干散貨碼頭皮帶流程智能巡檢系統(tǒng)

楊廷帥 楊洪錫 趙 磊 劉 強(qiáng) 嵇境超 王欽斌

山東港口集團(tuán)青島港國(guó)際股份有限公司前港分公司

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)各類礦石等干散貨的進(jìn)口需求日益增加，皮帶機(jī)作為干散貨港口運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其安全、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)是干散貨碼頭的命脈所在[1]。干散貨碼頭作業(yè)區(qū)域大，上百條皮帶機(jī)組成龐大的流程網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)作業(yè)繁忙時(shí)，需要安排巡檢員調(diào)整轉(zhuǎn)載漏斗擋板進(jìn)行流程切換作業(yè)。巡檢員需在皮帶流程與轉(zhuǎn)載樓間往復(fù)作業(yè)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等問(wèn)題。

現(xiàn)階段，干散貨碼頭輸運(yùn)特殊貨種(粘濕貨種、大塊貨物等)的數(shù)量日益增加。在特殊貨種裝卸過(guò)程中，需要巡檢員定點(diǎn)監(jiān)護(hù)皮帶流程運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)出現(xiàn)皮帶跑偏、物料灑漏、漏斗磨損等問(wèn)題時(shí)及時(shí)處置，避免影響生產(chǎn)效率。同時(shí)為避免皮帶機(jī)等設(shè)備由于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)造成疲勞損壞，需要巡檢員定期檢查驅(qū)動(dòng)部位的異常磨損和發(fā)熱等問(wèn)題。在巡檢員檢查設(shè)備過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)徹底的人機(jī)分離，存在較大的安全隱患[2]。

2 皮帶流程監(jiān)護(hù)存在問(wèn)題

2.1 環(huán)保抑塵與節(jié)約用水問(wèn)題

由于干散貨碼頭作業(yè)區(qū)域較大，進(jìn)行物料裝車或裝船等作業(yè)時(shí)，物料需途經(jīng)多條皮帶流程，在此過(guò)程中，極易產(chǎn)生揚(yáng)塵造成空氣污染。現(xiàn)階段，干散貨碼頭針對(duì)揚(yáng)塵問(wèn)題，通常采用灑水方式進(jìn)行抑塵作業(yè)。抑塵作業(yè)時(shí)需要巡檢員在流程沿線揚(yáng)塵嚴(yán)重區(qū)域或貨物堆場(chǎng)手動(dòng)開啟灑水管路開關(guān)，巡檢員長(zhǎng)時(shí)間暴露在揚(yáng)塵區(qū)，工作環(huán)境惡劣。同時(shí)由于不同堆場(chǎng)的灑水開關(guān)位置不統(tǒng)一，巡檢員無(wú)法及時(shí)關(guān)閉灑水管路開關(guān)，常造成水資源浪費(fèi)。

北方港口冬季運(yùn)輸物料時(shí)，因天氣嚴(yán)寒，含水量較大的物料在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中經(jīng)常凍結(jié)在滾筒表面形成凍瘤。同時(shí)由于氣溫低，導(dǎo)致皮帶塑性下降，隨著凍瘤不斷變大，常發(fā)生皮帶撕裂問(wèn)題，嚴(yán)重危害設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)安全。目前，針對(duì)凍瘤問(wèn)題，干散貨碼頭通常安排巡檢員在凍瘤易形成處噴灑防凍液，這種方法雖然有效減少了凍瘤的形成，但存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)港口繁忙的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境[3]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)任務(wù)重

干散貨碼頭進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)皮帶跑偏、皮帶損傷、漏斗堵塞、漏斗破損、物料灑漏等問(wèn)題，需要巡檢人員現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即處置，避免影響生產(chǎn)進(jìn)程。同時(shí)港區(qū)生產(chǎn)流程轉(zhuǎn)換頻繁，還需巡檢人員在轉(zhuǎn)載機(jī)房?jī)?nèi)操作翻板進(jìn)行流程轉(zhuǎn)換等作業(yè)，巡檢員在皮帶流程與轉(zhuǎn)載樓間來(lái)回穿梭，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在安全隱患[4]。

