煤炭港口取裝流程一體化操控研究①

劉永昌

(神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司 河北滄州 061113)

傳統(tǒng)的煤炭港口取裝作業(yè)流程需要不同崗位的操作人員操控三類設(shè)備配合完成。取料機(jī)司機(jī)在機(jī)上操控取料機(jī)將煤炭從堆場(chǎng)取到堆場(chǎng)皮帶機(jī)上，中控員在遠(yuǎn)程操控皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)煤炭從堆場(chǎng)皮帶到碼頭皮帶的傳送，裝船機(jī)司機(jī)在機(jī)上操控裝船機(jī)將碼頭皮帶機(jī)上的煤炭裝至指定船艙中。不同崗位操作人員需要通過(guò)對(duì)講機(jī)進(jìn)行溝通交流，整個(gè)作業(yè)過(guò)程相互割裂，受中間溝通環(huán)節(jié)影響較大，不僅影響流程效率還存在較大安全隱患。

隨著生產(chǎn)智能化的不斷推進(jìn)，某煤炭港口近幾年陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了翻堆取裝各環(huán)節(jié)的單機(jī)自動(dòng)化，取料機(jī)、皮帶機(jī)、裝船機(jī)已全部實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行，不僅單機(jī)作業(yè)效率得到了明顯提升，還為打破傳統(tǒng)取裝操控模式奠定了基礎(chǔ)。將原本相互獨(dú)立的三個(gè)崗位融合集成到一起，實(shí)現(xiàn)一人對(duì)整條取裝作業(yè)流程及其設(shè)備的操控，可以進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少溝通誘發(fā)的安全隱患。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

取裝流程一體化操控的目的是實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工位上對(duì)一臺(tái)裝船機(jī)、多條皮帶機(jī)、兩臺(tái)取料機(jī)的同時(shí)操控，并且在不同的作業(yè)流程中，同一臺(tái)裝船機(jī)需要對(duì)應(yīng)不同的皮帶機(jī)和取料機(jī)。因此取裝流程一體化系統(tǒng)需要將整個(gè)取裝作業(yè)流程視為一個(gè)整體，通過(guò)全流程操控界面、取裝聯(lián)動(dòng)、流程連鎖、作業(yè)信息自動(dòng)推送、雙機(jī)配煤流量雙閉環(huán)控制等功能實(shí)現(xiàn)了取裝設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度和集中操控，通過(guò)視頻自動(dòng)投切系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整條流程設(shè)備的視頻監(jiān)控，通過(guò)煤流仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全流程物料信息的估算和提前上料功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)急停保護(hù)系統(tǒng)為流程設(shè)備提供最后一道急停保護(hù)措施。

2 視頻自動(dòng)投切系統(tǒng)

隨著生產(chǎn)運(yùn)行集成化程度的提高，生產(chǎn)運(yùn)行人員數(shù)量的減少，生產(chǎn)的監(jiān)護(hù)成為一個(gè)新的難點(diǎn)。如何能對(duì)靈活多變的流程進(jìn)行全面監(jiān)控，如何能從多個(gè)監(jiān)控畫(huà)面中選取重點(diǎn)畫(huà)面進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)護(hù)，成為制約取裝流程一體化系統(tǒng)監(jiān)護(hù)效果的重中之重。為了提供合理高效的監(jiān)護(hù)，保證生產(chǎn)作業(yè)的安全，我們搭建了一臺(tái)視頻自動(dòng)投切服務(wù)器，利用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了視頻自動(dòng)投切模塊，它對(duì)接管控系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)管控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中相關(guān)信號(hào)的變化來(lái)控制解碼器各通道調(diào)用不同的攝像頭監(jiān)控資源，實(shí)現(xiàn)了兩層運(yùn)行監(jiān)控機(jī)制。

