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(chuàng)匯的主要商品之一。隨著國內(nèi)市場經(jīng)濟的發(fā)展，各領域用戶對所用的煤炭都有特定的質(zhì)量要求和技術標準[1]，遵循以質(zhì)論價的交易原則。而今在交易環(huán)節(jié)中按發(fā)熱量結算已經(jīng)常態(tài)化，因此，煤質(zhì)檢驗在煤炭產(chǎn)運銷的各個環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關重要的作用，不同程度地影響著煤炭價格和企業(yè)效益。煤質(zhì)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(xiàn)人樣分離和杜絕人為因素，在樣品運送環(huán)節(jié)中存在替換樣品的安全風險，從而對化驗結果產(chǎn)生影響進而引起貿(mào)易糾紛?；诖?，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(tǒng)。自動封裝系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)集料桶9和其對應桶蓋14的同步旋轉，通過恰當?shù)卦O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(chǎn)品結構雖實現(xiàn)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(yōu)化升級后的自動封裝配套系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研工況數(shù)據(jù)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(tǒng)思路。即本文所設計的自動封裝配套系統(tǒng)完全實現(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)、PLC智能控制系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 自動封裝配套系統(tǒng)

2 自動封裝配套系統(tǒng)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(tǒng)設計必須滿足煤炭機械化采樣的規(guī)范要求。根據(jù)自動封裝配套系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(xù)送到接料工位，進行下一循環(huán)(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(shù)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(xù)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(tǒng)

本設計所應用的射頻識別系統(tǒng)(RFID)是專門針對煤場采樣惡劣的工業(yè)自動化環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀入和讀出的解決方案。射頻電子標簽可適用于絕大多數(shù)惡劣工業(yè)環(huán)境，該裝置達到了IP68的工業(yè)防護等。設備采用的RFID識別控制器(IDENT Control)將提供統(tǒng)一的操作界面和相同的命令處理模式。IDENT Control識別控制器現(xiàn)場部分采用工業(yè)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(xiàn)解碼顯示并關聯(lián)相關軟件存儲煤樣數(shù)據(jù)。

2.6 PLC智能控制系統(tǒng)

本文所設計的控制系統(tǒng)主要包括主控器、傳感器、執(zhí)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(shù)量等相關參數(shù)，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(xiàn)，可在最經(jīng)濟、最穩(wěn)定的基礎上更有效的對主控器實現(xiàn)保護作用；執(zhí)行元件主要由電機及氣動元件組成；通訊模塊至少可實現(xiàn)兩個基礎功能，一是無線射頻識別功能(RFID)，負責數(shù)據(jù)卡的讀取寫入工作，可實現(xiàn)煤樣的信息溯源，保障煤樣安全；二是提供自動封裝系統(tǒng)與其他相關智能采制樣系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換功能，如接收來自采制樣系統(tǒng)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(jié)能環(huán)保方面，都具有很重要的意義。

(1) 自動封裝配套系統(tǒng)的設計滿足煤炭機械化采樣的規(guī)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(xiàn)煤樣基礎數(shù)據(jù)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(zhì)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(tǒng)實現(xiàn)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(chǎn)品進行替換。

參考文獻：

[1]GB/T 30730-2014.煤炭機械化采樣系統(tǒng)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(zhì)技術,2005(04):46-49.