2.3 設(shè)備檢查工作量大

干散貨碼頭設(shè)備安全防護(hù)水平較低，多達(dá)上萬(wàn)個(gè)滾筒軸承、減速箱、電機(jī)等運(yùn)轉(zhuǎn)部件均采用人工點(diǎn)檢方式進(jìn)行檢查。巡檢機(jī)進(jìn)行設(shè)備檢查時(shí)，需要使用測(cè)溫槍檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)部位溫度情況，并通過(guò)人工觸摸方式確定設(shè)備內(nèi)部有無(wú)異常振動(dòng)。此類設(shè)備檢查方式存在效率低、誤差較大等缺點(diǎn)。同時(shí),由于不能將常年檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與分析,確定設(shè)備磨損趨勢(shì)，進(jìn)而無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)控管理[5]。

2.4 人工成本高

干散貨碼頭作業(yè)繁忙，由于皮帶機(jī)等作業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度低，大部分工作需要人工完成，對(duì)人力依賴性強(qiáng)。同時(shí),由于碼頭作業(yè)環(huán)境差、戶外作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在人員流失嚴(yán)重、補(bǔ)員困難等問(wèn)題，導(dǎo)致人工成本日益增加，嚴(yán)重制約干散貨碼頭發(fā)展。

3 智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

根據(jù)干散貨碼頭作業(yè)環(huán)境及設(shè)備情況，借助PLC控制技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)等多種信息化手段，研發(fā)智能流程作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能設(shè)備監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將三者互聯(lián)互通，建立智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)組成

3.1 智能流程作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)

在干散貨碼頭皮帶流程沿線的關(guān)鍵部位安裝數(shù)百個(gè)高清攝像頭，借助工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將全部攝像頭接入干散貨碼頭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行干散貨碼頭流程作業(yè)關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)護(hù)作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，在滾筒驅(qū)動(dòng)及其他設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，加裝人員識(shí)別系統(tǒng)和語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)。巡檢員進(jìn)入設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，高清攝像頭自動(dòng)識(shí)別人臉，現(xiàn)場(chǎng)音響立即播放警示語(yǔ)音，提醒巡檢員注意安全。

3.1.2 無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)

為了彌補(bǔ)智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)干散貨碼頭的覆蓋面不全面問(wèn)題，采用無(wú)人機(jī)技術(shù)，定時(shí)巡視各個(gè)作業(yè)區(qū)域。通過(guò)在無(wú)人機(jī)機(jī)架處加裝高清攝像頭和三維掃描雷達(dá)，對(duì)干散貨碼頭進(jìn)行圖片采集和三維模型掃描，運(yùn)用合成系統(tǒng)將采集的圖片與掃描的三維模型相擬合，生成整個(gè)干散貨碼頭的三維形貌圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)干散貨碼頭的全方位監(jiān)控，動(dòng)態(tài)掌控作業(yè)區(qū)域人員、設(shè)備、貨垛的情況(見(jiàn)圖2)。同時(shí)借助合成系統(tǒng)中的質(zhì)量計(jì)算模塊，根據(jù)貨垛三維模型和貨物比重、含水量等相關(guān)參數(shù)，可準(zhǔn)確計(jì)算出單個(gè)貨垛的貨物質(zhì)量，為堆場(chǎng)管理提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 港區(qū)三維形貌圖

3.2 智能控制系統(tǒng)

3.2.1 翻板遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

為避免巡檢員上下攀爬轉(zhuǎn)載樓調(diào)整翻板進(jìn)行流程轉(zhuǎn)換作業(yè)，借助PLC控制技術(shù)，編寫遠(yuǎn)程控制程序，將PLC控制程序接入翻板控制系統(tǒng)，建立翻板遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)?；诠I(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將翻板遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接入干散貨碼頭內(nèi)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行翻板控制作業(yè)，降低了巡檢員進(jìn)行流程轉(zhuǎn)換作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。為了確保翻板遠(yuǎn)程控制的準(zhǔn)確性，在翻板動(dòng)力缸對(duì)面加裝高清攝像頭，在監(jiān)控室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控翻板狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況可及時(shí)處置，避免因翻板控制系統(tǒng)失效造成設(shè)備隱患。

