刘亚宾，常 涛，鲁 云，杨 军
(共享能智铸造产业创新中心有限公司，宁夏 银川 750021）
关键字：砂发送装置；
按需供给；
用砂量统计；
除尘联动；
状态机
铸造行业型砂3D 打印机等用砂设备的储砂斗位置一般较高，且设备间的间距相对较大。在生产作业时，用砂量较大，需要型砂及回收砂的连续供应。常规的加砂方法是将回收砂收集至砂袋中，利用天车将回收砂砂袋或型砂砂袋吊至半空处的储砂斗位置，人工辅助倾翻加砂。此种方法一般需要两人配合操作，一人操控天车吊，一人辅助倾砂，劳动强度大，细小砂尘往往弥漫整个车间，用砂量统计滞后，并存在高空作业危险[1，2，3]等。针对上述问题，设计一种数字化气力砂发送装置，以解决自动化运行、除尘联动、便于系统集成、操作灵活等现实问题。
砂发送装置主要由五大控制管路组成：人工放砂控制管路，吸回收砂控制管路，砂发送控制管路，除尘控制管路，供砂控制管路，如图1 所示。
图1 砂发送装置控制管路示意图
1.1 人工放砂控制管路
人工放砂控制管路用于将回收砂缓存罐中多余的回收砂排放转走，为吸回收砂操作腾出控制空间。主要由放砂管道及位于其上的回收砂缓存罐放砂阀等构成。其中，放砂管道的顶端接于回收砂缓存罐的底部。
1.2 吸回收砂控制管路
吸回收砂控制管路用于将回收砂从地面或临时砂箱中通过吸尘器的负压作用，抽送至位于高处的回收砂缓存罐中。主要由吸砂管道及位于其上的两个吸砂堵头，以及吸尘器等构成。其中，吸砂管道的顶端、吸尘器的负压作用端位于回收砂缓存罐的顶部。
1.3 砂发送控制管路
砂发送控制管路用于将型砂缓存斗中的型砂及回收砂缓存罐中的回收砂通过续砂管道加载至发送罐中，然后根据需要通过发送管道发送至储砂斗中。
砂发送控制管路主要由以下部分构成：
续砂管道及位于其上的型砂缓存斗出砂阀、回收砂缓存罐出砂阀、发送罐进砂阀；
发送管道及位于其上的储砂斗1#型砂侧进砂阀、储砂斗1#回收砂侧进砂阀、储砂斗2#型砂侧进砂阀、储砂斗2#回收砂侧进砂阀；
位于发送罐上的发送罐排气阀、发送罐进气阀、电接点压力表、发送罐高料位计；
位于型砂缓存斗上的型砂缓存斗低料位计，其中型砂缓存斗位于地表处，便于叉车进行加砂；
位于回收砂缓存罐上的回收砂缓存罐高料位计、回收砂缓存罐低料位计；
位于储砂斗1#上的储砂斗1#型砂侧高料位计、储砂斗1#型砂侧低料位计、储砂斗1#回收砂侧高料位计、储砂斗1#回收砂侧低料位计；
位于储砂斗2#上的储砂斗2#型砂侧高料位计、储砂斗2#型砂侧低料位计、储砂斗2#回收砂侧高料位计、储砂斗2#回收砂侧低料位计。
其中续砂管道的顶端分别接于型砂缓存斗、回收砂缓存罐的底部，续砂管道的底端接至发送罐的顶部；
