平頂垛自動堆料工藝和控制方法

張有超

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

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平頂垛自動堆料工藝和控制方法

張有超

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

堆料機(jī)是煤炭碼頭重要的堆場作業(yè)設(shè)備，主要功能是將翻車機(jī)卸下的煤炭堆存到堆場上，以便取料機(jī)進(jìn)行取料裝船作業(yè)。黃驊港一期通過改進(jìn)堆料機(jī)的堆料工藝和控制方法，在國內(nèi)主要煤炭碼頭中首次實現(xiàn)將堆場的尖頂煤垛改變?yōu)槠巾斆憾?，顯著提高了取料裝船作業(yè)效率。

平頂垛； 堆料工藝； 控制方法

1　前言

堆料機(jī)是煤炭碼頭重要的堆場作業(yè)設(shè)備，主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、尾車機(jī)構(gòu)、懸臂皮帶機(jī)構(gòu)等組成。它的主要功能是將翻車機(jī)卸下的煤炭堆存到堆場上，以便取料機(jī)進(jìn)行取料作業(yè)。黃驊港是我國西煤東運第2條大通道的出?？冢羌V、路、港、航、電為一體的神華工程的重要組成部分，2015年煤炭下水量達(dá)到1.16億 t。黃驊港一期和二期工程各有3臺堆料機(jī)，已經(jīng)于2013年3月全部實現(xiàn)全天候無人值守的全自動堆料。

2　平頂垛自動堆料工藝

2015年10月之前，國內(nèi)主要煤炭碼頭的堆料機(jī)堆出的煤垛都是尖頂垛 ，取料機(jī)在尖頂垛進(jìn)行取料作業(yè)時，存在著塌垛現(xiàn)象頻繁、分層較多等問題，嚴(yán)重影響取料效率。2015年6月，黃驊港一期堆場自動化項目組為提高生產(chǎn)效率，根據(jù)堆場設(shè)備特點優(yōu)化了堆料機(jī)自動控制方法和堆料工藝，將堆料機(jī)自動堆料方式由行走定點堆料方式改為行走回轉(zhuǎn)定點折返堆料方式，將堆場的尖頂垛改變?yōu)槠巾敹?。本工藝已?jīng)于2015年10月投入生產(chǎn)，在國內(nèi)主要煤炭碼頭中首次實現(xiàn)將堆場的尖頂煤垛改為平頂煤垛，運行平穩(wěn)可靠。

本工藝的主要過程如下：

(1)堆料機(jī)做行走動作至指定位置。堆料機(jī)接收到中控作業(yè)指令后，行走到目標(biāo)堆場。

(2)堆料機(jī)懸臂做俯仰動作向上抬至安全高度。這是為了防止堆料機(jī)回轉(zhuǎn)過程中懸臂碰到煤垛或其他障礙物。

(3)堆料機(jī)懸臂做回轉(zhuǎn)動作至指定堆料位置。

(4)堆料機(jī)懸臂做俯仰動作向下降至堆料高度。為了減少揚塵、保護(hù)環(huán)境，堆料機(jī)堆料作業(yè)時懸臂頭部出料口與煤垛距離控制在5 m以內(nèi)。

(5)啟動堆料機(jī)懸臂皮帶機(jī)開始堆料作業(yè)。

(6)堆料機(jī)懸臂高度根據(jù)煤垛高度的增加而增加，煤垛高度達(dá)到14 m后，堆料機(jī)懸臂高度停止增加。設(shè)堆料機(jī)開始作業(yè)時懸臂頭部位置為A1，當(dāng)煤垛高度達(dá)到14 m時，堆料機(jī)開始做行走動作和回轉(zhuǎn)動作，使堆料機(jī)懸臂頭部位置移動至A2；堆料機(jī)懸臂頭部位置移動至A2后，停止行走動作和回轉(zhuǎn)動作，待煤垛高度重新達(dá)到14 m時，堆料機(jī)再次開始做行走動作和回轉(zhuǎn)動作，使堆料機(jī)懸臂頭部位置移動至A3……以此類推，堆料機(jī)在每個堆料點煤垛高度達(dá)到14 m后，就通過做行走動作和回轉(zhuǎn)動作，使堆料機(jī)懸臂頭部按照A1→A2→A3→A4→B4→B3→B2→B1→C1→C2→C3→C4→D4→……的軌跡移動，直至堆滿整個堆場(見圖1)。通過如此行走回轉(zhuǎn)定點折返堆料，即可使堆料機(jī)堆出的煤垛為平頂垛。

