港口儲(chǔ)配煤基地自動(dòng)化控制系統(tǒng)的探索與應(yīng)用

宋英麟，孫 魯，張樹(shù)元

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

在煤焦鋼產(chǎn)業(yè)鏈上，圍繞煉焦煤使用，有兩對(duì)矛盾已非常突出。第一對(duì)矛盾是環(huán)保要求趨嚴(yán)和國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)煉焦煤的硫份含量走高，第二對(duì)矛盾是依賴(lài)性和稀缺性的矛盾。以前鋼鐵工業(yè)布局的思路是：內(nèi)地控制、沿江適度、沿海放開(kāi)[1-2]?，F(xiàn)在，在供給側(cè)改革的大背景下，內(nèi)地小型鋼鐵企業(yè)大量拆除，新的長(zhǎng)江三公里經(jīng)濟(jì)帶的理念是要把工業(yè)逐步退出，大型鋼鐵企業(yè)、大型煉鐵高爐在沿海布局的數(shù)量在增加，速度在加快，對(duì)優(yōu)質(zhì)煉焦煤的依賴(lài)度在逐步提升。同時(shí)，優(yōu)質(zhì)煉焦煤在本來(lái)很有限的基礎(chǔ)上更加稀缺。這兩對(duì)矛盾的四個(gè)要素，客觀(guān)存在，持續(xù)顯現(xiàn)，已經(jīng)影響到了煤焦鋼產(chǎn)業(yè)鏈的平穩(wěn)運(yùn)行，需通過(guò)在沿海港口新建配煤基地適度緩減[3-5]。

1 配煤基地項(xiàng)目概述

本文以山西焦煤煤焦銷(xiāo)售有限公司日照配煤基地項(xiàng)目為依托，該工程為國(guó)內(nèi)首個(gè)沿海港口焦煤儲(chǔ)配煤基地項(xiàng)目。項(xiàng)目滿(mǎn)足國(guó)家環(huán)保政策的要求，符合國(guó)家在沿海布局鋼鐵企業(yè)的整體規(guī)劃，抓住了國(guó)家鐵路增量和日照港東煤南移的良機(jī)，對(duì)稀缺資源有積極的保護(hù)作用，有利于煤焦鋼產(chǎn)業(yè)鏈的平穩(wěn)運(yùn)行，促進(jìn)煤、港、鋼的深度融合[6-8]。

本項(xiàng)目圍繞實(shí)施單一煤種精確混配作業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，焦煤配煤產(chǎn)品主要定位為中低硫焦肥煤為主。工藝系統(tǒng)要求配煤精準(zhǔn)、質(zhì)量穩(wěn)定，配置新產(chǎn)品的精確度質(zhì)量不低于煉焦廠(chǎng)內(nèi)配煤精確度，可以滿(mǎn)足啟用全新產(chǎn)品標(biāo)識(shí)進(jìn)入市場(chǎng)的需要。其裝卸及配煤工藝系統(tǒng)由鐵路卸車(chē)系統(tǒng)、碼頭卸船系統(tǒng)、碼頭裝船系統(tǒng)、配煤系統(tǒng)、配前煤及配后煤堆場(chǎng)堆存系統(tǒng)和成品煤炭全分析系統(tǒng)組成。其中鐵路卸車(chē)系統(tǒng)、碼頭裝船系統(tǒng)利用日照港東煤南移工程設(shè)施；碼頭卸船系統(tǒng)利用14#-15#泊位卸船設(shè)施；配前煤堆場(chǎng)堆存系統(tǒng)利用日照港東煤南移工程設(shè)施。裝卸及配煤工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與日照港東煤南移工程的鐵路卸車(chē)堆存系統(tǒng)、船舶裝卸系統(tǒng)、堆場(chǎng)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。其裝卸及配煤工藝設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了項(xiàng)目要求的3個(gè)重要功能，即煉焦煤配制功能（生產(chǎn)系列化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，同時(shí)滿(mǎn)足個(gè)性化定制，達(dá)到用戶(hù)最終原料煤要求，系統(tǒng)按年配煤量1 000萬(wàn)t進(jìn)行設(shè)計(jì)）、成品煤堆存功能以及成品煤質(zhì)檢分析功能。

