煤炭港口皮帶機(jī)料流追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜來福

(神華黃驊港務(wù)公司，河北 滄州 061113)

神華黃驊港煤炭堆場分布著許多皮帶機(jī)和轉(zhuǎn)接機(jī)房，承擔(dān)煤炭堆料、取料和裝船輸送作業(yè)的重任。在生產(chǎn)過程中，由于缺乏必要的檢測手段，難以精確地把握輸送帶上物料的位置。在散料港口行業(yè)把創(chuàng)新重點(diǎn)放在堆場單機(jī)和裝船機(jī)自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)時(shí)，關(guān)于皮帶機(jī)料流特性及其與其他作業(yè)環(huán)節(jié)制約關(guān)系研究的較少。目前行業(yè)多應(yīng)用振動(dòng)傳感器、加速度振動(dòng)傳感器、超聲料流檢測儀、變頻器控制等方式來檢測和判斷料流[1-2]，但無論是檢測設(shè)備的穩(wěn)定性、皮帶高速運(yùn)行時(shí)的檢測精度都無法達(dá)到對料頭料尾和煤量較少時(shí)的檢測需求。相關(guān)文獻(xiàn)僅對料流的檢測手段進(jìn)行研究，未對整條皮帶線煤流在不同情況下的動(dòng)態(tài)分布情況、料頭料尾的判定跟蹤、料流檢測錯(cuò)誤信號(hào)的優(yōu)化、皮帶速度和物料傳送規(guī)律、皮帶機(jī)料流傳輸控制、皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)載煤量以及在指導(dǎo)取裝作業(yè)、清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用等方面進(jìn)行深入研究。

在裝船作業(yè)第一次上料及換倉過程中，難以掌控取料機(jī)開始取料的時(shí)間，從安全角度出發(fā)，需要在裝船機(jī)完全對接好艙后才可開始上料，具體流程如圖1所示。這樣的啟動(dòng)順序往往會(huì)造成在上料前的一段時(shí)間下游皮帶處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且裝船機(jī)皮帶啟動(dòng)的時(shí)間越早，空轉(zhuǎn)的時(shí)間就越長，當(dāng)流程啟動(dòng)次數(shù)較多時(shí)，就造成了生產(chǎn)效率的損失[3]。在裝船作業(yè)最后一個(gè)流程中，裝船機(jī)操作員只能通過攝像頭或白天的視野來判斷裝船機(jī)后方最后一段煤的行走軌跡和斷流情況，但在夜晚視野不好以及遠(yuǎn)程操控作業(yè)過程中無法做出精確判斷；解決的方法是靠經(jīng)驗(yàn)測算出取料機(jī)停取后，煤炭經(jīng)過皮帶運(yùn)輸?shù)窖b船機(jī)的大致時(shí)間，通過倒計(jì)時(shí)來指導(dǎo)停止懸皮和移倉動(dòng)作，在效率和安全性上都有很大的缺陷。皮帶的速度是一個(gè)變化值，取料機(jī)到裝船機(jī)的距離也隨著不同煤種和場次有所不同，給倒計(jì)時(shí)時(shí)間的測算帶來不確定性。

注：BM為與裝船機(jī)對接的皮帶機(jī)類別；BC為中轉(zhuǎn)的皮帶機(jī)類別；BQ為取料的皮帶機(jī)類別。

圖1取裝線工藝流程

因此，本文對黃驊港二期裝船線進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，針對行業(yè)內(nèi)存在的問題并結(jié)合黃驊港的實(shí)踐需求，對料流追蹤系統(tǒng)各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索，既可指導(dǎo)煤炭港口實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)流程的優(yōu)化控制，也為料流追蹤技術(shù)在智慧港口建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 料流追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

