散貨轉(zhuǎn)運碼頭配礦自動控制研究

賀吉，魏勇，魏傳鍵，李楠

（1.福建華電儲運有限公司，福建 福州 350500；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

福州港是福建省政府規(guī)劃建設的四大港口群之一，港口集散貨物主要為大宗散貨、件雜貨等。福建省交通運輸廳發(fā)布的 《福建省沿海港口布局規(guī)劃（2020-2035年）》明確指出：福州港羅源灣港區(qū)是外貿(mào)進口鐵礦石專業(yè)化碼頭和大型煤炭碼頭重點布局的二大港區(qū)之一。可門港是福建省天然深水港灣，整個海灣被羅源半島和連江半島環(huán)抱，具有十分優(yōu)越的地理位置，是一個重要的散貨物流中轉(zhuǎn)樞紐，四通八達的水水、水陸、水鐵中轉(zhuǎn)路線，構(gòu)成了一個多維的高速流動的物流網(wǎng)絡。

隨著各大散貨碼頭的大規(guī)模投資建設，各碼頭港口之間的競爭愈演愈烈，散貨碼頭利用其先進裝卸設備、大面積的堆場和便利的集疏運通道等優(yōu)勢，逐步開展配煤、配礦相關(guān)業(yè)務。散貨碼頭的配礦，主要通過2 臺斗輪機根據(jù)配礦比例進行取料，再經(jīng)過皮帶機和轉(zhuǎn)運站進行混合、拌勻，再進行裝船、裝車或堆場到其他場地，實現(xiàn)混配出場或混配暫存。目前，碼頭上的斗輪機以人工作業(yè)為主，常規(guī)混配作業(yè)中，一般需要至少2 名熟練的斗輪機司機，按照指定工單進行取料作業(yè)，由于人員作業(yè)技能差異、天氣狀況、身體狀況、視線等因素，都會導致混配的精度不穩(wěn)定，不能滿足配煤、配礦精度要求。

本文以某散貨轉(zhuǎn)運碼頭為例，通過斗輪機全自動控制技術(shù)，設計散貨轉(zhuǎn)運碼頭配礦自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)配礦全自動控制，為國內(nèi)中轉(zhuǎn)散貨碼頭配礦提供借鑒。

1 系統(tǒng)概況

某儲運公司位于福州港羅源灣南岸的可門作業(yè)區(qū)，建港條件優(yōu)越，是少有的具有天然掩護的沿海深水岸線資源之一，港區(qū)離連江縣城約39 公里，距福州市區(qū)約85 公里。中心工程擁有可門作業(yè)區(qū)8 ～11 號4 個泊位和一個用于建設大型散貨堆場的上宮洋墾區(qū)，碼頭岸線總長度1251 米。其中一期10 號泊位為20 萬噸級卸船泊位，11 號泊位為5 萬噸級裝船泊位，年設計吞吐量為1800 萬噸，可實現(xiàn)水水中轉(zhuǎn)、水鐵中轉(zhuǎn)和水陸中轉(zhuǎn)。共有堆場43 萬平方米，目前主堆場堆約12 萬平方米，其中101 堆場3 萬平方米，102 ～103 堆場5 萬平方米，104 堆場4 萬平方米。輸煤系統(tǒng)目前共有3 臺橋式抓斗卸船機、3 臺斗輪機、1 臺裝船機、31 臺帶式輸送機，分別用于卸船系統(tǒng)、裝船系統(tǒng)及送煤系統(tǒng)。其中3 臺卸船機位于10#泊位，裝船機位于11#泊位，1#斗輪機和2#斗輪機位于主堆場（在B4-2 和B4-3 帶式輸送機上），4#斗輪機位于擴能堆場（在B8-5 帶式輸送機上），如圖1 所示。1#、2#斗輪機額定堆料出力為4000t/h，取料出力為3000t/h。

圖1 某碼頭裝卸工藝流程圖

為提高堆場的堆取作業(yè)效率，降低人員勞動強度，碼頭對1#、2#斗輪機實施了全自動控制改造，利用5G專網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了斗輪機就地與集控室之間高寬帶、高可靠性、超短時延的數(shù)據(jù)和圖像通訊，并成功實現(xiàn)了裝船作業(yè)時的礦石混配控制。

