散貨堆場單機智能化生產(chǎn)作業(yè)操作系統(tǒng)研究

亢學功，呂崇曉

（1.華能曹妃甸港口有限公司，河北唐山 063200；2.中交機電局第一工程公司，天津 300452）

引言

隨著智慧港口建設的加速推進，港口作業(yè)自動化程度不斷提升。散貨堆場單機智能化生產(chǎn)作業(yè)操作系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)堆場上堆料機、取料機全自動化操作，可細分為堆料機智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)、取料機智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)、單機CMS 系統(tǒng)（單機設備管理信息系統(tǒng)）、單機定位及防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)、堆場垛堆掃描系統(tǒng)等。各系統(tǒng)獨立工作，自動高效地完成堆取料作業(yè)，并在后臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，達到協(xié)同管理的功能。同時設備的安全性和穩(wěn)定性大幅提升，實現(xiàn)減員增效、提升作業(yè)環(huán)境的目的。以下對各單機系統(tǒng)進行說明。

1 堆料機智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)

堆料機智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)可實現(xiàn)堆料機在無人操作的情況下，全自動完成堆料作業(yè)中的所有指令，如自動尋垛對垛、自動卸料移堆等工作。該系統(tǒng)以上位機操作界面的形式安裝在中控室卸堆作業(yè)監(jiān)控室終端上，采集現(xiàn)場堆料機上的設備信號，并進行遠程控制，可實現(xiàn)多臺堆料機的同時監(jiān)控。堆料機智能化生產(chǎn)系統(tǒng)執(zhí)行指令在堆料機原有PLC控制程序基礎上實現(xiàn)，控制程序指令獨立編寫入堆料機PLC 內，并在堆料機被選定為全自動模式下處理執(zhí)行，同時與中控室實時通訊，由中控室遠程監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)并可以隨時介入干預自動化作業(yè)。

2 取料機智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)

取料機智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)可實現(xiàn)取料機在無人操作的情況下，全自動完成取料作業(yè)中的所有指令，如自動尋垛對垛、自動分層取料、自動移倉停取等工作。該系統(tǒng)以上位機操作界面的形式安裝在中控室取裝作業(yè)監(jiān)控室終端上，采集現(xiàn)場取料機上的設備信號，并進行遠程控制，可實現(xiàn)多臺取料機的同時監(jiān)控。該取料機智能化生產(chǎn)系統(tǒng)在取料機原有PLC 控制指令基礎上實現(xiàn)，控制程序指令獨立編寫入取料機PLC 內，并在取料機被選定為全自動模式下處理執(zhí)行，同時與中控室實時通訊，由中控室遠程監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)并可以隨時介入干預自動化作業(yè)。

3 單機CMS 系統(tǒng)（單機設備管理信息系統(tǒng)）

一套完善的單機CMS 系統(tǒng)解決方案，是能夠順利實現(xiàn)全自動化操作的關鍵環(huán)節(jié)。

單機CMS 系統(tǒng)基于C#和JAVA 語言開發(fā)，采用單機上C/S 架構部署、遠端B/S 架構部署。主要實現(xiàn)功能是采集、存儲、顯示大機的各個機構運行狀態(tài)、相關雷達料位、北斗定位系統(tǒng)、PLC 指令、遠程控制指令、故障報警信息等相關數(shù)據(jù)，并通過本地處理，生成與單機相關的作業(yè)信息、傳感器采集信息、作業(yè)計量信息、故障信息等，系統(tǒng)后臺通過采集到的信息，可以在系統(tǒng)中查閱出一段時間內的作業(yè)數(shù)據(jù)曲線、查詢歷史報警記錄和操作記錄等進行顯示，同時也有數(shù)據(jù)交互、按鈕操作等系統(tǒng)功能，協(xié)助司機或技術人員完成對大機的各種監(jiān)控及相關操作。

單機CMS 系統(tǒng)硬件設備分別布置在司機室和電氣室內，設備間通過機上通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和存儲記錄。

司機室監(jiān)控系統(tǒng)，包括一臺15 寸工業(yè)級觸摸屏一體機，通過以太網(wǎng)通信，與單機電氣室中的工控機中的相關信息進行交互，形成一套可完整監(jiān)控單機運行狀態(tài)的本地CMS 系統(tǒng)。

4 單機定位及防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)