根據(jù)現(xiàn)場皮帶機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效目標(biāo)，以黃驊港二期8條皮帶機(jī)為基礎(chǔ)，建立一套料流追蹤系統(tǒng)，其技術(shù)框架如圖2所示。在皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)接塔設(shè)置遠(yuǎn)程站，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的皮帶機(jī)速度和料流檢測信號(hào)。為獲取皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和準(zhǔn)確地對料頭通過的時(shí)間進(jìn)行判定，在增加現(xiàn)場采集設(shè)備的同時(shí)，定制化開發(fā)適應(yīng)于現(xiàn)場實(shí)際需求的時(shí)間估計(jì)算法，將料流信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示在遠(yuǎn)程操控人員的人機(jī)界面上。該系統(tǒng)能為流程的啟停、上料提供準(zhǔn)確的預(yù)估時(shí)間參考。并結(jié)合升級(jí)后的裝船機(jī)定位系統(tǒng)，能較準(zhǔn)確地計(jì)算出料流到達(dá)裝船機(jī)的時(shí)間，能在裝船機(jī)沒有準(zhǔn)備就緒的情況下，及時(shí)停止各流程皮帶機(jī)上料。與中控系統(tǒng)建立接口，根據(jù)流程命令，綜合考慮流程兩端設(shè)備狀態(tài)，在最大化縮短流程空轉(zhuǎn)時(shí)間的基礎(chǔ)上，合理安排流程中各環(huán)節(jié)啟停時(shí)間及順序，在檢測料流到達(dá)的同時(shí)，能夠有序停止流程設(shè)備。設(shè)計(jì)了能夠在中控流程和裝船機(jī)操作界面上動(dòng)態(tài)顯示的人機(jī)界面(human machine interface,HMI)，為生產(chǎn)人員提供流程倒計(jì)時(shí)和載煤質(zhì)量等信息，并在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠進(jìn)行報(bào)警提示。

圖2 料流追蹤系統(tǒng)總體框架

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃驊港堆場主要包括儲(chǔ)煤堆場、斗輪取料機(jī)、堆場地面皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)接機(jī)房、轉(zhuǎn)接皮帶機(jī)、裝船線皮帶機(jī)、裝船機(jī)等[4]。料流追蹤硬件系統(tǒng)主要包括：皮帶機(jī)測速傳感器、料流檢測傳感器、上位機(jī)、料流PLC(可編程邏輯控制器)主站、PLC遠(yuǎn)程站、PLC通訊模塊、位置檢測模塊、光纖、交換機(jī)、皮帶秤、取料機(jī)PLC、中控PLC等，其主要硬件組成如圖3所示。

圖3 料流追蹤系統(tǒng)主要硬件組成

根據(jù)皮帶線設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別在 BQ3、BQ4、BQ5、BC3、BC4、BM4、BM5、BM6選取合適的位置安裝皮帶機(jī)速度檢測開關(guān)和料流檢測開關(guān)，遠(yuǎn)程站與PLC 站通過以太網(wǎng)連接；在每臺(tái)裝船機(jī)的尾車附近安裝料流檢測開關(guān)，對料流進(jìn)行校準(zhǔn)，保證檢測可靠，單元布置工藝如圖4所示。

注：SL4、SL5、SL6為裝船機(jī)編號(hào)。圖4 傳感器位置及現(xiàn)場皮帶尺寸(單位： m)

2 皮帶機(jī)帶速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長皮帶測速系統(tǒng)是料流定位系統(tǒng)的重要組成部分，也是皮帶保護(hù)的重要信號(hào)，它時(shí)刻監(jiān)控皮帶的運(yùn)行情況，一旦皮帶出現(xiàn)打滑、斷裂，通過程序控制停止皮帶運(yùn)行，最大限度地保護(hù)皮帶，減少維修時(shí)間。對皮帶機(jī)速度進(jìn)行精準(zhǔn)檢測的同時(shí)，開發(fā)了相關(guān)算法，消除因皮帶啟停導(dǎo)致的皮帶打滑引起的速度差異，準(zhǔn)確計(jì)算出料頭在皮帶機(jī)上移動(dòng)的距離。

為快速檢測到皮帶輸送的速度，并給控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信息，順利地完成設(shè)備的安裝調(diào)試，皮帶機(jī)帶速檢測系統(tǒng)采取M法測量方案：在皮帶從動(dòng)輪安裝信號(hào)檢測裝置，根據(jù)接近開關(guān)單位時(shí)間內(nèi)讀取的皮帶從動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)計(jì)算出皮帶的線速度，從而實(shí)現(xiàn)為控制系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)。

M法是指在固定時(shí)間內(nèi)測量輸出脈沖的數(shù)量，該法適于高速皮帶測量。對于每轉(zhuǎn)有P個(gè)脈沖的轉(zhuǎn)速，在固定時(shí)間TC內(nèi)計(jì)數(shù)值為m1，則轉(zhuǎn)速為：

(1)

相對誤差為：

(2)

通過接近開關(guān)檢測出滾筒的每分鐘轉(zhuǎn)速為n，滾筒的直徑為d，則皮帶機(jī)的速度為：

v=ndπ60

(3)

