自動化環(huán)保型伸縮變幅裝船機控制系統(tǒng)及裝置研發(fā)

陳 偉

（揚州市江隆礦業(yè)設備有限公司，江蘇揚州225000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟由粗放型增長向著集約型增長方向發(fā)展，港口機械的發(fā)展模式也在發(fā)生變化，港口裝卸設備正在向著定制化、全自動化、環(huán)?；约爸悄芑较虬l(fā)展。因此，提高港口散貨裝卸設備的功用，降低散貨裝卸對環(huán)境造成的污染，推動港口散貨裝卸的自動化、智能化、綠色環(huán)保發(fā)展勢在必行。當前，受到地理環(huán)境與人口分布等因素的影響，我國內(nèi)河散貨裝船機在整個航運體系中占據(jù)主導地位。而國際上裝船機的主要研發(fā)機構(gòu)與生產(chǎn)廠商的核心產(chǎn)品大都適用于沿海港口。內(nèi)河港口與海港的散貨裝卸特點存在較大不同，海港占地面積大，貨物大都采用堆場式存放，裝船機位置固定，通常以裝卸效率作為評價其性能的指標參數(shù)，如德國克虜伯研發(fā)的最大的礦石裝船機設備生產(chǎn)率達20 000 t/h，適用于32萬t船型的外伸距。內(nèi)河港口往往建設于城市腹地，占地面積有限，貨物以車載或箱儲式為主，對裝船機的體積與靈活性有著嚴格的要求，且內(nèi)河港口周邊的人口密度大，裝船過程中的除塵降塵等環(huán)保功能也是內(nèi)河裝船機的重要指標參數(shù)之一。

我國裝船機生產(chǎn)研發(fā)起步較晚，產(chǎn)品分布以海港大功率裝船機為主，內(nèi)河裝船機產(chǎn)品只是在既有產(chǎn)品上進行改裝，兼容性不強，受內(nèi)河港口復雜環(huán)境的限制，裝卸性能大打折扣，適用性差。當前國內(nèi)針對內(nèi)河港口特點，定制化設計的裝船機產(chǎn)品極為稀缺，仍需開展大量的研究工作，填補該領(lǐng)域自動化、智能化、環(huán)保等關(guān)鍵技術(shù)的空白，從而提高內(nèi)河港口運營的經(jīng)濟效益。

本文研發(fā)的目標產(chǎn)品自動化環(huán)保型伸縮變幅裝船機是用于碼頭裝卸散貨的環(huán)保型自動化產(chǎn)品，可加速我國裝船機產(chǎn)品的升級換代及2 000～5 000 t內(nèi)河裝船機市場的重新定位，加速我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，解決內(nèi)河港口人工裝卸貨物效率低、成本高、勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，智能化程度低，而進口裝備兼容性差、售價貴、維護成本高等問題，填補國內(nèi)該領(lǐng)域高端裝備稀缺的空白，符合國家環(huán)保和智能發(fā)展戰(zhàn)略要求，為港口機械設計提供了新思路。

1 主要的研發(fā)內(nèi)容

1.1 基于視覺與激光雷達檢測的船體自動定位與裝卸軌跡優(yōu)化

待作業(yè)船艙在靠港過程中，如何進行自動定位與裝卸過程中的移動路徑規(guī)劃是自動化裝船過程的核心內(nèi)容。本項目擬利用視覺與激光雷達相結(jié)合的檢測手段，以裝船機為基站，對靠港船只的位姿信息進行監(jiān)測，通過感知貨物堆疊過程中的動態(tài)輪廓特征信息，實現(xiàn)船體位姿信息估計，并以此為系統(tǒng)輸入，結(jié)合物料傳輸速率參數(shù)，構(gòu)建并求解代價函數(shù)，實現(xiàn)船體移動軌跡優(yōu)化。