視頻畫(huà)面與流程設(shè)備聯(lián)動(dòng)。通過(guò)抓取流程信息，在監(jiān)控大屏中按流程打包呈現(xiàn)各個(gè)設(shè)備。即當(dāng)作業(yè)流程變更后，監(jiān)控大屏中的視頻畫(huà)面也會(huì)自動(dòng)更新為新流程所需各設(shè)備的主要監(jiān)控畫(huà)面。實(shí)現(xiàn)了在同一工位對(duì)靈活多變流程的及時(shí)、準(zhǔn)確、全面監(jiān)控。

視頻畫(huà)面與設(shè)備動(dòng)作聯(lián)動(dòng)。對(duì)接設(shè)備控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備動(dòng)作或故障信息，推送重點(diǎn)部位圖像至監(jiān)控小屏。即當(dāng)設(shè)備做行走動(dòng)作時(shí)，監(jiān)控小屏中自動(dòng)出現(xiàn)行走部位的監(jiān)控畫(huà)面，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí)，監(jiān)控小屏中自動(dòng)切換至作業(yè)所需監(jiān)控畫(huà)面；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)某個(gè)故障時(shí)，監(jiān)控小屏自動(dòng)推送故障點(diǎn)視頻畫(huà)面。

視頻自動(dòng)投切系統(tǒng)解決了監(jiān)控屏幕固定性和作業(yè)流程靈活性之間的沖突，為取裝流程一體化提供了有效的視頻監(jiān)護(hù)功能，保障了作業(yè)安全。

3 煤流仿真系統(tǒng)

煤流仿真系統(tǒng)與取料機(jī)、裝船機(jī)、中控PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)采集取料機(jī)和BM線陣列式皮帶秤實(shí)時(shí)流量、累計(jì)流量及皮帶運(yùn)行速度，采集取料機(jī)和裝船機(jī)的行走位置等數(shù)據(jù)，模擬整條取裝流程線上煤流分布，通過(guò)上位機(jī)HMI展現(xiàn)給操控員，為其操控決策提供幫助。

此外煤流仿真系統(tǒng)還估算煤流到達(dá)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的時(shí)間、估算流程輸送帶上的剩余煤炭量，為提前上料提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為了校正仿真系統(tǒng)中存在的計(jì)算和測(cè)量偏差，在皮帶機(jī)頭部尾部、裝船機(jī)尾車等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝非接觸式料流檢測(cè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)料流開(kāi)關(guān)信號(hào)動(dòng)作時(shí)，修正料頭料尾位置，提高了煤流仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4 取裝一體化控制系統(tǒng)

取裝一體化控制系統(tǒng)是進(jìn)行取裝流程設(shè)備操控的核心系統(tǒng)，包含取裝聯(lián)動(dòng)操控畫(huà)面、作業(yè)信息自動(dòng)推送功能、雙機(jī)配煤流量控制功能，提前上料等功能。取裝聯(lián)動(dòng)操控畫(huà)面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全部取裝流程設(shè)備的操作和監(jiān)護(hù)；作業(yè)信息自動(dòng)推送功能降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；雙機(jī)配煤流量控制功能既可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配煤，又可提高流程作業(yè)效率；提前上料功能可以減少輔助作業(yè)時(shí)間，既可降低流程空轉(zhuǎn)造成的電能消耗，又能提高流程作業(yè)效率。

4.1 取裝聯(lián)動(dòng)操控畫(huà)面（HMI）

針對(duì)取裝流程操控需要顯示整條流程所有設(shè)備的主要操控信息的要求，開(kāi)發(fā)了一套動(dòng)態(tài)HMI操控界面，界面中包含取裝流程操控區(qū)、裝船機(jī)操控區(qū)、取料機(jī)操控區(qū)、料流仿真顯示區(qū)、堆場(chǎng)單機(jī)位置及作業(yè)信息顯示區(qū)。取裝流程操控區(qū)可進(jìn)行流程一鍵啟動(dòng)和逆序停機(jī)等操作，也可對(duì)流程皮帶機(jī)進(jìn)行逐條獨(dú)立啟?？刂?。裝船機(jī)操控區(qū)用于操控裝船機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)作業(yè)。取料機(jī)操控區(qū)用于操控取料機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)作業(yè)。料流仿真區(qū)用于顯示本取裝流程中的料流分布及料流到達(dá)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的估算時(shí)間信息。堆場(chǎng)單機(jī)位置顯示區(qū)用于顯示堆場(chǎng)各堆料機(jī)、取料機(jī)、堆取料機(jī)的實(shí)時(shí)位置和作業(yè)垛位。

