裝船機(jī)自動(dòng)控制提前上料關(guān)鍵技術(shù)分析

王 寧

（國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北滄州 061113）

0 引言

裝船機(jī)是一種具有整機(jī)行走、臂架伸縮、臂架俯仰、懸皮機(jī)構(gòu)、溜筒調(diào)平及回轉(zhuǎn)等功能的大型、高效連續(xù)裝船機(jī)械[1]，是裝船流程中的頭部設(shè)備，與流程中的皮帶線、取料機(jī)等設(shè)備存在聯(lián)鎖控制。隨著港口煤炭目標(biāo)運(yùn)量的逐年增加，作業(yè)密度不斷加大，對(duì)提高裝船流程效率的需求越來越大。

當(dāng)裝船機(jī)移艙移泊對(duì)艙后，取料機(jī)才會(huì)開始上料，料頭最多需要8 min 左右才能到達(dá)裝船機(jī)尾車，最短也需要2 min。因此取料機(jī)上料后，裝船機(jī)存在較長(zhǎng)空閑等待時(shí)間。如果對(duì)艙完成后再流程啟動(dòng)，則等待時(shí)間更長(zhǎng)。因此，存在嚴(yán)重的流程空耗問題。

針對(duì)上述問題，提出在裝船機(jī)對(duì)艙的過程中實(shí)現(xiàn)取料機(jī)提前上料，在裝船機(jī)對(duì)艙后完畢，料頭即可到達(dá)裝船機(jī)尾車，最大限度地節(jié)約流程時(shí)間，提高流程效率。

1 取裝上料流程分析

為保證取裝流程的安全性，裝船機(jī)懸皮啟動(dòng)/停止?fàn)顟B(tài)與上游關(guān)聯(lián)皮帶機(jī)及取料機(jī)存在程序聯(lián)鎖：

（1）在非移艙請(qǐng)求狀態(tài)下，裝船機(jī)懸皮停止后，則上游關(guān)聯(lián)皮帶機(jī)及取料機(jī)懸皮、斗輪都會(huì)立即停機(jī)。

（2）裝船機(jī)打移艙請(qǐng)求情況下，裝船機(jī)停懸皮，地面皮帶機(jī)不停機(jī)，但上游關(guān)聯(lián)取料機(jī)斗輪停轉(zhuǎn)。

為保證伸縮驅(qū)動(dòng)的安全及使用壽命，裝船機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)與伸縮機(jī)構(gòu)存在程序聯(lián)鎖：

（1）俯仰35°模式：當(dāng)俯仰角度大于35°時(shí)，臂架伸縮驅(qū)動(dòng)無法激活，不能執(zhí)行伸縮動(dòng)作；俯仰角度小于等于35°時(shí)，臂架可以伸縮。

（2）俯仰45°模式：當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，如受潮水原因影響或船舶剛靠泊，船舶比較高，臂架俯仰角度無法降到35°完成對(duì)艙時(shí)，可以采用45°模式。

為了保證懸皮驅(qū)動(dòng)及懸皮上料時(shí)不發(fā)生打滑回溜現(xiàn)象，懸皮啟動(dòng)與俯仰角度存在程序聯(lián)鎖：當(dāng)俯仰角度小于10°時(shí)，懸皮才允許啟動(dòng)。

2 自動(dòng)控制提前上料技術(shù)研究

2.1 裝船機(jī)提前上料技術(shù)路線

該港口已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程裝船[2]、智能裝船。在此基礎(chǔ)上，本文主要通過計(jì)算取料機(jī)料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車的時(shí)間，與裝船機(jī)移艙剩余時(shí)間進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)提前控制取料機(jī)上料。

根據(jù)取料機(jī)GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）設(shè)備的行走數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出BQ 線料流的長(zhǎng)度X，帶速v1；BC線長(zhǎng)度Y，帶速v2；通過裝船機(jī)行走數(shù)據(jù)計(jì)算BM 線料流長(zhǎng)度Z，帶速v3。料頭在沿線皮帶經(jīng)過的時(shí)間為T1=X/v1+Y/v2+Z/v3。T1忽略了取料機(jī)懸皮、斗輪啟動(dòng)時(shí)間，懸皮料流時(shí)間及沿線轉(zhuǎn)接塔漏斗下料時(shí)間，實(shí)際料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車時(shí)間要大于T1。