堆場中作業(yè)單機的碰撞事故，是港口生產(chǎn)中最大的安全生產(chǎn)風險源之一。一旦發(fā)生該事故，將會造成操作人員傷亡，單機設備損毀等重大損失。實現(xiàn)堆場單機智能化生產(chǎn)作業(yè)的前提，就是需要一套安全、可靠、智能化的單機防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)。單機防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，分別由主動式防碰撞和被動式防碰撞兩套系統(tǒng)組成，兩套系統(tǒng)分別運轉，可全方位的為各單機提供安全可靠的防碰撞功能，確保智能化生產(chǎn)的穩(wěn)定高效。

4.1 基于毫米波雷達的主動式單機防撞監(jiān)控系統(tǒng)

在堆場單機上安裝毫米波雷達，采用多普勒原理，快速掃描被測物體，生成與被測物體間距離、速度關系，通過算法系統(tǒng)實現(xiàn)與被測物體間防碰撞預警和報警停機功能。該系統(tǒng)優(yōu)勢，毫米波雷達掃描速度快（每秒17 次），測量距離遠（可達250 m），對復雜環(huán)境目標檢測迅速，設備安裝可靠等。單機上安裝的毫米波雷達可即時將測量數(shù)據(jù)傳送回單機的控制系統(tǒng)中，并在單機的控制系統(tǒng)中做判斷，主動發(fā)出報警停機的指令，無需外部系統(tǒng)干預，獨立運行。

由毫米波雷達組成的防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對潛在的空間碰撞物體的識別，并直接與單機的操控系統(tǒng)進行對接，無需過多分析和處理即可發(fā)出防碰撞指令，實現(xiàn)主動單機防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)功能。

圖1 毫米波雷達檢測距離及波束角

4.2 基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的被動式單機定位及防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)

為實現(xiàn)堆場上各軌道梁上的單機精確定位及防碰撞功能，并為單機全自動化堆取料作業(yè)提供定位指導，提供單機防碰撞預警和報警停機的功能，單機上設置采用RTK（實時動態(tài)）差分定位技術的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，定位精度高（動態(tài)定位精度可達到≤±5 cm），系統(tǒng)響應快（≤5 ms），穩(wěn)定性能好等。在中控室部署防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)后臺，可實時采集現(xiàn)場單機上的定位數(shù)據(jù)，由防碰撞算法實現(xiàn)對單機的運動狀態(tài)進行監(jiān)控，并對中控操作人員和各單機發(fā)出碰撞預警和報警停機的指令。

圖2 北斗系統(tǒng)拓撲結構

圖3 堆料機定位設備布置

圖4 取料機定位設備布置

該系統(tǒng)硬件，由在地面固定位置布設的北斗衛(wèi)星基準站與在堆場單機上安裝的北斗衛(wèi)星移動站，和中控室布置的應用服務器和監(jiān)控功能軟件以及終端操作系統(tǒng)組成。單機移動站上的定位數(shù)據(jù)，由單機上搭載的工控機采集，并形成數(shù)據(jù)庫，中控室防碰撞系統(tǒng)服務器讀取單機工控機中的定位數(shù)據(jù)庫，防碰撞系統(tǒng)通過讀取到的單機定位數(shù)據(jù)，進行防碰撞建模運算，對堆場內，存在碰撞可能性的單機進行實時監(jiān)控和碰撞預判，同時對碰撞風險高的單機，發(fā)出預警信息，對即將發(fā)生碰撞的單機，發(fā)出報警和停機指令。該系統(tǒng)服務器還可將單機的定位數(shù)據(jù)通過指令接口，與單機智能化生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)調度管理系統(tǒng)、數(shù)字料場管理系統(tǒng)、CMS/RCMS 系統(tǒng)分享數(shù)據(jù)。建立一個統(tǒng)一的測量用坐標系，是確保堆場單機設備自動化作業(yè)的基本前提，基于北斗衛(wèi)星導航的高精度定位系統(tǒng)，將為整個港口內的設備定位提供基礎保障，并可以使所有的作業(yè)規(guī)劃均在統(tǒng)一路徑中實現(xiàn)，確保系統(tǒng)的完整性和實施的可行性，并一次性解決了其他系統(tǒng)設備對定位數(shù)據(jù)和精度的需求。

4.3 基于RFID 射頻掃描識別的定位校正系統(tǒng)