发送管道的底端接于发送罐的底部出口，发送管道的顶端位于储砂斗1#、储砂斗2#的上方。
型砂流向如图1 中的黑色实体箭头所示，供气排气流向如图中的黑色空心箭头所示；
料位计用于指示其所处容器内型砂料位的高低；
规定储砂斗1#、储砂斗2#的左侧存放回收砂，右侧存放型砂。
当发送罐与发送管道中有型砂时，电接点压力表指示对应的压缩空气压力。调整其压力下限为0.1 MPa 左右后，在压力低于0.1 MPa 时，电接点压力表常开触点闭合；
反之在压力高于0.1 MPa 时，电接点压力表常开触点断开。当发送罐与发送管道中的型砂接近发送完毕时，发送管道的顶端与底端形成连通器，通过电接点压力表的常开触点有闭合、断开、闭合的过程，可判断该罐中的物体是否发送完毕。
1.4 除尘控制管路
除尘控制管路用于砂发送时的除尘，保持车间清洁。
主要由除尘风机、除尘罩1#、除尘罩2#、除尘管道及位于其上的储砂斗1#除尘阀、储砂斗2#除尘阀等构成。其中除尘罩1#与除尘罩2#分别位于储砂斗1#与储砂斗2#的上方。
1.5 供砂控制管路
供砂控制管路用于输送储砂斗中的型砂，服务于现场生产需要。
供砂控制管路主要由以下部分构成：
出砂管道1# 及位于其上的储砂斗1# 型砂侧出砂阀、储砂斗1#回收砂侧出砂阀；
出砂管道2#及位于其上的储砂斗2#型砂侧出砂阀、储砂斗2#回收砂侧出砂阀；
位于储砂斗1#上的储砂斗1#型砂侧振动器、储砂斗1#回收砂侧振动器；
位于储砂斗2#上的储砂斗2#型砂侧振动器、储砂斗2#回收砂侧振动器。
其中，出砂管道1#的顶端分别位于储砂斗1#、储砂斗2#的底部，储砂斗1#、储砂斗2#的左侧供给回收砂，右侧供给型砂。在型砂供时，通过振动器的动作，减少型砂在储砂斗1#、储砂斗2#底部侧壁上的附着作用，确保型砂顺畅供给。
与控制管路构成部件对应，砂发送装置的控制流程可分解为五大部分：人工放砂控制流程，吸回收砂控制流程，砂发送控制流程，除尘控制流程和供砂控制流程。
所有的传感器功能部件、执行器的控制及反馈信号均连接至现场PLC.PLC 一方面通过串行通信与触摸屏实现人机交互，另一方面与触摸屏一道实现联网，用于现场设备间的联锁互锁、远程监控设备的实时工况状态及远程运维与程序升级。
因涉及操作类别及IO 节点较多，常规方法难以有交解决，本文采用状态机方式编程，以求思路清晰，便于维护和排故[4，5]。
2.1 人工放砂控制流程
第1 步：关闭吸尘器，打开回收砂缓存罐放砂阀。
第2 步：当手动操作或回收砂缓存罐低料位计信号为低时，关闭回收砂缓存罐放砂阀。
第3 步：人工放砂过程结束。
2.2 吸回收砂控制流程
第1 步：根据工位操作需要，打开吸砂堵头1#或吸砂堵头2#.