1.2 裝船機底層架構(gòu)控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)設計

裝船機的底層架構(gòu)工業(yè)控制部分，是保證其安全平穩(wěn)運行的基礎，也是后端實現(xiàn)功能拓展的先決條件。本項目將研發(fā)裝船機驅(qū)動子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡子系統(tǒng)與PLC控制子系統(tǒng)。同時，設計控制系統(tǒng)變頻軟件，根據(jù)實際需求在合理位置設計各類近似開關(guān)和傳感器，作為保護信號輸入源，PLC控制部分分為聯(lián)控、單控與就地3種模式，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能連鎖功能，避免物料堵塞、爆炸等生產(chǎn)事故的產(chǎn)生。

1.3 裝船機多組態(tài)一體化集散控制系統(tǒng)設計

裝船機散貨裝卸集成了多個控制對象，是一個典型的工業(yè)過程控制系統(tǒng)。目前，各控制系統(tǒng)多采用“計算機監(jiān)測+人工控制”的操作模式，即根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)顯示信息手動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，各系統(tǒng)之間相互獨立，維護難度大，控制精度不高。為此，本項目將利用集散控制技術(shù)，將中央計算機、網(wǎng)絡通信、子控制系統(tǒng)統(tǒng)一融合集中，并設計具體的控制策略，解決目前裝船機功能單一、操作分散的問題。

1.4 面向散貨裝卸過程的工業(yè)大數(shù)據(jù)建模與挖掘

散貨裝卸過程包含多個動態(tài)對象，在一體化集散控制系統(tǒng)中，實時獲取被控對象數(shù)據(jù)的規(guī)模將大幅提升，這些高頻率的實時數(shù)據(jù)蘊含非常有價值的工業(yè)過程信息，對保障裝船機的安全運行、效率提升至關(guān)重要。本項目擬采用分布式并行結(jié)構(gòu)框架，對裝船過程的工業(yè)數(shù)據(jù)進行工業(yè)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，采用貝葉斯全概率融合算法，進行數(shù)據(jù)驅(qū)動建模，解析出有價值的高階信息，為進一步的裝船質(zhì)量預報、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點創(chuàng)建奠定基礎。

2 重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 雷達與視覺圖像時間序列同步與關(guān)鍵特征提取問題

激光雷達與視覺設備在工作方式、采樣效率、成像結(jié)構(gòu)方面存在較大差異，一種是以灰度值構(gòu)成的紋理圖像，另一種是由回波強度構(gòu)成的點云圖像。船體由于自身晃動，散貨表面成像非結(jié)構(gòu)化會造成圖像畸變，特征提取困難。如何將兩種傳感器獲取的環(huán)境信息進行時間序列同步，有效融合并提取關(guān)鍵的圖像特征信息，構(gòu)建運動軌跡點云，完成運動估計與路徑優(yōu)化是本項目要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2.2 裝船機控制系統(tǒng)在線建模與優(yōu)化控制問題

裝船機集散控制系統(tǒng)存在多節(jié)點分布特點，在裝船過程中，由于工作情況不同，各節(jié)點的數(shù)據(jù)產(chǎn)生形式存在較大差異，固定控制模型無法滿足其動態(tài)變化需求。因此，如何根據(jù)不同節(jié)點I/O接口中的數(shù)據(jù)實時構(gòu)建子系統(tǒng)的控制模型，通過優(yōu)化控制方法計劃調(diào)度命令指標，產(chǎn)生底層控制回路的反饋信息，以實現(xiàn)裝船機高精度控制是本項目要解決的重要技術(shù)問題。

2.3 裝船機分布式并行數(shù)據(jù)建?？蚣茉O計

在散貨裝卸過程中，不同的執(zhí)行機構(gòu)組件會產(chǎn)生多樣化的龐大數(shù)據(jù)，需要通過機器學習算法來挖掘大規(guī)模裝船數(shù)據(jù)集中的有用信息，以確定無法通過物理測量直接獲取的變量參數(shù)，如故障診斷信息、能耗系數(shù)信息。而隨著數(shù)據(jù)量的積累，數(shù)據(jù)驅(qū)動建模面臨繁重的計算負擔，如何將沉重的計算負擔轉(zhuǎn)化為并行化的小規(guī)模任務進行處理，是本項目必須解決的重要技術(shù)問題。