目前在單機上用于提供定位數(shù)據(jù)的有絕對值編碼器、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，均可實時提供單機的行走、回轉、俯仰數(shù)據(jù)，兩套定位系統(tǒng)獨立運行，數(shù)據(jù)各自處理。但都存在誤差和數(shù)據(jù)丟失風險，如絕對值編碼器在使用中產(chǎn)生的累計誤差，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)丟星產(chǎn)生的誤差等。需要一套定位校正設備，用于對兩套定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校正和提高精度，使系統(tǒng)運行的更穩(wěn)定可靠。

圖5 定位校正系統(tǒng)結構

在每臺單機上安裝一套RFID 射頻掃描識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RFID 射頻控制器、RFID 射頻讀取頭以及連接線纜構成，此外還包含在地面定點布置的RFID 射頻數(shù)據(jù)載碼體。在軌道梁或皮帶機架，每10m 固定安裝一個RFID 射頻數(shù)據(jù)載碼體，將該安裝點的位置數(shù)據(jù)寫入，由單機上的RFID 射頻讀取頭，讀取到位置數(shù)據(jù)，并通過RFID 射頻控制器與單機的工控機進行數(shù)據(jù)交互，單機將讀取到的定位數(shù)據(jù)與絕對值編碼器、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行比對，發(fā)現(xiàn)誤差時進行強制校正。同時在單機的回轉位置也安裝RFID 射頻數(shù)據(jù)載碼體，將單機臂架與地面皮帶機對中、單機臂架與地面壩基防撞、單機臂架與地面皮帶機垂直等特定位置進行標記，減少回轉位置類似功能限位的安裝，同時可以對回轉絕對值編碼器和北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進行校正。

5 堆場垛堆掃描系統(tǒng)

為實現(xiàn)對堆場內的貨物進行數(shù)字化管理，建立一套完整的數(shù)字化堆場貨物管理信息系統(tǒng)，需要對堆場中的煤垛變化實時監(jiān)控，并可以在中控室內通過三維模型掌握現(xiàn)場料堆的變化，從而指導單機自動化生產(chǎn)作業(yè)，同時可增強堆場庫場管理功能。要建立一套可視化堆場料堆管理系統(tǒng)，首先要實現(xiàn)對堆場料堆的掃描，其次通過掃描獲取的數(shù)據(jù)，由后臺服務器運算建模，生成可視化堆場模型，同時結合生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)，將完善堆場料堆的信息，從而可以為單機的自動化生產(chǎn)提供直觀的指導。

5.1 單機垛堆掃描掃描系統(tǒng)

在單機上安裝垛堆掃描裝置，用于實現(xiàn)在單機上完成對作業(yè)區(qū)域的垛堆進行掃描，并將采集數(shù)據(jù)回傳至中控室的處理服務器上。單機上安裝的掃描裝置有兩種，一種為高頻料位雷達，一種為毫米波雷達。高頻料位雷達檢測距離為0～120 m，誤差為 ±5 cm，測量反應時間≤50 ms，抗干擾效果優(yōu)異。此雷達在煤炭筒倉、堆/取料機上，用于料位檢測均有長期的成熟使用案例。除料位雷達以外，毫米波雷達可對料堆實現(xiàn)面掃描，掃描距離可達250 m，在70 m 測量距離內波束角為80°，精度誤差在±10 cm，測量響應時間≤10 ms。兩套掃描裝置均可在單機作業(yè)中實時的對料堆進行掃描，并通過單機工控機回傳至中控室數(shù)字化料場管理系統(tǒng)服務器上。掃描數(shù)據(jù)互為補充，為料堆建模提供數(shù)據(jù)保證。

圖6 堆料機懸臂頭部料位檢測布置

圖7 取料機懸臂頭部料位檢測布置示意

圖8 取料機懸臂頭部料位檢測布置示意

6 結語

單機智能化生產(chǎn)作業(yè)操作系統(tǒng)作為堆場單機全自動生產(chǎn)的核心，實現(xiàn)了單機設備的無人化作業(yè)。該系統(tǒng)與生產(chǎn)作業(yè)調度管理系統(tǒng)、翻車機自動化給料系統(tǒng)、皮帶機流程自動化操作系統(tǒng)緊密結合，實現(xiàn)了整個港口裝卸工藝設備的智能化生產(chǎn)作業(yè)。