圖1　堆料工藝

(7)堆料完畢，堆料機(jī)懸臂皮帶機(jī)停止后，堆料機(jī)懸臂做回轉(zhuǎn)動作至零位。

3　平頂垛的自動堆料控制方法

3.1硬件要求

(1)本工藝需要在堆料機(jī)的行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)分別安裝編碼器，或者在堆料機(jī)上合適位置安裝GPS設(shè)備，以獲取準(zhǔn)確的堆料機(jī)行走距離、回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度數(shù)據(jù)。目前黃驊港一期3臺堆料機(jī)均已經(jīng)全部安裝編碼器和GPS設(shè)備，2套系統(tǒng)獨立運行可以互相對比確定數(shù)據(jù)精度，同時也可以應(yīng)對設(shè)備故障保證生產(chǎn)不受影響。

(2)本工藝還需要在堆料機(jī)懸臂頭部安裝雷達(dá)測距儀，用于測量堆料機(jī)懸臂頭部到煤垛的距離。目前黃驊港一期3臺堆料機(jī)懸臂頭部分別安裝了3臺VEGA雷達(dá)測距儀，以提高數(shù)據(jù)精度并預(yù)防故障風(fēng)險。

(3)除了相關(guān)測量設(shè)備，堆料機(jī)還需要安裝懸臂微波開關(guān)、懸臂拉繩、攝像頭等設(shè)備，用以保證堆料機(jī)全天候無人值守全自動堆料時的安全。

3.2控制方法

(1)建立堆場空間直角坐標(biāo)系。黃驊港目前已經(jīng)將一期和二期的所有堆場坐標(biāo)化，根據(jù)堆場的GPS數(shù)據(jù)建立了一個空間直角坐標(biāo)系，其中東西方向(堆料機(jī)和取料機(jī)行走軌道方向)為X軸，南北方向為Y軸，垂直地面方向為Z軸。建立了空間直角坐標(biāo)系后，堆料機(jī)的位置、煤垛的位置、取料機(jī)的位置等都可以用空間的一個點來表示。整個黃驊港堆場的坐標(biāo)化，為平頂垛堆料工藝推廣到二期、實現(xiàn)堆場自動化奠定了基礎(chǔ)。

云工作流引擎的設(shè)計目標(biāo)主要是將工作流引擎從應(yīng)用系統(tǒng)中解耦出來，形成一個獨立的服務(wù)，從而降低系統(tǒng)的耦合性，提供更加靈活的服務(wù)支持，實現(xiàn)復(fù)雜度可控、獨立部署、技術(shù)選型靈活、服務(wù)容錯和按需獨立擴(kuò)展等目標(biāo)。

(2)建立煤垛模型系統(tǒng)。黃驊港目前已經(jīng)分別建立了一期和二期的煤垛模型系統(tǒng)，堆料機(jī)進(jìn)行堆料作業(yè)和取料機(jī)進(jìn)行取料作業(yè)時，都會將相關(guān)作業(yè)數(shù)據(jù)信息通過控制網(wǎng)發(fā)送給煤垛模型系統(tǒng)，煤垛模型系統(tǒng)根據(jù)接收到的堆料和取料作業(yè)數(shù)據(jù)信息，實時進(jìn)行煤垛模型的更新。煤垛模型系統(tǒng)為堆料機(jī)自動移垛、自動對垛、自動堆料作業(yè)提供了精確的位置信息，具有非常重要的作用。

(3)煤垛高度的計算。根據(jù)黃驊港一期和二期堆料機(jī)的機(jī)械設(shè)計，堆料機(jī)懸臂頭部的雷達(dá)測距儀安裝為活動性安裝，不管堆料機(jī)俯仰角度多少，雷達(dá)測距儀都可以在落料點正上方保持垂直向下。設(shè)煤垛高度為H1，堆料機(jī)俯仰鉸點到堆場地面的高度為H0，堆料機(jī)懸臂長度為L，俯仰角度為β(堆料機(jī)懸臂頭部高于俯仰鉸點時β為正值，反之為負(fù)值)，則可得：

H1=H0+Lsinβ

根據(jù)這個方程即可得到實時的煤垛高度數(shù)據(jù)。

(4)煤垛靜安息角的確定。堆料機(jī)自動堆料過程中落料點的范圍是由煤垛高度H1和煤垛靜安息角γ決定的，堆料機(jī)懸臂頭部離堆場邊緣的距離S=H1/tanγ。根據(jù)煤炭種類不同，煤垛靜安息角也不同。黃驊港一期堆場堆存超過10種煤炭，靜安息角從33°到39°不等。堆料機(jī)選擇不同堆場作業(yè)時，煤垛模型系統(tǒng)可以給堆料機(jī)發(fā)送相應(yīng)堆場煤種的靜安息角。

Z1=Z0+Lsinβ

根據(jù)這個方程組，可以將堆料機(jī)的行走位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度與堆料機(jī)懸臂頭部位置進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。