本項(xiàng)目焦煤配煤采用配煤筒倉(cāng)方式。根據(jù)配煤采用的品種數(shù)量及比例的需求，設(shè)配煤倉(cāng)共6座，每座筒倉(cāng)容量5 000 t，排成一列。按照每批次配煤總量要求，各規(guī)格原料焦煤分別裝入配煤筒倉(cāng)，根據(jù)焦煤配煤比例同時(shí)出倉(cāng)，落料至筒倉(cāng)下面的稱(chēng)量皮帶機(jī)，根據(jù)稱(chēng)量皮帶機(jī)流量的實(shí)時(shí)反饋，調(diào)整給料機(jī)的出料速度，單種焦煤通過(guò)稱(chēng)量皮帶落下匯集到主系統(tǒng)帶式輸送機(jī)上，配合好的混煤在帶式輸送機(jī)多次轉(zhuǎn)接過(guò)程和堆入堆場(chǎng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)混合均勻。每批次配煤每個(gè)筒倉(cāng)所存儲(chǔ)原料煤一般不同，則需要將上一批次配煤后剩余原料煤排出，以確保下一批次配煤的精度。每次配煤結(jié)束后，分別將若干座筒倉(cāng)內(nèi)的剩余原料煤排出，并暫分垛堆在成品煤堆場(chǎng)內(nèi)，然后采用單斗裝載機(jī)配合自卸汽車(chē)將剩余煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)有日照港東煤南移工程堆場(chǎng)堆存。

2 港口自動(dòng)化配煤控制系統(tǒng)

自動(dòng)化配煤控制系統(tǒng)由PLC、控制系統(tǒng)服務(wù)器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、監(jiān)控工作站及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和配煤系統(tǒng)軟件組成，實(shí)現(xiàn)不同煤質(zhì)經(jīng)數(shù)字化配煤系統(tǒng)運(yùn)行后而達(dá)到性?xún)r(jià)比最優(yōu)的配置。根據(jù)工藝流程控制要求，本系統(tǒng)主要完成原料焦煤進(jìn)倉(cāng)配煤流程、堆場(chǎng)自動(dòng)堆取料流程、成品焦煤出堆場(chǎng)裝船流程及與依托項(xiàng)目的流程連鎖控制等內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

2.1 原料焦煤進(jìn)倉(cāng)配煤流程

原料焦煤進(jìn)倉(cāng)配煤流程，通過(guò)日照港東煤南移工程的堆場(chǎng)帶式輸送機(jī)或翻車(chē)線(xiàn)帶式輸送機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)接機(jī)房接至帶式輸送機(jī)，再經(jīng)轉(zhuǎn)接機(jī)房轉(zhuǎn)接至筒倉(cāng)倉(cāng)頂帶式輸送機(jī)由倉(cāng)頂卸料小車(chē)按每批次配煤總量要求，不同規(guī)格原料煤分別卸入配煤筒倉(cāng)，控制系統(tǒng)按工藝流程設(shè)定的配煤裝倉(cāng)量完成原料煤進(jìn)筒倉(cāng)流程作業(yè)。卸料小車(chē)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人操作?？刂剖彝ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)以太網(wǎng)通訊及硬線(xiàn)連鎖與卸料小車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和信號(hào)傳輸。卸料小車(chē)走行定位采用APON、編碼器、位置限位開(kāi)關(guān)等多種定位方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)卸料小車(chē)的精確定位控制。

筒倉(cāng)出料為4 個(gè)出料口，分別配置4 臺(tái)雙調(diào)節(jié)給料系統(tǒng)，兩個(gè)出料口對(duì)應(yīng)一條倉(cāng)底皮帶機(jī)，每個(gè)筒倉(cāng)下布置兩臺(tái)皮帶機(jī)，每臺(tái)給料系統(tǒng)配置一臺(tái)高精度皮帶秤。為了保證計(jì)量的精度和可靠性，配料系統(tǒng)使用雙通道電子配料秤。前后兩個(gè)稱(chēng)重單元（通道）相互檢測(cè)，可及時(shí)超差報(bào)警，故障時(shí)切換至任一通道仍能正常工作；稱(chēng)重傳感器選用精度為0.02 級(jí)的高精度、高穩(wěn)定性稱(chēng)重傳感器，并帶有傳感器過(guò)載保護(hù)裝置。