由于取料機(jī)是根據(jù)流程切換的，因此取料機(jī)操控區(qū)是動(dòng)態(tài)的，通過(guò)VBA編程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)取裝流程更換時(shí)，自動(dòng)將所需取料機(jī)的操控畫(huà)面嵌入到取裝聯(lián)動(dòng)操控主界面中。整張HMI界面采用彈窗式設(shè)計(jì)，既可較多的展示信息也便于操作。

4.2 作業(yè)信息自動(dòng)推送功能

為了減少操作量，提高取料機(jī)和裝船機(jī)的協(xié)同作業(yè)能力，開(kāi)發(fā)了取料量自動(dòng)推送功能，將中控流程信息與取料機(jī)共享，省去了操作員每次作業(yè)前設(shè)定取料量的步驟。開(kāi)發(fā)了取料流量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，將中控、裝船機(jī)、取料機(jī)信息互通，根據(jù)裝船機(jī)的臂架俯仰角度、配煤比例、作業(yè)模式、剩余作業(yè)量等信息自動(dòng)調(diào)整取料機(jī)的設(shè)定流量，提高配煤精度、減少人員操作、提高作業(yè)效率。

4.3 雙機(jī)配煤流量控制功能

雙機(jī)配煤流量控制需借助中控PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。中控PLC控制系統(tǒng)與取料機(jī)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，讀取取料機(jī)的行走數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)流量和剩余作業(yè)量等，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)配煤比例，設(shè)定各取料機(jī)的設(shè)定流量，再利用主從雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)主從取料機(jī)瞬時(shí)流量與設(shè)定流量的一致性。此功能不僅能按照客戶要求提供全過(guò)程精準(zhǔn)配煤，也能保證裝船全過(guò)程的流量最大化。

取料機(jī)自動(dòng)回轉(zhuǎn)取料流量控制模塊是雙機(jī)配煤流量控制的基礎(chǔ)，也就是主從雙閉環(huán)控制中的閉環(huán)控制。由于取料機(jī)斗輪工作壓力與取料瞬時(shí)流量近似成正比關(guān)系，因此用實(shí)時(shí)檢測(cè)的斗輪馬達(dá)入口壓力減去空載壓力再乘以比例系數(shù)可計(jì)算出瞬時(shí)流量反饋值，將流量反饋值與流量設(shè)定值進(jìn)行比較后，通過(guò)取料流量與回轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換公式可計(jì)算出回轉(zhuǎn)速度偏差，再通過(guò)PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制回轉(zhuǎn)速度來(lái)控制瞬時(shí)流量與設(shè)定流量保持一致，為了提高響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量快速跟隨設(shè)定流量，增加前饋控制，形成一套帶前饋的PI控制系統(tǒng)。

雙機(jī)配煤流量控制功能分為兩個(gè)模式：效率最大化模式和精準(zhǔn)配煤模式。

效率最大化模式：為了獲取最高效率，需要盡可能減少每次取料作業(yè)時(shí)間，因此保證配煤作業(yè)時(shí)兩臺(tái)取料機(jī)同起同停，配煤比例按照各自剩余取料量進(jìn)行自動(dòng)分配的方案可實(shí)現(xiàn)效率最大化。即每隔5分鐘自動(dòng)根據(jù)兩臺(tái)取料機(jī)本次剩余作業(yè)量計(jì)算一次配煤比例，將配煤比例折算成設(shè)定流量后傳輸給各取料機(jī)，通過(guò)取料機(jī)自動(dòng)控制中的閉環(huán)PI控制，保證瞬時(shí)流量與設(shè)定流量的一致性。