3 皮帶機(jī)料流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

料流檢測系統(tǒng)要既能檢測到皮帶機(jī)上是否有料流，又能根據(jù)檢測到料流的時(shí)間進(jìn)行料流定位分析，還能對通過各轉(zhuǎn)接塔的通過時(shí)間進(jìn)行預(yù)估。為對料流進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，需要根據(jù)皮帶的特點(diǎn)，選取合適的位置安裝超聲波傳感器作為料流檢測開關(guān)。

超聲波傳感器動(dòng)作信號(hào)是開關(guān)量信號(hào)，需要確保在PLC系統(tǒng)采集的開關(guān)量信號(hào)的可靠性。在采樣瞬間，輸入信號(hào)一旦出現(xiàn)就將其讀入輸入鎖存器供程序使用，干擾信號(hào)也有被采用的可能，故必須對這類信號(hào)進(jìn)行必要的處理。

本文提出一種用軟件實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號(hào)濾波的方法：當(dāng)某一信號(hào)出現(xiàn)時(shí)將其記錄，經(jīng)合理的時(shí)間延遲后，再次對該信號(hào)進(jìn)行核對，如果該信號(hào)仍然存在，則確認(rèn)信號(hào)為真，否則認(rèn)定為假信號(hào)，這樣就避免了毛刺信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入信號(hào)的濾波。系統(tǒng)采用延遲接通定時(shí)器的編程方法，如圖5所示。

圖5 開關(guān)量定時(shí)器濾波

輸入開關(guān)量為R_101I.2，進(jìn)行500 ms判斷，接通500 ms后認(rèn)為是料流信號(hào)，此定時(shí)器信號(hào)作為下一步4 s延遲定時(shí)器輸入，當(dāng)該輸入信號(hào)出現(xiàn)在定時(shí)器輸入端時(shí)，定時(shí)器不輸出，延遲設(shè)定的時(shí)間后，如果輸入信號(hào)仍然存在，則定時(shí)器輸出，否則定時(shí)器沒有輸出，可實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的濾波，且濾波的寬度通過定時(shí)器的時(shí)間參數(shù)可以方便設(shè)定。用MSG指令從中控PLC讀取皮帶運(yùn)行信號(hào)與料流PLC的皮帶啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)、測速開關(guān)信號(hào)一起來判斷皮帶是否運(yùn)行，最后加入料流檢測信號(hào)對皮帶運(yùn)行狀態(tài)及料流情況做出初步判斷。

4 料流定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對現(xiàn)場速度檢測開關(guān)及料流檢測開關(guān)，及PLC時(shí)間數(shù)據(jù)軸進(jìn)行綜合分析基礎(chǔ)上，給出料流定位流程如圖6所示。

圖6 料流定位流程

經(jīng)過料流檢測的初步判斷后，在料流追蹤定位過程中，需要將料流信息保存在PLC數(shù)組中。系統(tǒng)采取料流、帶速檢測采樣信號(hào)同步處理的方式保存料流定位信息。具體方案為：利用測速開關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行有料測速計(jì)數(shù)操作，如圖7中計(jì)數(shù)器Counter_Vel[8]，設(shè)定測速開關(guān)計(jì)數(shù)器預(yù)置值為N1，滾筒直徑為d，當(dāng)N1個(gè)點(diǎn)計(jì)數(shù)完成時(shí)，皮帶運(yùn)行距離約為N1πd。同時(shí)料流判定加入初次判定信號(hào)及濾波信號(hào)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行料流開關(guān)計(jì)數(shù)操作，如圖7中計(jì)數(shù)器Counter_Flow[10]，設(shè)定預(yù)置值為N2，當(dāng)計(jì)數(shù)器Counter_Vel[8]的計(jì)數(shù)值達(dá)到N1時(shí)，則讀取Counter_Flow[10]的計(jì)數(shù)值為N3，如果N3>N22，則判定該料流信號(hào)為真，將該數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中。根據(jù)皮帶線長度及每個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)皮帶長度計(jì)算所需數(shù)組長度，根據(jù)料流檢測系統(tǒng)判定料流的位置信息，將數(shù)組中料流按照皮帶運(yùn)行的速度及周期進(jìn)行移位，同時(shí)上位人機(jī)界面實(shí)時(shí)讀取數(shù)組中信息并顯示，以此實(shí)現(xiàn)料流實(shí)時(shí)位置跟蹤。