裝船機(jī)所在位置到目標(biāo)艙位具備裝艙條件時(shí)間記為T2。分別計(jì)算行走剩余時(shí)間T21和俯仰剩余時(shí)間T22，則T2=T21+T22。

在理想狀態(tài)下，當(dāng)T1大于等于T2時(shí)，取料機(jī)開始取料。裝船機(jī)對(duì)艙完畢時(shí)，料頭正好到達(dá)尾車，可以最大限度地節(jié)省流程時(shí)間。

2.1.1 提前上料程序設(shè)定

為了保障提前上料的安全性，設(shè)計(jì)當(dāng)T1≥T2+60 s 時(shí)，取料機(jī)開始取料，在裝船機(jī)對(duì)艙時(shí)間T2的基礎(chǔ)上增加60 s 裕量，為裝船機(jī)增加安全保障。T1在計(jì)算時(shí)已經(jīng)留有裕量，因此更能保證料頭到達(dá)尾車時(shí)已滿足裝艙條件。

2.1.2 程序聯(lián)鎖優(yōu)化

提前上料模式下，因存在臂架俯仰角度不滿足懸皮啟動(dòng)的條件。需對(duì)設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行優(yōu)化，取消裝船機(jī)移艙請(qǐng)求信號(hào)與流程上取料機(jī)斗輪之間的聯(lián)鎖。即裝船機(jī)打移艙請(qǐng)求情況下，流程上取料機(jī)斗輪可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.3 增加倒計(jì)時(shí)監(jiān)控功能

方便取裝操作員更加直觀使用提前上料模式，在HMI（Human Machine Interface，人機(jī)接口）界面增加T1、T2時(shí)間的顯示功能。

2.1.3.1 料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車倒計(jì)時(shí)顯示功能

利用取料機(jī)斗輪啟動(dòng)命令、取料機(jī)位置數(shù)據(jù)計(jì)算料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車時(shí)間，并根據(jù)皮帶機(jī)速度進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，提供較為精確的料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車時(shí)間顯示，為取裝操作員提供參考。

2.1.3.2 增加移艙倒計(jì)時(shí)顯示功能

手動(dòng)裝船模式下，以臂架抬至最高角度后行走命令觸發(fā)，至裝船機(jī)對(duì)艙完畢且臂架降至作業(yè)角度為移艙所需時(shí)間，并通過HMI 界面進(jìn)行顯示。

自動(dòng)裝船模式下，以自動(dòng)移艙功能觸發(fā)，至對(duì)完艙且臂架降至作業(yè)角度為移艙時(shí)間。系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算移艙時(shí)間，并通過HMI界面進(jìn)行顯示。

2.1.4 提前上料模式自動(dòng)限量控制

提前上料過程中，為了降低提前上料中斷停機(jī)堵斗程度，在PLC 程序中增加聯(lián)鎖。PLC 控制系統(tǒng)判斷裝船機(jī)懸皮啟動(dòng)輸出信號(hào)是否為0，對(duì)取料機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖控制。當(dāng)裝船機(jī)懸皮未啟動(dòng)時(shí)，PLC接收信號(hào)為0，控制流程上取料機(jī)流量自動(dòng)限制小于4000 t/h；當(dāng)裝船機(jī)懸皮正常啟動(dòng)后，PLC 接收信號(hào)為1，此限制自動(dòng)取消。

2.1.5 懸皮啟動(dòng)控制優(yōu)化

為保證提前上料的連貫性，啟動(dòng)提前上料功能后，PLC 實(shí)時(shí)檢測(cè)俯仰角度，增加俯仰角度控制懸皮啟動(dòng)的功能。當(dāng)臂架角度小于10°時(shí)，PLC 自動(dòng)控制懸皮啟動(dòng)。

2.1.6 尾車料流檢測(cè)改造

在原料流檢測(cè)基礎(chǔ)上，增加尾車料流檢測(cè)裝置，把好料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車的最后一道關(guān)，防止料流埋尾車漏斗或在尾車漏斗處大量撒漏。