堆料機(jī)進(jìn)行堆料作業(yè)時，煤垛模型系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)堆場的堆存情況，向堆料機(jī)發(fā)一個堆料位置坐標(biāo)，即圖1中A1點的坐標(biāo)，堆料機(jī)自動控制程序會通過上面的方程組計算出堆料機(jī)懸臂頭部在A1點時相應(yīng)的堆料機(jī)的行走位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度，堆料機(jī)根據(jù)計算出的行走位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度做相應(yīng)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰動作，即可使堆料機(jī)懸臂頭部到達(dá)指定位置A1點。在堆料機(jī)進(jìn)行行走回轉(zhuǎn)定點折返堆料作業(yè)的過程中，堆料機(jī)懸臂頭部位置到達(dá)指定點位置后，堆料機(jī)自動控制程序就會計算出下一個指定點位置對應(yīng)的堆料機(jī)行走位置、回轉(zhuǎn)角度(第一個點煤垛高度達(dá)到14 m以后，在之后的堆料作業(yè)過程中俯仰角度保持不變)，待煤垛高度達(dá)到14 m，堆料機(jī)就會自動做相應(yīng)的行走、回轉(zhuǎn)動作，使堆料機(jī)懸臂頭部移動到下一個指定點位置。同時，根據(jù)堆料機(jī)實時的行走位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度，可以計算出當(dāng)時的堆料機(jī)懸臂頭部坐標(biāo)位置，再加上當(dāng)時的煤垛高度H1，即可得到當(dāng)時的煤炭落料點的坐標(biāo)位置為(X1，Y1，H1)，堆料機(jī)自動控制程序通過控制網(wǎng)將落料點坐標(biāo)位置實時發(fā)送給煤垛模型系統(tǒng)，即可建立起該堆場的煤垛模型。

4　工藝效果

(1)平頂垛可以在同等堆場條件下增加場存。以黃驊港一期100 m×48 m堆場為例，按照煤垛靜安息角36°、煤炭密度0.8 t/m3計算：尖頂垛工藝，煤垛高度最高為17 m(實際堆料堆到15～16 m)，場存為24 000 t；平頂垛工藝，煤垛實際高度14 m，場存為27 000 t。

(2)平頂垛可以顯著改善取料機(jī)取料時的塌垛現(xiàn)象。尖頂垛高度較高，頂層豎截面為三角形，取料機(jī)在頂層取料作業(yè)時垛尖塌垛現(xiàn)象較頻繁，容易造成取料機(jī)斗輪瞬時過載，發(fā)生斗輪堵塞，影響取料效率。平頂垛高度較尖頂垛矮，同時平頂垛頂層豎截面為梯形，取料機(jī)在頂層取料時很平穩(wěn)，幾乎不會發(fā)生塌垛現(xiàn)象。

(3)平頂垛可以提高取料機(jī)取料效率。一方面，塌垛現(xiàn)象的顯著改善提高了取料機(jī)的取料效率;另一方面，黃驊港一期取料機(jī)取料能力有3 000 t/h和6 000 t/h 2種，3 000 t/h取料機(jī)在尖頂垛取料時需要將煤垛分為4層，6 000 t/h取料機(jī)則為3層。煤垛改為平頂垛后，2種取料機(jī)取料時都將煤垛分為3層，可以大幅度減少換層時間，減少取料裝船流程空轉(zhuǎn)時間，顯著提高取料效率。同時，不管對哪種取料機(jī)，平頂垛都分為3層取料，避免2種取料機(jī)分層沖突。

5　結(jié)語

本工藝在黃驊港一期堆場投入生產(chǎn)運行以后，顯著提高了取料機(jī)在頂層取料時的取料效率，同時提高了取料機(jī)取料的穩(wěn)定性，為黃驊港取料機(jī)遠(yuǎn)程操控的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，目前已經(jīng)在黃驊港二期堆場開始推廣。

[1]李長安. 堆料機(jī)無人值守智能堆料控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].秦皇島:燕山大學(xué),2012.

The Automatic Stacking Process and Control Methods of Flat-topped Pile

Zhang Youchao

Shenhua Huanghua Harbour Administration Co., Ltd

The stacker is an important operating facility in coal terminal, whose main function is to transfer the coal from the car dumper to the stockyard for the coal reclaiming of the reclaimer to the ship. In the research, the stackers' stacking process and control methods have been improved in the first Phase of Huanghua Port , which firstly achieved the change of the steeple coal pile into the flat-topped coal pile in domestic main coal terminal. Through the practical validation, it shows that this method can significantly increase the reclaiming and shipping efficiency.

flat-topped pile; stacking process; control methods

2016-03-29

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.006

張有超： 061113，河北省滄州市渤海新區(qū)神華小區(qū)10號樓512室