裝船機遠程操控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉永昌

（神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

1 設(shè)計背景

隨著“中國制造2025”的不斷推進，自動化智能化建設(shè)在各行業(yè)持續(xù)開展。交通運輸部也發(fā)布了相應(yīng)指導(dǎo)意見，提出了港口轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展目標(biāo)，要求提升港口裝備智能化水平。黃驊港作為西煤東運、北煤南運的重要下水港，一直致力于打造綠色、智慧、國際一流的能源大港。近幾年，黃驊港已實現(xiàn)了翻堆取環(huán)節(jié)的遠程自動控制，裝船機的遠程操控和自動化成為全流程智能化的最后一關(guān)。裝船機是一種散雜貨碼頭重要的裝船設(shè)備，負(fù)責(zé)將皮帶上的物料裝至船艙中。傳統(tǒng)的操作方式為操作員在海平面20米以上的狹小司機室內(nèi)進行近海高空作業(yè)，不僅工作環(huán)境惡劣、存在安全風(fēng)險，還易造成頸椎病、抑郁癥等影響身心健康的疾病。因此，實現(xiàn)裝船機遠程操控可以極大改善操作人員的作業(yè)環(huán)境、降低勞動強度，提高幸福指數(shù)。此外，裝船機遠程操控也可為后續(xù)的裝船機自動化和全流程智能化奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計方案

由于裝船機作業(yè)受潮汐、海浪、船型及船體結(jié)構(gòu)等因素的影響，對作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性要求極高，因此，裝船機遠程操控系統(tǒng)必須具備低時延、高可靠性等特點。鑒于以上要求，本設(shè)計制定了一套融合遠程操控、視頻監(jiān)控、空間定位、安全保護和監(jiān)測預(yù)警的解決方案，實現(xiàn)了裝船機的遠程操控。操控員置身于干凈舒適的集控室中，即可通過操控手柄和人機交互界面對現(xiàn)場設(shè)備進行操控，通過視頻畫面了解現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，通過報警指示信號提示音對設(shè)備狀態(tài)了如指掌。

2.1 遠程操控系統(tǒng)

裝船機遠程操控系統(tǒng)主要實現(xiàn)將集控室操作臺上的的操控手柄指令和上位機HMI界面的操控指令傳遞給原PLC控制系統(tǒng)，從而控制裝船機執(zhí)行相應(yīng)的動作；并將裝船機主要工作狀態(tài)信息在上位機HMI界面上進行實時顯示。有兩個方案可實現(xiàn)以上功能。

方案一：在集控室增加一套獨立的PLC控制系統(tǒng)，將操作手柄的模擬量、數(shù)字量信號接入集控室PLC中。集控室PLC系統(tǒng)、集控室上位機、裝船機原PLC系統(tǒng)位于同一個VLAN的控制網(wǎng)中。集控室PLC與裝船機原PLC之間通過MESSAGE傳輸數(shù)據(jù)，上位機HMI通過OPC協(xié)議直接獲取數(shù)據(jù)。此方案的優(yōu)點是幾個裝船機集控室只需要增加一套PLC控制系統(tǒng)，直接借助原有的控制網(wǎng)，成本較?。蝗秉c是信號的傳輸時間長，易受外部信號干擾，控制網(wǎng)出故障后可能影響全部裝船機，存在較大的安全隱患。

方案二：在每個裝船集控室增加一套PLC遠程站，將操作手柄的模擬量、數(shù)字量信號接入PLC遠程站中。PLC遠程站、集控室上位機都通過以太網(wǎng)和光纖接入裝船機PLC子網(wǎng)中，組建一套控制專網(wǎng)。PLC遠程站直接組態(tài)到裝船機原PLC控制系統(tǒng)中，上位機HMI通過OPC協(xié)議連接機上PLC獲取數(shù)據(jù)。此方案中，控制專網(wǎng)屬于封閉的局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸延時低、可靠性高，運行安全穩(wěn)定。