中央控制室依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的筒倉(cāng)配煤方案及焦煤配制比例要求，自動(dòng)控制各倉(cāng)底配煤給料機(jī)的出料速度(出倉(cāng)給定量)，保證筒倉(cāng)出料量按配比要求精準(zhǔn)出料。筒倉(cāng)出料過(guò)程中，當(dāng)有筒倉(cāng)出料量大于或小于設(shè)定出料量時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)倉(cāng)底高精度皮帶秤的實(shí)時(shí)稱(chēng)量信號(hào)反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整給料機(jī)的給定頻率和下料板角度的調(diào)節(jié)，使物料在非結(jié)堵?tīng)顟B(tài)下達(dá)到按要求隨意調(diào)整出料力，保證給料機(jī)能實(shí)現(xiàn)最佳的出料量控制。實(shí)現(xiàn)倉(cāng)底出料的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，保證配煤量的精準(zhǔn)控制。按流程控制要求筒倉(cāng)原料煤出倉(cāng)落料至筒倉(cāng)下部的稱(chēng)量皮帶機(jī)，筒倉(cāng)單種煤通過(guò)稱(chēng)量皮帶落下匯集到主系統(tǒng)倉(cāng)底帶式輸送機(jī)上，通過(guò)轉(zhuǎn)接機(jī)房轉(zhuǎn)接后進(jìn)入成品堆場(chǎng)，完成原料煤進(jìn)倉(cāng)配煤流程作業(yè)(集港流程)。

配煤流程中在進(jìn)倉(cāng)線(xiàn)帶式輸送機(jī)設(shè)置進(jìn)倉(cāng)采制樣裝置，在出倉(cāng)線(xiàn)帶式輸送機(jī)設(shè)置出倉(cāng)采制樣裝置。兩套采制樣裝置分別對(duì)進(jìn)倉(cāng)、出倉(cāng)原料煤進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)采樣。采制樣系統(tǒng)與進(jìn)倉(cāng)配煤流程系統(tǒng)連鎖控制。

圖1 筒倉(cāng)配煤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于煤具有自熱自燃的特點(diǎn)，加上筒倉(cāng)在工藝設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)，使得筒倉(cāng)儲(chǔ)煤也存在著很大的安全隱患。筒倉(cāng)靠近側(cè)壁的位置容易造成煤的堆積造成死角，此處的積煤長(zhǎng)期與空氣接觸后會(huì)產(chǎn)生自燃。自燃產(chǎn)生的熱量會(huì)直接作用在筒倉(cāng)側(cè)壁，使得側(cè)壁的強(qiáng)度降低，造成極大的安全隱患。為避免此種發(fā)生此種隱患，本項(xiàng)目設(shè)置一套筒倉(cāng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，筒倉(cāng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及聯(lián)鎖控制設(shè)備等部分組成。每個(gè)筒倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有雷達(dá)料位計(jì)、高低料位計(jì)、筒倉(cāng)儲(chǔ)煤溫度檢測(cè)和倉(cāng)內(nèi)可燃及有毒氣體(CO 及CH4 等)檢測(cè)器等檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)儀表。本工程在倉(cāng)頂房?jī)?nèi)設(shè)置獨(dú)立的筒倉(cāng)安全監(jiān)測(cè)站全面監(jiān)測(cè)筒倉(cāng)狀態(tài)，保證筒倉(cāng)儲(chǔ)煤安全。

配煤流程完成后，筒倉(cāng)剩余原料煤排出至成品煤堆場(chǎng)，然后采用單斗裝載機(jī)配合自卸汽車(chē)將剩余煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)至原來(lái)的日照港東煤南移工程堆場(chǎng)堆存。