2 實施方案

在斗輪機相關(guān)部位安裝料位、流量、定位、防撞、料堆激光掃描等檢測裝置，以及視頻監(jiān)控裝置，獲取相關(guān)圖像和檢測數(shù)據(jù)，在服務器、上位機和PLC 形成料堆三維模型、確定堆取料作業(yè)空間位置和控制執(zhí)行指令，最終實現(xiàn)斗輪機遠程全自動控制，就地無人值守。

利用斗輪機取料時的恒流控制技術(shù)，將皮帶流量控制在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，為配礦自動控制提供基礎(chǔ)。

2.1 斗輪機全自動控制系統(tǒng)簡述

如圖2 所示，在堆場外圍建筑物上安裝2 臺5G 基站，基站信號覆蓋整個堆場；在2 臺斗輪機上分別安裝2 臺CPE(Customer-Premises Equipment，客戶終端設備)作為5G 終端設備；在集控室機房布置一臺UPF 服務器，用于本地數(shù)據(jù)分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)，支持10Gbps業(yè)務吞吐量，實現(xiàn)了輪機遠程與就地之間的超高帶寬、超短時延的5G無線通信。在斗輪機上安裝各種檢測裝置，通過現(xiàn)場總線或網(wǎng)線接入斗輪機全自動控制PLC；同時，在斗輪機關(guān)鍵部位安裝若干高清攝像頭，以遠程視頻監(jiān)控現(xiàn)場運行狀況。PLC 數(shù)據(jù)和視頻信號分別接入到2 臺5G CPE，在5G 網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)通信分流，可減少大流量視頻數(shù)據(jù)對檢測和控制信號時延和抖動影響，提高系統(tǒng)檢測信號和控制信號傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。

圖2 基于5G 網(wǎng)絡的斗輪機全自動控制系統(tǒng)框圖

2.2 斗輪機恒流取料技術(shù)

斗輪機取料恒流控制是一個閉環(huán)PID 控制，過程量為懸臂取料流量，控制量為懸臂回轉(zhuǎn)速度，PID 參數(shù)：Kp 比例調(diào)節(jié)超調(diào)量、Ki 消除靜態(tài)積分、Kd 控制微分系數(shù)調(diào)試變化趨勢。斗輪機的取料恒流控制，國內(nèi)已有較多研究。斗輪機在取料作業(yè)時，斗輪負載重量由斗輪驅(qū)動電機電流值體現(xiàn)，同時，由于懸臂皮帶上的料流量檢測與斗輪取料動作一般有幾秒時延，因此為滿足實時控制的要求，通行的取料控制方式是構(gòu)建瞬時取料量與斗輪驅(qū)動電機實時電流值之間的數(shù)學關(guān)系模型，線性關(guān)系模型或二次非線性模型

國內(nèi)系統(tǒng)以實現(xiàn)最大取料流量、減少上倉時長為目標，因此，在技術(shù)上，以斗輪機額定取料出力為基準，通過斗輪電流和皮帶流量的數(shù)學關(guān)系模型，建立PID 閉環(huán)控制模型，實現(xiàn)斗輪機額定取料出力恒流控制，偏離幅度±10%。由于現(xiàn)有數(shù)學模型主要為滿足額定流量構(gòu)建的，其在較小取料流量時，并不能較好地反映斗輪電流和皮帶流量的數(shù)學關(guān)系，取料流量控制偏差較大。為實施配礦業(yè)務，需要對中小流量的取料進行精準控制，因此在國內(nèi)現(xiàn)有取料流量控制技術(shù)基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化斗輪電流和皮帶流量的數(shù)學關(guān)系模型。采用分段線性數(shù)學關(guān)系模型，在較小取料流量時更密的折線段，而在較大取料流量時采用較疏的折線段。在300 ～1000t/h 區(qū)間以每段50t/h 劃分為14 段折線，在1000 ～2000t/h 區(qū)間以100t/h 劃分為10 段折線，在2000 ～3200t/h 區(qū)間以150t/h 劃分為8 段折線，從而構(gòu)建了大范圍高精度擬合的線性數(shù)學模型，減小了在較低出力時的擬合誤差。將分段線性數(shù)學關(guān)系模型中的斗輪電流作為PID閉環(huán)控制中的過程量，設定取料流量的目標值，PID 控制自動調(diào)節(jié)一個偏差量后對回轉(zhuǎn)速度進行控制，實現(xiàn)分段區(qū)間流量的精確控制。