由于裝船機作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，對安全性和穩(wěn)定性要求很高，因此，選用第二套方案。在每個裝船集控室布置一套包含三個操作手柄和兩個急停按鈕的操作臺，用于操作行走、俯仰、伸縮、溜筒回轉(zhuǎn)等動作以及緊急停機保護；安裝一套人機交互界面用于其他動作的的操控和信號監(jiān)視；在每個設(shè)備間內(nèi)安裝一套PLC遠程站，用于接收操作手柄和急停信號；為每臺裝船機搭建通過光纖傳輸?shù)目刂茖＞W(wǎng)，用于集控室和裝船機之間數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

裝船機實現(xiàn)遠程集控后，操控員將無法再直接通過視覺觀察現(xiàn)場作業(yè)情況，因此，一套完備無死角的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對遠程操控是至關(guān)重要的。

為每臺裝船機安裝16個高清攝像頭，可以覆蓋行走機構(gòu)、電纜卷筒、溜筒、漏斗、俯仰、臂架、懸皮、最高點、尾車等重點部位的各個角度。攝像機性能需不低于IP67防護等級、200萬像素、具有紅外夜視功能。所有攝像頭均單獨供電，通過以太網(wǎng)連接至機上視頻網(wǎng)交換機，最終接入機上硬盤錄像機進行存儲。在集控室安放視頻解碼器，并接入集控室視頻網(wǎng)交換機，監(jiān)控大屏連接視頻解碼器，通過視頻監(jiān)控平臺調(diào)取各監(jiān)控畫面，以供操作人員監(jiān)護使用。

2.3 空間定位系統(tǒng)

為了實時獲取裝船機的位置信息，掌握裝船機的行走位置、俯仰角度、伸縮位置、溜筒角度等作業(yè)數(shù)據(jù)，需要為每臺裝船機安裝空間定位系統(tǒng)。本設(shè)計中，安裝了兩套互相獨立冗余的定位系統(tǒng)，一套是基于北斗的高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)，一套是編碼器定位系統(tǒng)。

（1）高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)。在裝船機上安裝1套基于北斗的衛(wèi)星定位系統(tǒng)移動站設(shè)備，選用雙天線模式，包括定位天線和定向天線。衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以接收黃驊港CORS基站系統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，對衛(wèi)星定位結(jié)果進行修正，得到精度更高的定位數(shù)據(jù)。移動站可通過配置直接輸出本地坐標(biāo)系下的位置信息、角度信息和定位質(zhì)量信息，并通過以太網(wǎng)傳入裝船機的PLC控制系統(tǒng)。PLC根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，結(jié)合裝船機的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置，計算出裝船機的定位數(shù)據(jù)。本設(shè)計選用的是華測P2-Pro產(chǎn)品，定位精度為厘米級，數(shù)據(jù)更新頻率高于20Hz。

（2）編碼器定位系統(tǒng)。在裝船機合適的位置安裝行走、俯仰、臂架伸縮、溜筒回轉(zhuǎn)四個編碼器。編碼器選用可編程和高可靠性的重載絕對值編碼器，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，防護等級IP67，接口方式為PROFIBUS DP或以太網(wǎng)，單圈分辨率不低于12位，使用絕緣型聯(lián)軸器與大機相連，編碼器接頭處使用專用接頭及接線盒。編碼器與PLC控制系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠，編碼器無死機、數(shù)據(jù)跳變等異常情況。

為了消除累計誤差需要為每個編碼器配置相應(yīng)的校正裝置。行走編碼器的校正裝置選用RFID。RFID讀寫頭安裝于行走機構(gòu)上，通過以太網(wǎng)接入PLC控制系統(tǒng)，標(biāo)簽安裝于行走軌道上，安裝密度為10米1個。俯仰、伸縮、溜筒回轉(zhuǎn)編碼器的校正裝置選用接近開關(guān)或磁性開關(guān)。

2.4 安全保護系統(tǒng)