3.2.2 灑水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

灑水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)在港區(qū)原有灑水管路基礎(chǔ)上，加裝防凍液噴灑管路，并使用電磁閥控制替代手動(dòng)開關(guān)，借助PLC控制技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將電磁閥開關(guān)控制系統(tǒng)接入干散貨碼頭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)灑水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。巡檢員可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)其他作業(yè)人員反饋的揚(yáng)塵區(qū)域和易形成凍瘤的滾筒區(qū)域，選擇指定水槍進(jìn)行灑水抑塵和防凍液噴灑作業(yè)，有效解決揚(yáng)塵和凍瘤問(wèn)題，大大提高作業(yè)效率，并解決灑水開關(guān)不及時(shí)的問(wèn)題，節(jié)約了水資源。

同時(shí)，為提高灑水噴淋控制系統(tǒng)使用的便攜性，基于JAVA技術(shù)，開發(fā)了灑水噴淋控制系統(tǒng)手機(jī)APP，巡檢員可使用手機(jī)操縱指定位置的灑水設(shè)備進(jìn)行灑水噴淋作業(yè)，操作更加便捷。

3.2.3 皮帶糾偏遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

干散貨碼頭進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，由于物料比重、物料體積、物料含水量等參數(shù)不同，在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)載漏斗時(shí)，物料的落料點(diǎn)存在較大差異，若不及時(shí)調(diào)整皮帶機(jī)位置，將導(dǎo)致物料在皮帶流程中偏載進(jìn)而造成皮帶跑偏、物料灑漏等問(wèn)題。現(xiàn)階段，干散貨碼頭常用手動(dòng)鏈條式糾偏托輥進(jìn)行皮帶機(jī)位置調(diào)整，該裝置需要巡檢員拽動(dòng)鐵鏈進(jìn)行位置調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且調(diào)整精度低。

在現(xiàn)有手動(dòng)鏈條式糾偏托輥基礎(chǔ)上，對(duì)糾偏裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加裝電動(dòng)推桿代替鏈條，并將電動(dòng)缸控制系統(tǒng)接入港區(qū)內(nèi)網(wǎng)，在接收到跑偏信號(hào)后，遠(yuǎn)程控制電動(dòng)缸推桿調(diào)整糾偏托輥位置，及時(shí)糾正皮帶跑偏，防止物料灑漏。

3.2.4 皮帶防撕裂系統(tǒng)

干散貨碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)貨種種類繁多，部分貨種體積較大且有明顯棱角，對(duì)皮帶機(jī)沖擊性較強(qiáng)，在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)過(guò)程中，易造成皮帶撕裂，若停機(jī)不及時(shí)，撕裂部分不斷擴(kuò)大，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的物料灑漏，對(duì)皮帶機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害。

皮帶防撕裂系統(tǒng)由防撕裂拉線裝置和回程落料擋板裝置組成(見(jiàn)圖3)。當(dāng)存在利物穿透皮帶隨皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利物會(huì)拉動(dòng)皮帶機(jī)承載托輥下方設(shè)置的防撕裂拉線，皮帶機(jī)將自動(dòng)報(bào)警并立即急停，防止皮帶進(jìn)一步損傷；當(dāng)皮帶因物料沖擊而破損時(shí)，物料會(huì)從皮帶撕裂處灑落到回程皮帶表面，灑落的物料推動(dòng)回程落料擋板擺動(dòng)，傳感器接受擋板擺動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)反饋于皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，發(fā)出報(bào)警并自動(dòng)急停。通過(guò)以上兩種裝置，可在皮帶撕裂時(shí)及時(shí)報(bào)警急停，有效減少皮帶撕裂。

