可高達1 MIPS，其性能明顯優(yōu)于其他類型的8位單片機。系統(tǒng)設(shè)計中，為了智能控制部件可以適應(yīng)不同涂裝工場的磨料控制系統(tǒng)，控制部件的信號采集端口設(shè)計為32個，可同時接受和處理現(xiàn)場最多32個信號發(fā)生器所發(fā)來的信號，如果現(xiàn)場信號源超過32個時，還可以采用多塊智能控制部件級聯(lián)的方式進行擴展，從而真正滿足未來涂裝工場對模塊適應(yīng)性和擴展性的要求?？紤]到現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境，系統(tǒng)采用隔離電源，所有的輸入輸出采用光電隔離，所用的光耦可以承受3 000 V以上的電壓，保證主控電路不被損壞。同時，所有的端口都設(shè)計有保護器件，以確保智能控制部件主板的可靠性，不會被浪涌、脈沖群和靜電沖刺所損壞。該智能控制部件具有體積小、擴展性好、安裝方便、運算速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點。

3試驗及結(jié)果

磨料回收系統(tǒng)智能控制裝置經(jīng)過分系統(tǒng)調(diào)試和整機聯(lián)調(diào)后，系統(tǒng)各部分功能已運行正常，具備了實際生產(chǎn)能力。為了驗證智能控制系統(tǒng)的實際節(jié)能效果，將用實驗對設(shè)備的運行效果進行測試。

實驗過程為期3個月，在XX造船廠涂裝工場正常運行的過程中，項目組收集了安裝在實驗組和對比組涂裝工場磨料回收控制柜的8組電能檢測箱中的檢測數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的涂裝工場的產(chǎn)量記錄，具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　磨料回收系統(tǒng)智能控制研究節(jié)能數(shù)據(jù)分析表

根據(jù)公式：平均面積能耗=總消耗電能/總處理面積。

節(jié)約能耗=(B間平均面積能耗-A間平均面積能耗)/B間平均面積能耗。

由上式可計算得出：A間實驗間比B間對比間節(jié)約能耗42.2%，結(jié)果如表2所示。

由表2的實測結(jié)果可知，磨料回收系統(tǒng)智能控制裝置的節(jié)能效果非常好，整套系統(tǒng)裝置安裝到現(xiàn)有磨料回收系統(tǒng)中后，其帶來的節(jié)能效果已經(jīng)達到了42.2%。

表2　A、B車間回收能耗對照表

4小結(jié)

由于磨料回收系統(tǒng)智能控制裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、控制準確、性能穩(wěn)定、價格低廉等特點，在現(xiàn)有的涂裝工場的磨料回收系統(tǒng)中安裝后，相對于未改造的磨料回收系統(tǒng)，改裝后的磨料回收系統(tǒng)其能效顯著提高，降低了回收設(shè)備的維護保養(yǎng)工時，工作效率得到了提升。

由于該套裝置具有顯著降低磨料回收系統(tǒng)能耗與減少設(shè)備維護保養(yǎng)工時的能力，因此將極大地提高我國現(xiàn)階段分段涂裝工場的使用效率，節(jié)約能耗、降低排放，在國內(nèi)的廣大造船企業(yè)推廣使用后，將有利于提高我國造船業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強我國造船企業(yè)在國際造船企業(yè)中的綜合競爭力。

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表4展示了全船模型在四種工況下的應(yīng)力值，表5展示了全船板單元和梁單元的最大應(yīng)力值。由計算結(jié)果可知，在各種工況下本船船體結(jié)構(gòu)中的各種板梁結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)力分量均滿足《內(nèi)規(guī)》規(guī)定的強度標準[9]，全船強度滿足規(guī)范要求。各種工況下，本船船體結(jié)構(gòu)各種構(gòu)件上的骨材、加強筋及面板、支柱、桁架等梁式構(gòu)件的軸向應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，它們的強度滿足規(guī)范要求。

5結(jié)論

(1) 本船的應(yīng)力與變形計算結(jié)果表明船體各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均在材料屈服應(yīng)力以內(nèi)是滿足強度要求的。同時船體的位移變形值比較小，相對船舶主尺度可忽略不計,剛度滿足要求。

(2) 比較滿載波浪中垂(工況1)、半載波浪中拱(工況2)、半載波浪中垂(工況3)以及空載波浪中拱(工況4)等典型工況。在半載波浪中垂(工況3)下船體板單元和梁單元結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平不高，安全系數(shù)較高；在滿載波浪中垂(工況1)和空載波浪中拱(工況4)下船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平較高，在平臺側(cè)板垂直桁處與頂棚甲板處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3) 通過全船結(jié)構(gòu)屈服強度有限元直接計算結(jié)果表明：1 500 dwt散裝水泥躉船規(guī)范設(shè)計結(jié)果安全，設(shè)計合理。在各計算工況下，本船船體結(jié)構(gòu)所有板單元形心處中面應(yīng)力符合相應(yīng)衡準要求。所有梁單元軸向應(yīng)力符合相應(yīng)衡準要求。

(4) 通過本船的改造設(shè)計研究，為內(nèi)河其他同樣類型船舶的改造再利用提供了參考和有益的借鑒。

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中圖分類號TP277

文獻標志碼A

作者簡介：韓荃(1982-)，男，工程師，從事工業(yè)設(shè)備智能化控制研究。