第2 步：关闭回收砂缓存罐出砂阀、回收砂缓存罐放砂阀，并确保关到位。
第3 步：打开吸尘器开始吸回收砂。
第4 步：当手动操作或回收砂缓存罐高料位计信号为高时，关闭吸尘器。
第5 步：将吸砂堵头1#或吸砂堵头2#加载至原位置。
第6 步：吸回收砂过程结束。
2.3 砂发送控制流程
第1 步：关闭发送罐进气阀。
第2 步：发送罐进气阀关到位后，打开发送罐排气阀，持续2 s 左右。
第3 步：打开发送罐进砂阀。
第4 步：根据型砂或回收砂选择，若型砂缓存斗低料位计或回收砂缓存罐低料位计信号不为低，则打开型砂缓存斗出砂阀或回收砂缓存罐出砂阀，进行续砂。
第5 步：如果在续砂过程中按下了停止键，或发送罐高料位计为高，则关闭型砂缓存斗出砂阀或回收砂缓存罐出砂阀，停止续砂。
第6 步：关闭发送罐进砂阀及发送罐排气阀，同时根据型砂、回收砂选择，以及储砂斗选择，打开或关闭相应的储砂斗进砂阀，在同一时间内储砂斗进砂阀只能打开一个，其余的要处于关闭状态。
第7 步：当发送罐进砂阀及发送罐排气阀均关到位后，打开发送罐进气阀，开始砂发送。
第8 步：等待电接点压力表常开触点信号出现上升沿，若本罐所发送的为型砂，则型砂发送累计罐数增加1；
若本罐所发送的为回收砂，则回收砂发送累计罐数增加1.同时延时10 s 左右，确保发送罐及发送管道清空。
第9 步：关闭发送罐进气阀，如果发送过程中按下了停止键，则进入第12 步。否则，进入第10步。
第10 步：根据型砂、回收砂选择及储砂斗选择，判断对应储砂斗上的高料位计信号是否为高，即所选择的储砂斗是否加满。若本次所选择的储砂斗已加满，则进入第11 步，否则返回第1 步，进行下一发送罐的续砂发送过程。
第11 步：进行手自动判断，若为手动操作状态，则进入第12 步；
若为自动运行状态，则按既定的顺序依次判断各储砂斗是否已加满，若存在未加满的储砂斗，则返回第1 步，进行下一发送罐的续砂发送过程。若各斗均已加满，则进入第12 步：关闭发送罐进气阀，关闭储砂斗1#型砂侧进砂阀、储砂斗1#回收砂侧进砂阀、储砂斗2#型砂侧进砂阀、储砂斗2#回收砂侧进砂阀，在发送完毕后确保各阀处于关闭状态。
2.4 除尘控制流程
第1 步：循环检测发送罐进气阀开到位及关到位状态，若为开到位，进入第2 步，否则进入第4 步。
第2 步：若储砂斗1#型砂侧进砂阀或储砂斗1#回收砂侧进砂阀开到位，则打开储砂斗1#除尘阀；
若储砂斗2#型砂侧进砂阀或储砂斗2#回收砂侧进砂阀开到位，则打开储砂斗2#除尘阀。
第3 步：打开除尘风机，返回第1 步。
第4 步：关闭除尘风机，关闭除尘阀返回第1 步。
2.5 供砂控制流程
第1 步：当用砂生产设备如3DP 打印机需要砂时，发送一个使能联锁信号，砂发送装置控制器接收该信号后解析。
第2 步：根据解析结果确定是哪台套用砂生产设备需要供砂，是需要供给回收砂还是型砂，然后根据用砂需求打开相应的储砂斗出砂阀。
第3 步：储砂斗出砂阀开到位后，打开与之对应的振动器。
第4 步：当接收到砂生产设备的关闭信号或相应的低料位计信号为低时，关闭储砂斗出砂阀及与之对应的振动器。
第5 步：供砂过程结束。
该数字化气力砂发送装置具备以下交果：
1）设备扩容简便。当有更多的型砂3D 打印机设备需要本装置供砂时，本装置的砂发送管路构件无需增加，只需增加吸回收砂、除尘、按需供砂管路及其构件至新增的设备处，即可实现更多台套型砂3D 打印机等用砂设备的应用需求。但当管路过长或弯曲时，应根据实测结果增加增压器。
2）操作安全便利。本装置型砂加入、人工放砂、吸回收砂等需要人工辅助操作的功能均在地面进行，无高空作业危险。
3）减轻劳动强度。所有功能采用“傻瓜式”操作，无须操作工熟悉设备工作原理，十分钟培训即可上岗作业。
4）便于排故定位。人工放砂、吸回收砂、砂发送、除尘、供砂等控制流程相对独立，各步骤采用基于状态机的控制方式，当出现异常时，通过对应的状态机状态值，可以直接定位到故障程序段进行排查。
5）用砂量实时统计。当发送完一罐后，型砂或回收砂发送累计罐数增加一，因发送罐容积一定，相当于计量罐，则当前用砂量可以直接换算出，用于后台工作量及成本管理等统计分析。
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