通過小流量PID 控制模型，建立了小流量取料作業(yè)的恒流控制技術(shù)，從300t/h 到3200t/h 出力均滿足精確恒流控制要求，為皮帶混配控制提供了基礎(chǔ)。

2.3 配礦自動控制

（1）1#、2#斗輪機裝船路線分別為：

①1#斗輪機-(B4-2)-(T3-2)-(B5-1)-(T3-1)-(B4-1)-(T2-5)-(B3-6)-(T2-4)-(B3-5)-(T2-3)-(B2-1)-(T1-1)-(B1-1)-裝船機。

②2#斗輪機-(B4-3)-(T3-3)-(B5-1)-(T3-2)-(T3-1)-(B4-1)-(T2-5)-(B3-6)-(T2-4)-(B3-5)-(T2-3)-(B2-1)-(T1-1)-(B1-1)-裝船機。

斗輪機1#、2#的取料料流在T3-2 處匯合，經(jīng)過T3-1T2-5T2-4T2-3T1-1 等多個轉(zhuǎn)運站轉(zhuǎn)運后，2 種礦料得到充分均勻混配。為實現(xiàn)裝船配礦作業(yè)，設計如下。

（2）料流匯合時點設計：在作業(yè)前根據(jù)2 臺斗輪機取料點的大車位置，T3-2/T3-3 之間距離以及皮帶B4-2B4-3B5-1 移動速度，設置2 臺斗輪機的不同作業(yè)開始時間，使得2 臺斗輪機初始取料料流同時到達T3-2轉(zhuǎn)運站實現(xiàn)匯合。

（3）流量分配：根據(jù)配礦混配要求，在不大于斗輪機、皮帶機的額定出力前提下，計算和設置2 臺斗輪機的取料出力，使得匯合后總出力最大且在額定出力范圍內(nèi)。

（4）總量控制：分別在皮帶B4-2B4-3 出口處設置高精度的皮帶秤，用以監(jiān)測配礦時不同礦種的總量；同時通過T2-5的皮帶秤進行總流量監(jiān)測。根據(jù)取料流量、斗輪機與皮帶秤距離、皮帶速度，估算皮帶B4-2B4-3上的存料量，在各礦種取料總量達到預定要求時，及時停止斗輪機取料作業(yè)，完成配礦裝船作業(yè)。

3 實施效果

在1#、2#斗輪機實現(xiàn)全自動控制改造后，斗輪機運行人員從斗輪機就地司機室撤離到集控室內(nèi)，同時，斗輪機取料流量比人工作業(yè)時更加平穩(wěn)，效率更高。通過B4-2、B4-3 出口的皮帶秤監(jiān)測，斗輪機在不同礦種、不同流量工況時取料流量穩(wěn)定，平均流量偏離幅度小于10%，滿足要求。對不同配礦比例要求，通過T2-5 的皮帶秤進行監(jiān)測，配礦總流量穩(wěn)定，滿足要求。

碼頭配礦自動控制系統(tǒng)的實施，改變了以往人工配礦時的波動性，提高了配礦的精準性和匹配性。相對堆場配礦等其他配礦方式，具有運行設備少，工藝簡單，效率高等特點。圖3 和圖4 分別為斗輪機上位機取料作業(yè)界面以及取料流量曲線圖。

圖3 斗輪機上位機取料作業(yè)界面

圖4 斗輪機取料流量曲線圖

4 結(jié)語

斗輪機在實施全自動控制系統(tǒng)改造后，實現(xiàn)就地無人值守。通過對不同取料流量建立相應的斗輪電流取料流量數(shù)學模型，實現(xiàn)了對不同取料流量的精準控制，減小了流量偏離誤差。進一步設置皮帶秤對不同斗輪機取料總量和配礦后總量進行監(jiān)控，實現(xiàn)了斗輪機裝船線配礦自動控制。實踐應用表明，散貨轉(zhuǎn)運碼頭斗輪機全自動控制改造后，配礦取得了預期效果，為國內(nèi)同行提供改造借鑒。