2.1.7 增加尾車料流預(yù)報(bào)警

取料機(jī)開始提前上料，料頭到達(dá)尾車時(shí)間按照T1開始倒計(jì)時(shí)。當(dāng)T1≤60 s 時(shí)，PLC 檢測(cè)到裝船機(jī)懸皮啟動(dòng)信號(hào)為0，此時(shí)HMI 界面報(bào)警，提前上料界面閃爍；當(dāng)25 s＜T1≤60 s 時(shí)，PLC檢測(cè)到裝船機(jī)懸皮啟動(dòng)信號(hào)為1，提前上料界面閃爍停止，故障復(fù)位可清除報(bào)警；當(dāng)T1≤25 s 或尾車料流檢測(cè)信號(hào)為1 時(shí)，PLC檢測(cè)到裝船機(jī)懸皮啟動(dòng)信號(hào)為0，提前上料流程停止，控制上流沿線設(shè)備停機(jī)（圖1）。

圖1 尾車料流預(yù)報(bào)警邏輯

2.2 控制流程

當(dāng)手動(dòng)移艙、初始對(duì)艙時(shí)，可以開始提前上料控制模式，在HMI 界面點(diǎn)擊啟動(dòng)移艙或?qū)ε摪粹o，輸入目標(biāo)泊位號(hào)、艙號(hào)，判斷俯仰角度是否滿足移艙高度，當(dāng)滿足移艙高度開始做行走時(shí)開始計(jì)算移艙、對(duì)艙時(shí)間。當(dāng)T1＞T2+60 s 時(shí)，觸發(fā)提前上料指令，取料機(jī)可以根據(jù)控制中心要求開始取料。判斷裝船機(jī)懸皮啟動(dòng)信號(hào)，限制取料機(jī)自動(dòng)上料流量。同時(shí)，HMI 界面顯示料頭到達(dá)尾車剩余時(shí)間及移艙剩余時(shí)間。

自動(dòng)裝船時(shí)，可以直接通過GPS 直接獲取數(shù)據(jù)，如裝船機(jī)位置坐標(biāo)、俯仰角度、對(duì)艙終點(diǎn)坐標(biāo)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出移艙時(shí)間，從而控制流程同手動(dòng)模式。具體控制流程如圖2 所示，其中T1為料頭到達(dá)裝船機(jī)尾車時(shí)間，T2為當(dāng)前移艙或首次對(duì)艙所剩時(shí)間。

圖2 控制流程

3 自動(dòng)控制提前上料實(shí)踐應(yīng)用

通過對(duì)裝船機(jī)自動(dòng)控制提前上料的關(guān)鍵技術(shù)研究分析，在某港口的裝船機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，首先以一條改造流程線R8（R9）—SL6 為例進(jìn)行概率測(cè)算，從上游R8 到裝船機(jī)SL6完整流程為R8（R9）—BQ5—BC4—BM6—SL6（表1）。

表1 R8（R9）—SL6 流程

因BQ5 作業(yè)時(shí)R9 單上概率很小，以R8 作業(yè)（R8 單上或R8/9 配煤作業(yè)）為例進(jìn)行測(cè)算。按概率統(tǒng)計(jì)原理，R8在作業(yè)時(shí)位置期望為BQ5 皮帶1/2 長(zhǎng)度處。按概率統(tǒng)計(jì)原理，SL6 位置期望為202 泊位與203 泊位中間位置?；谝陨蟽蓚€(gè)條件，R8 煤料路徑長(zhǎng)度為1282×0.5+276+1000=1916 m。

料頭到達(dá)SL6 位置所需時(shí)間為1282×0.5÷5.3+276÷5.3+1000÷5.3≈352 s。

為了保證安全，預(yù)留60 s 提前量，同時(shí)考慮提前上料時(shí)限量4000 t/h（標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)6000 t/h 的2/3），則每次提前上料可節(jié)約流程時(shí)間為（352-60）×2/3=195 s，按船舶為5 個(gè)艙，移艙加對(duì)艙需要11 次，則作業(yè)1 條船可節(jié)約作業(yè)時(shí)間0.6 h。

基于概率統(tǒng)計(jì)，SL6 運(yùn)用提前上料技術(shù)，提前上料過程限量為4000 t/h，理論上可為期望泊位節(jié)約作業(yè)時(shí)間0.6 h。

4 結(jié)束語

裝船機(jī)自動(dòng)控制提前上料功能已在該港口裝船機(jī)上實(shí)際應(yīng)用，節(jié)約作業(yè)時(shí)間效果良好，該功能設(shè)計(jì)原理及流程控制安全可靠，PLC 編程易于實(shí)現(xiàn)，具有較高推廣價(jià)值。