圖7 料流定位部分算法

5 料流傳輸時(shí)間估算

該系統(tǒng)料流傳輸時(shí)間計(jì)算分為料流從取料機(jī)到轉(zhuǎn)接塔傳輸時(shí)間和料流從轉(zhuǎn)接塔到裝船機(jī)傳輸時(shí)間兩部分。

開始取料時(shí)根據(jù)懸皮和斗輪運(yùn)行信號(hào)判斷料頭，以取料機(jī)皮帶秤的數(shù)值計(jì)算開始上料的時(shí)間，采集取料機(jī)懸皮的實(shí)時(shí)速度，根據(jù)現(xiàn)場安裝的BQ皮帶的測速開關(guān)可得地面皮帶的速度；在到達(dá)BQ皮帶的料流檢測開關(guān)之前，對料流的顯示按照建立的數(shù)學(xué)模型如圖8所示，計(jì)算料頭的移動(dòng)距離；當(dāng)經(jīng)過BQ皮帶的料流開關(guān)時(shí)，對料流的移動(dòng)距離進(jìn)行校準(zhǔn)，并且判斷下一級(jí)皮帶是否已經(jīng)運(yùn)行，若下一級(jí)皮帶已經(jīng)運(yùn)行，則以當(dāng)前料流開關(guān)校準(zhǔn)的時(shí)間為起始時(shí)間，估計(jì)下一級(jí)皮帶開始出現(xiàn)料流的時(shí)間及顯示相應(yīng)的位置；若下一級(jí)皮帶沒有運(yùn)行，則按照流程工藝停機(jī)。

圖8 料流傳輸時(shí)間計(jì)算模型

經(jīng)過轉(zhuǎn)接塔后料流在BM皮帶上向裝船機(jī)開始輸送，根據(jù)上一級(jí)皮帶運(yùn)行狀態(tài)及料流開關(guān)信號(hào)判斷料頭，經(jīng)過BM料流開關(guān)開始計(jì)時(shí)，由現(xiàn)場獲知地面皮帶的速度，根據(jù)現(xiàn)場安裝的BM皮帶的測速開關(guān)可得地面皮帶的速度；根據(jù)單機(jī)定位系統(tǒng)獲取裝船機(jī)位置信息，在到達(dá)裝船機(jī)之前，按照建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算料頭的移動(dòng)距離；分別判斷及計(jì)算各流程皮帶上料流的料頭到達(dá)時(shí)間及料尾到達(dá)時(shí)間，從而為各流程皮帶的控制提供時(shí)間上的依據(jù)。

6 裝船線皮帶機(jī)載煤量實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)

裝船機(jī)遠(yuǎn)程操作需要裝船操作員和裝船指導(dǎo)員實(shí)時(shí)掌握皮帶線特別是BM皮帶上煤流的信息，為裝船機(jī)操作員及時(shí)啟停裝船機(jī)懸皮，防止因過早停懸皮造成漏斗堵料，或移倉不及時(shí)造成灑漏煤等事故的發(fā)生。

本文提出一種載煤量實(shí)時(shí)檢測方法，能實(shí)時(shí)精確地獲取BM線皮帶上的載煤質(zhì)量，并把相關(guān)信息傳輸?shù)窖b船機(jī)和集控室界面，為裝船作業(yè)提供實(shí)時(shí)信息參考，載煤量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)和BM線位置分布如圖9、10所示。

圖9 載煤量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖10 BM線位置分布

該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1) BM線皮帶秤為精度不小于3‰的陣列式皮帶秤，把獲取的皮帶輸煤瞬時(shí)量傳入中控PLC。

2)中控PLC與料流PLC之間用以太網(wǎng)模塊進(jìn)行通訊，料流PLC通過MSG指令從中控PLC獲取BM皮帶秤的瞬時(shí)量、BM皮帶啟停等數(shù)據(jù)。

3)裝船機(jī)回轉(zhuǎn)中心到BM皮帶秤之間的距離為L，包含固定距離和變化距離兩部分之和。其中固定BM皮帶秤與碼頭西側(cè)起始點(diǎn)的距離為L2，當(dāng)前裝船機(jī)回轉(zhuǎn)中心距碼頭西側(cè)起始點(diǎn)的距離為L1，且L=L1+L2。裝船機(jī)回轉(zhuǎn)中心的位置定位由裝船機(jī)行走編碼器獲得，根據(jù)裝船機(jī)行走位置實(shí)時(shí)計(jì)算得出。