精準(zhǔn)配煤模式：受料堆形狀的影響，在垛頭垛尾取料及換層過(guò)程中，存在流量偏離的情況，容易造成配煤比例偏差過(guò)大。為此利用雙機(jī)配煤主從閉環(huán)流量控制算法，對(duì)雙機(jī)流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)配煤過(guò)程的精準(zhǔn)控制。選取流程中更靠近上游的取料機(jī)作為主取料機(jī)，靠近下游的取料機(jī)作為從取料機(jī)，需要調(diào)節(jié)兩取料機(jī)設(shè)定流量時(shí)，先調(diào)整主取料機(jī)的設(shè)定流量，等待T時(shí)刻后再調(diào)整從取料機(jī)的設(shè)定流量（T為煤流從主取料機(jī)傳輸?shù)綇娜×蠙C(jī)所需的時(shí)間）；根據(jù)三維模型系統(tǒng)中料堆信息，預(yù)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的流量趨勢(shì)，根據(jù)預(yù)測(cè)值自動(dòng)調(diào)整兩臺(tái)取料機(jī)的設(shè)定流量，再通過(guò)取料機(jī)自動(dòng)控制中的閉環(huán)PI控制，保證瞬時(shí)流量與設(shè)定流量的一致性。

4.4 提前上料功能

通過(guò)上游設(shè)備提前上料，當(dāng)下游設(shè)備準(zhǔn)備完畢后，料流剛好到達(dá)下游設(shè)備，有效壓縮生產(chǎn)輔助時(shí)間。例如，通過(guò)比較料流從取料機(jī)到達(dá)裝船機(jī)的時(shí)間和裝船機(jī)換艙所需時(shí)間，在裝船機(jī)換艙過(guò)程中取料機(jī)提前上料，使裝船機(jī)完成換艙時(shí)料流剛好到達(dá)裝船機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間生產(chǎn)協(xié)同，減少流程空轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)煤料快速轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了流程生產(chǎn)效率。

5 動(dòng)態(tài)急停保護(hù)系統(tǒng)

遠(yuǎn)程急停按鈕作為設(shè)備失控時(shí)的應(yīng)急保護(hù)裝置是必不可少的。但取裝流程的靈活性決定了裝船機(jī)和取料機(jī)不是固定對(duì)應(yīng)的。因此需要同一遠(yuǎn)程急停按鈕在不同的作業(yè)流程中對(duì)不同的取料機(jī)提供急停保護(hù)。為了解決這一難題，有效保證安全生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)了一套動(dòng)態(tài)急停保護(hù)系統(tǒng)。在每個(gè)裝船集控室除了為裝船機(jī)設(shè)置兩個(gè)固定的急停按鈕外，還增設(shè)了兩個(gè)急停按鈕。新增設(shè)的急停按鈕通過(guò)硬線接入裝船機(jī)集控室遠(yuǎn)程站，裝船機(jī)PLC將采集的急停信號(hào)根據(jù)流程信息進(jìn)行編譯后通過(guò)MSG指令傳輸至對(duì)應(yīng)的取料機(jī)，進(jìn)而控制取料機(jī)的緊急停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)急停保護(hù)功能。

6 結(jié)語(yǔ)

取裝流程一體化操控系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)指令自動(dòng)選取所需設(shè)備，組合成一條作業(yè)流程，通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鈕即可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝船作業(yè)全過(guò)程的控制。他在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立協(xié)同機(jī)制，提升煤炭取裝作業(yè)的集成程度和協(xié)同程度，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率，減少了勞動(dòng)配員，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了由于溝通不暢誘發(fā)的安全隱患，具備在煤炭港口大力推廣的價(jià)值。