3 項目特色及創(chuàng)新

3.1 通用型自動化可變導料裝置模塊設計研發(fā)

在裝船機裝卸料過程中，需要根據(jù)物料特征調(diào)整倒料板傾角，傳統(tǒng)方式是通過人工調(diào)整倒料板傾角并重復安裝倒料板，費時費力。本項目通過計算機建模數(shù)值分析技術(shù)，將用于引導卸料的導料板兩端分別鉸接在兩個驅(qū)動機構(gòu)上，且可豎直翻轉(zhuǎn)，解決了導料板傾斜角度固定無法滿足不同物料的卸料需求的問題。同時，設置了輔助卸料裝置進一步提高卸料效率，降低堵塞的可能性，實現(xiàn)導料裝置的模塊化管理。

3.2 基于PLC變頻與計算機集散控制的裝船機系統(tǒng)一體化設計

在裝船過程中，系統(tǒng)執(zhí)行對象有皮帶輪、導料裝置、裝船機本體等多個設備機構(gòu)，傳統(tǒng)作業(yè)過程中，各個設備的控制往往獨立運行，協(xié)作效率低，不能實現(xiàn)相互配合。本項目以單片機作為測控中心的控制系統(tǒng)和數(shù)字PID控制策略，利用可編程控制器（PLC）和組態(tài)軟件實現(xiàn)帶式輸送設備的自動化運行。利用計算機集散控制技術(shù)，以可編程控制器作為下位機，進行現(xiàn)場監(jiān)控，在上位機中利用組態(tài)軟件實現(xiàn)對帶式輸送設備的實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)控制一體化功能。

3.3 基于系統(tǒng)能耗因素建模的自動感應式帶式輸送設備控制器設計

帶式輸送設備的運轉(zhuǎn)速度和啟?？刂剖潜Ｕ衔锪喜怀霈F(xiàn)漏撒的關(guān)鍵，傳統(tǒng)開關(guān)式控制無法實現(xiàn)該裝置的平穩(wěn)啟停。本項目通過對影響帶式輸送設備系統(tǒng)能耗的因素建模，利用重力傳感器等實時監(jiān)測輸送量和速度數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法構(gòu)建了輸送速度、負載模糊控制器模型，最終設計了帶式輸送設備智能調(diào)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了帶式輸送設備可根據(jù)運行狀態(tài)進行反饋的智能啟停、休眠等功能。

3.4 裝船機環(huán)保輔助裝飾設計與工藝研發(fā)

針對傳統(tǒng)散貨裝船過程中，散貨揚塵、環(huán)境惡劣的問題，本項目通過在車輛卸料棚頂部和伸縮溜筒頂部增設除塵通道，將輸運過程中的揚塵通過除塵通道傳送至脈沖布袋除塵器中進行除塵處理，并對車斗進行封口，在封口過程中進行初次噴淋，在卸料過程中進行二次噴淋，實現(xiàn)了裝船過程中的除塵、降塵功能，同時可以實現(xiàn)廢料的回收功能。車輛卸料棚頂部和伸縮溜筒上的除塵機構(gòu)如圖1所示，車斗封口除塵及初次與二次噴淋除塵機構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)語

本文研發(fā)的自動化環(huán)保型伸縮變幅裝船機可加速我國裝船機產(chǎn)品升級換代以及2 000～5 000 t內(nèi)河裝船機市場的重新定位，加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，解決內(nèi)河港口裝卸貨物效率低、成本高、勞動強度大、工作環(huán)境惡劣、智能化程度低，而進口裝備兼容性差、售價高、維護成本高等問題，填補了國內(nèi)該領(lǐng)域高端裝備稀缺的空白，符合國家環(huán)保和智能發(fā)展戰(zhàn)略要求。

圖1 車輛卸料棚頂部和伸縮溜筒上的除塵機構(gòu)

圖2 車斗封口除塵及初次與二次噴淋除塵機構(gòu)