2.2 堆場(chǎng)自動(dòng)堆取料流程

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)堆、取料機(jī)都是由人工進(jìn)行操作。在生產(chǎn)作業(yè)中，受限于人工操作水平限制，生產(chǎn)作業(yè)效率較低，而且作業(yè)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作環(huán)境差，人員成本較高。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目火車(chē)卸船、堆場(chǎng)堆存、碼頭裝卸船作業(yè)所依托的日照港東煤南移工程已按照堆場(chǎng)堆、取料系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)全自動(dòng)化設(shè)計(jì)實(shí)施。本項(xiàng)目成品煤堆場(chǎng)堆、取料系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)按照全自動(dòng)化進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目堆場(chǎng)配置1 臺(tái)堆料機(jī)、1 臺(tái)取料機(jī)，大機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制后，可使項(xiàng)目投產(chǎn)后能大大提升生產(chǎn)作業(yè)穩(wěn)定性，改善工作人員作業(yè)環(huán)境，提能增效，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，保持建成后的煤碼頭在整體自動(dòng)化作業(yè)管理水平具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

本項(xiàng)目利用現(xiàn)代通訊技術(shù)，采用有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)通信結(jié)合的方式，建立中控與地面大機(jī)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路，完成中控室與現(xiàn)場(chǎng)大型設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換信息共享，實(shí)現(xiàn)PLC 控制指令的下發(fā)等功能。堆/取料機(jī)通過(guò)在斗輪左右兩側(cè)安裝激光掃描裝置的方式獲取堆場(chǎng)料堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到中控?zé)o人化圖像服務(wù)器中,并通過(guò)中控室處理器運(yùn)算處理后建立三維堆場(chǎng)模型，實(shí)現(xiàn)料堆的三維成像。堆場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)依靠準(zhǔn)確的三維模型數(shù)據(jù)，計(jì)算出料堆作業(yè)切入點(diǎn)，控制堆取料機(jī)進(jìn)行作業(yè)。

自動(dòng)堆料作業(yè)時(shí)，堆料機(jī)收到中控下達(dá)的自動(dòng)堆料命令，機(jī)上PLC 控制堆料機(jī)自動(dòng)完成作業(yè)定位并自動(dòng)進(jìn)行堆料作業(yè)。自動(dòng)取料作業(yè)前，操作人員需手動(dòng)駕駛?cè)×蠙C(jī)對(duì)料堆進(jìn)行表面的測(cè)距數(shù)據(jù)采集，完成料堆三維模型數(shù)據(jù)更新。自動(dòng)取料作業(yè)時(shí)，取料機(jī)收到中控下達(dá)的自動(dòng)取料指令，機(jī)上PLC 控制取料機(jī)自動(dòng)完成作業(yè)定位并自動(dòng)進(jìn)行取料作業(yè)。系統(tǒng)還具有取料流量的恒定控制功能，通過(guò)實(shí)時(shí)采集取料驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流，利用電流與流量間的關(guān)系控制堆取料機(jī)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度，達(dá)到控制取料流量的目的。此外，為防止大型堆取料設(shè)備作業(yè)時(shí)發(fā)生碰撞，在大機(jī)懸臂兩側(cè)安裝防碰撞激光掃描裝置，激光掃描裝置的控制信號(hào)直接傳入本地PLC。本項(xiàng)目在中控室中設(shè)置遠(yuǎn)程操作手柄，操作人員通過(guò)手柄可遠(yuǎn)程直接操作堆、取料車(chē)的動(dòng)作。

2.3 成品煤裝船流程

中控室根據(jù)裝船計(jì)劃制定裝船流程，成品煤堆場(chǎng)已配好的原料煤經(jīng)堆場(chǎng)取料機(jī)取料至BD1 帶式輸送機(jī)，通過(guò)TP2 轉(zhuǎn)接機(jī)房轉(zhuǎn)接至BJ6 帶式輸送機(jī)，在TP1 轉(zhuǎn)接機(jī)房經(jīng)3 工位伸縮頭根據(jù)已設(shè)定的流程分配至裝船線(xiàn)2-1、2-2、2-4 帶式輸送機(jī)，經(jīng)JF1轉(zhuǎn)接機(jī)房分別轉(zhuǎn)接至碼頭1-1、1-2、1-3 帶式輸送機(jī)后通過(guò)SL1、SL2、SL3 裝船機(jī)完成成品煤裝船流程作業(yè)。流程中帶式輸送機(jī)2-4、1-3、SL3 裝船機(jī)的裝船流程為預(yù)留流程。