4)根據(jù)皮帶機(jī)帶速檢測系統(tǒng)計(jì)算出BM皮帶的運(yùn)行速度v。

5)由于陣列式皮帶秤的瞬時(shí)量的分辨率為2 Hz，因此在PLC程序中設(shè)計(jì)一個(gè)0.5 s的計(jì)時(shí)器，當(dāng)BM皮帶啟動(dòng)后，PLC每隔0.5 s采集一次皮帶秤的瞬時(shí)量數(shù)據(jù)，并把每次采集的數(shù)值依次存放在PLC寄存器的一個(gè)可存300個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)組Data[300]中，最新的數(shù)值存放在Data[0]單元中，之前的數(shù)據(jù)依次向高位數(shù)組單元移位。因?yàn)锽M線的最大有效長度為1 400 m，BM皮帶的速度均值為4.8 ms，則需要約292個(gè)數(shù)組單元，所以300個(gè)數(shù)組單元完全滿足瞬時(shí)量的有效存儲(chǔ)。

6)根據(jù)當(dāng)前距離L計(jì)算BM的累積量。料流通過BM的時(shí)間t′=Lv；分布在BM線的瞬時(shí)量個(gè)數(shù)N=t′0.5；則當(dāng)前皮帶的累計(jì)質(zhì)量[t])。

7 裝船機(jī)定位系統(tǒng)

整套料流追蹤系統(tǒng)中，只有裝船機(jī)的位置會(huì)隨著作業(yè)情況發(fā)生變化，無論是獲取料流到裝船機(jī)的時(shí)間信息還是皮帶線上的實(shí)時(shí)載煤量，都離不開裝船機(jī)的位置數(shù)據(jù)，須對原有的矯正塊式的定位系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

為更加準(zhǔn)確地獲取裝船機(jī)的實(shí)時(shí)位置，SL4、SL5、SL6 裝船機(jī)行走從動(dòng)輪上各安裝1個(gè)以太網(wǎng)絕對值編碼器，并為其構(gòu)建RFID(radio frequency identification，射頻識(shí)別)行走檢驗(yàn)。二期3臺(tái)裝船機(jī)，每隔10 m安裝1個(gè)RFID標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽內(nèi)部配置成固定的位置數(shù)據(jù)，同一條軌道上的3臺(tái)裝船機(jī)共用1套 RFID標(biāo)簽，每臺(tái)裝船機(jī)安裝1套探頭及網(wǎng)關(guān)設(shè)備，搭建RFID位置校正系統(tǒng)。通過RFID與絕對值編碼器的配合，探頭經(jīng)過標(biāo)簽時(shí)快速讀出當(dāng)前的位置，與絕對值編碼器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果偏差較小將對絕對值編碼器進(jìn)行自動(dòng)矯正，如果偏差大于一定值，系統(tǒng)會(huì)通過PLC系統(tǒng)給出故障報(bào)警，從而保障裝船機(jī)的位置精度。經(jīng)測試，行走精度可達(dá)到厘米級(jí)。

8 試驗(yàn)及應(yīng)用

以BQ3-BM6-SL6線為例對料流系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)，得出的主要數(shù)據(jù)見表1。

料流定位系統(tǒng)的用戶界面如圖11所示，能顯示皮帶機(jī)上料流實(shí)時(shí)位置、煤流到達(dá)裝船機(jī)倒計(jì)時(shí)、料頭料尾時(shí)間以及BM皮帶的實(shí)時(shí)載煤量信息。

圖11 料流定位系統(tǒng)的使用界面

通過在黃驊港二期工程3條取裝線半年的測試和應(yīng)用，該系統(tǒng)檢測結(jié)果與真實(shí)料流分布位置在20 m以內(nèi)，其性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)、工作穩(wěn)定易推廣。

9 結(jié)語

1)煤炭港口皮帶機(jī)料流追蹤系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測出料流在輸送帶上的分布位置，與真實(shí)的料流分布位置誤差在20 m以內(nèi)，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

2)皮帶機(jī)速度檢測裝置能準(zhǔn)確檢測不同載荷下的實(shí)時(shí)帶速，誤差控制在5%以內(nèi)，滿足使用要求。

3)使用高性能的料流檢測傳感器，濾波處理后的料流檢測準(zhǔn)確率在99%以上。

4)能預(yù)先為流程啟停、上料提供準(zhǔn)確預(yù)估時(shí)間，能在檢測到料流可能提前到達(dá)時(shí)，有次序地停止流程設(shè)備，不引起轉(zhuǎn)接處的堵料、灑落煤等情況。

5)人性化的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，能全面反映取裝線的各種關(guān)鍵信息。