圖3 回程落料擋板裝置

3.3 智能設(shè)備監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

3.3.1 光纖測(cè)溫系統(tǒng)

原干散貨碼頭針對(duì)流程沿線電纜、驅(qū)動(dòng)滾筒、減速箱、電機(jī)軸承等轉(zhuǎn)動(dòng)部位因異常磨損而導(dǎo)致摩擦升溫造成的消防隱患問(wèn)題，主要采用人工檢查方式進(jìn)行設(shè)備巡檢。隨著信息化手段不斷發(fā)展，通過(guò)在皮帶流程關(guān)鍵部位安裝光纖測(cè)溫設(shè)備，并將測(cè)溫系統(tǒng)接入港口內(nèi)網(wǎng)，建立了光纖測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)上百條皮帶流程進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并精準(zhǔn)定位異常溫度所在位置，可有效預(yù)防現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備摩擦生熱引起的消防問(wèn)題。同時(shí)光纖測(cè)溫系統(tǒng)具備信息儲(chǔ)存分析模塊，可對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期溫度變化情況進(jìn)行分析，獲得設(shè)備溫度變化趨勢(shì)，為設(shè)備更換保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支持。

3.3.2 智能異物檢測(cè)系統(tǒng)

干散貨碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)礦石種類繁多，部分塊狀礦石體積較大，在運(yùn)輸過(guò)程中常對(duì)皮帶機(jī)及轉(zhuǎn)載漏斗造成嚴(yán)重的沖擊磨損。為解決大塊異物識(shí)別問(wèn)題，基于智能識(shí)別系統(tǒng)與AI分析技術(shù)，建立智能異物檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)定大塊異物識(shí)別尺寸，當(dāng)皮帶流程中出現(xiàn)大塊異物時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別定位，并向巡檢員報(bào)警提示，由巡檢員確定是否停機(jī)清理，有效提高了大塊異物識(shí)別效率，保證了皮帶機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3.3 智能聲音識(shí)別系統(tǒng)

皮帶機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部位出現(xiàn)磨損、老化等問(wèn)題時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生噪聲。智能聲音識(shí)別系統(tǒng)將聽(tīng)覺(jué)識(shí)別技術(shù)與AI分析技術(shù)相融合，通過(guò)設(shè)定異常聲響的聲波，借助智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)皮帶驅(qū)動(dòng)部位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常噪聲時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并定位噪聲所在位置，有效保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。

4 應(yīng)用成效

4.1 降低巡檢員勞動(dòng)強(qiáng)度

智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了人員現(xiàn)有的作業(yè)巡檢方式，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行流程作業(yè)監(jiān)護(hù)、皮帶流程轉(zhuǎn)換、灑水抑塵開關(guān)、關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測(cè)等作業(yè)，大大降低了巡檢員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了巡檢員的作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離，避免了巡檢員檢查設(shè)備所存在的安全隱患。

4.2 節(jié)省人工成本

通過(guò)視頻監(jiān)控巡視、輔助作業(yè)遠(yuǎn)程控制(灑水、翻板控制、皮帶糾偏控制)、無(wú)人機(jī)定時(shí)巡視等智能化改造，提高了巡檢員的作業(yè)效率，降低了干散貨碼頭對(duì)人力的依賴性，節(jié)省了人工成本。

4.3 提高干散貨碼頭貨物轉(zhuǎn)運(yùn)效率

智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提高了流程轉(zhuǎn)換效率，可在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中進(jìn)行安全檢測(cè)作業(yè)，提高了干散貨碼頭的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化流程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可提高巡檢員的作業(yè)效率和勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，降低干散貨碼頭的人工成本。特別在粘濕貨種(如鋁土、煤炭等貨種)作業(yè)時(shí)，1.6 m皮帶機(jī)作業(yè)量由改造前的1 800 t/h提高到2 500 t/h以上，貨物轉(zhuǎn)運(yùn)效率大大提升。