圖2 配煤基地項(xiàng)目工藝流程圖

2.4 項(xiàng)目的連鎖控制

1)配煤流程與東煤南移帶式輸送機(jī)的連鎖控制

按照配煤作業(yè)流程計(jì)劃，配煤流程設(shè)備按逆料流設(shè)備啟動(dòng)，流程啟動(dòng)完成后輸出流程啟動(dòng)備妥信號(hào)給東煤南移控制系統(tǒng)，東煤南移帶式輸送機(jī)啟動(dòng)，并按工藝流程逆料流啟動(dòng)相應(yīng)工藝設(shè)備，配煤流程開(kāi)始作業(yè)。

配煤流程結(jié)束時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出流程結(jié)束信號(hào)，東煤南移控制系統(tǒng)按流程控制要求順料流停止流程工藝設(shè)備及帶式輸送機(jī)，并發(fā)出帶式輸送機(jī)停機(jī)信號(hào)，此時(shí)，配煤流程工藝設(shè)備按順料流方向順序停止設(shè)備。

2)配煤流程與東煤南移裝船系統(tǒng)連鎖控制

按照配煤作業(yè)裝船流程計(jì)劃，根據(jù)裝船計(jì)劃按逆料流啟動(dòng)裝船線(xiàn)工藝設(shè)備，待配煤裝船流程的下游裝船機(jī)、帶式輸送機(jī)2-1 或2-2(2-4 預(yù)留)啟動(dòng)后，配煤控制系統(tǒng)接收到東煤南移工藝系統(tǒng)下游帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)備妥信號(hào)后開(kāi)始啟動(dòng)配煤裝船流程工藝設(shè)備，設(shè)備啟動(dòng)前設(shè)于BJ1 轉(zhuǎn)接機(jī)房的3 工位伸縮頭需運(yùn)行至所選裝船流程帶式輸送機(jī)的位置。配煤裝船流程逆煤流啟動(dòng)，流程設(shè)備BJ6、BQ1 帶式輸送機(jī)、取料機(jī)順序啟動(dòng)，此時(shí)，完成配煤裝船流程作業(yè)。

配煤裝船流程運(yùn)行結(jié)束時(shí)，配煤控制系統(tǒng)發(fā)出裝船流程結(jié)束指令給東煤南移控制系統(tǒng)，配煤裝船流程設(shè)備待排清帶式輸送機(jī)的物料后，順料流方向停止取料機(jī)的取料作業(yè)、順序停止BQ1 帶式輸送機(jī)、BJ6 帶式輸送機(jī)。同時(shí)給東煤南移控制系統(tǒng)發(fā)出BJ6 帶式輸送機(jī)停止運(yùn)行信號(hào)(或裝船流程設(shè)備停止運(yùn)行信號(hào))后，裝船線(xiàn)2-1 或2-2(2-4 預(yù)留)、1-2或1-1(1-3 預(yù)留)帶式輸送機(jī)、SL2 或SL1(SL3 預(yù)留)裝船機(jī)等設(shè)備順序停止，裝船流程作業(yè)結(jié)束。

3 結(jié)語(yǔ)

港口自動(dòng)化配煤控制系統(tǒng)的應(yīng)用將顯著提升港口儲(chǔ)配煤基地運(yùn)營(yíng)的自動(dòng)化水平，提升港口作業(yè)效率，改善操作人員的工作環(huán)境，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少運(yùn)營(yíng)人力成本，進(jìn)一步促進(jìn)港口儲(chǔ)配煤基地向智能、精細(xì)、綠色環(huán)保的方向發(fā)展。本工程自動(dòng)化配煤控制系統(tǒng)的應(yīng)用為后續(xù)相似工程提供了可行經(jīng)驗(yàn)。