安全是生產(chǎn)的前提，為了保證裝船機遠程作業(yè)的安全，開發(fā)了安全保護系統(tǒng)，主要包括以下保護措施。

（1）綜合防碰撞保護。通過安裝在溜筒、臂架、行走機構(gòu)的防碰撞檢測設(shè)備，實時檢測裝船機相應(yīng)機構(gòu)與船舶、軌道異物等外界物體的距離，當(dāng)距離小于一級設(shè)定距離時，相應(yīng)運動進行限速控制，當(dāng)距離小于二級設(shè)定距離時，禁止相應(yīng)動作，起到防碰撞保護功能。裝船機控制系統(tǒng)之間通過MSSAGE進行數(shù)據(jù)交互，實時獲取相鄰裝船機的行走位置信息，計算空間距離，防止兩機發(fā)生碰撞事故。

（2）無線遙控急停保護。無線急停遙控裝置是一套特殊情況下對裝船機或地面皮帶進行緊急停機的保護裝置。他包含一個無線急停接收器和若干個與其適配的無線急停遙控器，接收器和遙控器之間通過無線傳輸信號。無線急停接收器安裝在裝船機上，輸出信號接入PLC系統(tǒng)，無線急停遙控器由現(xiàn)場指揮作業(yè)的艙口管理，一旦艙口發(fā)現(xiàn)安全隱患就可通過遙控器觸發(fā)裝船機或地面皮帶緊急停機。

無線急停遙控器配置三個按鈕，分別為裝船機急停按鈕、地面皮帶機急停按鈕和測試按鈕。當(dāng)按下遙控器中裝船機急停按鈕后，無線急停接收器相應(yīng)的干接點觸發(fā)信號變化，通過PLC程序控制裝船機緊急停機并切斷低壓電。當(dāng)按下遙控器中地面皮帶機急停按鈕后，無線急停接收器相應(yīng)的干接點觸發(fā)信號變化、此信號先輸入裝船機PLC控制系統(tǒng)中，再通過MESSAGE指令傳輸給中控PLC，控制地面皮帶機急停。測試按鈕用于檢測無線急停遙控裝置的工作狀態(tài)是否正常。

（3）遠程急停保護。將集控室急停按鈕的一路觸點通過電纜、開關(guān)量光纖中繼器、光纖等設(shè)備接入裝船機電氣室單機急停鏈路或變電所皮帶機控制柜內(nèi)的地面皮帶急停鏈路，實現(xiàn)通過“硬線”對裝船機或地面皮帶機的遠程急?？刂啤⒓厥壹蓖０粹o的另一路觸點直接接入集控室PLC遠程站，通過PLC程序控制，實現(xiàn)“軟線”對裝船機或地面皮帶機的遠程急?？刂?。兩路相互獨立冗余的急停保護鏈路可以極大地提高安全性，為失控下的裝船機提供最后一道保護。

（4）通信中斷應(yīng)急保護。為了防止集控室與裝船機因通信中斷導(dǎo)致的失控狀態(tài)，通過PLC編程制作遠程站和HMI的通信檢測程序，一旦通信中斷，將移除裝船機全部動作；同時，還進行PLC組態(tài)設(shè)置，一旦遠程站通信超時，PLC報主要故障進行停機，實現(xiàn)了通信中斷的雙應(yīng)急保護。

2.5 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測裝船機信號及變化趨勢，提前發(fā)現(xiàn)隱患，發(fā)出預(yù)警信號或應(yīng)急處置。主要包括無線急停遙控裝置失靈監(jiān)測、伸縮掛纜異常監(jiān)測、動作過速監(jiān)測、動作異常檢測等。

3 結(jié)語

裝船機遠程操控系統(tǒng)實現(xiàn)了裝船機的遠程集控，控制專網(wǎng)的搭建保證了遠程操控的快速性和穩(wěn)定性，綜合防碰撞保護系統(tǒng)可有效避免裝船機與船舶等異物的碰撞事故，無線急停保護裝置提供了現(xiàn)場應(yīng)急處置方案，通信中斷檢測及應(yīng)急保護功能可避免通信中斷產(chǎn)生的設(shè)備失控風(fēng)險。這些都有效保證了裝船機遠程作業(yè)的安全性。本設(shè)計方案在黃驊港已經(jīng)全面應(yīng)用，不僅改善了作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了煤炭裝卸全流程作業(yè)的現(xiàn)場無人化，還為后期裝船機自動化和全流程智能化奠定了基礎(chǔ)，具有在其他煤炭港口推廣應(yīng)用的價值。