煤炭港口取裝流程一體化操控研究①

劉永昌

(神華黃驊港務有限責任公司 河北滄州 061113)

傳統的煤炭港口取裝作業流程需要不同崗位的操作人員操控三類設備配合完成。取料機司機在機上操控取料機將煤炭從堆場取到堆場皮帶機上，中控員在遠程操控皮帶機實現煤炭從堆場皮帶到碼頭皮帶的傳送，裝船機司機在機上操控裝船機將碼頭皮帶機上的煤炭裝至指定船艙中。不同崗位操作人員需要通過對講機進行溝通交流，整個作業過程相互割裂，受中間溝通環節影響較大，不僅影響流程效率還存在較大安全隱患。

隨著生產智能化的不斷推進，某煤炭港口近幾年陸續實現了翻堆取裝各環節的單機自動化，取料機、皮帶機、裝船機已全部實現遠程自動運行，不僅單機作業效率得到了明顯提升，還為打破傳統取裝操控模式奠定了基礎。將原本相互獨立的三個崗位融合集成到一起，實現一人對整條取裝作業流程及其設備的操控，可以進一步提升生產效率，降低勞動強度，減少溝通誘發的安全隱患。

1 系統整體架構設計

取裝流程一體化操控的目的是實現在一個工位上對一臺裝船機、多條皮帶機、兩臺取料機的同時操控，并且在不同的作業流程中，同一臺裝船機需要對應不同的皮帶機和取料機。因此取裝流程一體化系統需要將整個取裝作業流程視為一個整體，通過全流程操控界面、取裝聯動、流程連鎖、作業信息自動推送、雙機配煤流量雙閉環控制等功能實現了取裝設備的統一調度和集中操控，通過視頻自動投切系統實現對整條流程設備的視頻監控，通過煤流仿真系統實現對全流程物料信息的估算和提前上料功能，通過動態急停保護系統為流程設備提供最后一道急停保護措施。

2 視頻自動投切系統

隨著生產運行集成化程度的提高，生產運行人員數量的減少，生產的監護成為一個新的難點。如何能對靈活多變的流程進行全面監控，如何能從多個監控畫面中選取重點畫面進行針對性監護，成為制約取裝流程一體化系統監護效果的重中之重。為了提供合理高效的監護，保證生產作業的安全，我們搭建了一臺視頻自動投切服務器，利用Python語言開發了視頻自動投切模塊，它對接管控系統和設備控制系統，通過實時檢測管控系統和控制系統中相關信號的變化來控制解碼器各通道調用不同的攝像頭監控資源，實現了兩層運行監控機制。

視頻畫面與流程設備聯動。通過抓取流程信息，在監控大屏中按流程打包呈現各個設備。即當作業流程變更后，監控大屏中的視頻畫面也會自動更新為新流程所需各設備的主要監控畫面。實現了在同一工位對靈活多變流程的及時、準確、全面監控。

視頻畫面與設備動作聯動。對接設備控制系統，根據設備動作或故障信息，推送重點部位圖像至監控小屏。即當設備做行走動作時，監控小屏中自動出現行走部位的監控畫面，當設備進行作業時，監控小屏中自動切換至作業所需監控畫面；當設備出現某個故障時，監控小屏自動推送故障點視頻畫面。

視頻自動投切系統解決了監控屏幕固定性和作業流程靈活性之間的沖突，為取裝流程一體化提供了有效的視頻監護功能，保障了作業安全。

3 煤流仿真系統

煤流仿真系統與取料機、裝船機、中控PLC控制系統進行信息交互，實時采集取料機和BM線陣列式皮帶秤實時流量、累計流量及皮帶運行速度，采集取料機和裝船機的行走位置等數據，模擬整條取裝流程線上煤流分布，通過上位機HMI展現給操控員，為其操控決策提供幫助。

此外煤流仿真系統還估算煤流到達關鍵節點的時間、估算流程輸送帶上的剩余煤炭量，為提前上料提供數據基礎。

為了校正仿真系統中存在的計算和測量偏差，在皮帶機頭部尾部、裝船機尾車等關鍵節點安裝非接觸式料流檢測開關，當料流開關信號動作時，修正料頭料尾位置，提高了煤流仿真系統的準確性。

4 取裝一體化控制系統

取裝一體化控制系統是進行取裝流程設備操控的核心系統，包含取裝聯動操控畫面、作業信息自動推送功能、雙機配煤流量控制功能，提前上料等功能。取裝聯動操控畫面可以實現對全部取裝流程設備的操作和監護；作業信息自動推送功能降低了操作人員的勞動強度；雙機配煤流量控制功能既可實現精準配煤，又可提高流程作業效率；提前上料功能可以減少輔助作業時間，既可降低流程空轉造成的電能消耗，又能提高流程作業效率。

4.1 取裝聯動操控畫面（HMI）

針對取裝流程操控需要顯示整條流程所有設備的主要操控信息的要求，開發了一套動態HMI操控界面，界面中包含取裝流程操控區、裝船機操控區、取料機操控區、料流仿真顯示區、堆場單機位置及作業信息顯示區。取裝流程操控區可進行流程一鍵啟動和逆序停機等操作，也可對流程皮帶機進行逐條獨立啟停控制。裝船機操控區用于操控裝船機進行遠程手動、遠程自動作業。取料機操控區用于操控取料機進行遠程手動、遠程自動作業。料流仿真區用于顯示本取裝流程中的料流分布及料流到達各關鍵節點的估算時間信息。堆場單機位置顯示區用于顯示堆場各堆料機、取料機、堆取料機的實時位置和作業垛位。

由于取料機是根據流程切換的，因此取料機操控區是動態的，通過VBA編程實現，當取裝流程更換時，自動將所需取料機的操控畫面嵌入到取裝聯動操控主界面中。整張HMI界面采用彈窗式設計，既可較多的展示信息也便于操作。

4.2 作業信息自動推送功能

為了減少操作量，提高取料機和裝船機的協同作業能力，開發了取料量自動推送功能，將中控流程信息與取料機共享，省去了操作員每次作業前設定取料量的步驟。開發了取料流量自動調節功能，將中控、裝船機、取料機信息互通，根據裝船機的臂架俯仰角度、配煤比例、作業模式、剩余作業量等信息自動調整取料機的設定流量，提高配煤精度、減少人員操作、提高作業效率。

4.3 雙機配煤流量控制功能

雙機配煤流量控制需借助中控PLC控制系統實現。中控PLC控制系統與取料機PLC控制系統進行實時數據交互，讀取取料機的行走數據、工作狀態、實時流量和剩余作業量等，動態調節配煤比例，設定各取料機的設定流量，再利用主從雙閉環控制實現主從取料機瞬時流量與設定流量的一致性。此功能不僅能按照客戶要求提供全過程精準配煤，也能保證裝船全過程的流量最大化。

取料機自動回轉取料流量控制模塊是雙機配煤流量控制的基礎，也就是主從雙閉環控制中的閉環控制。由于取料機斗輪工作壓力與取料瞬時流量近似成正比關系，因此用實時檢測的斗輪馬達入口壓力減去空載壓力再乘以比例系數可計算出瞬時流量反饋值，將流量反饋值與流量設定值進行比較后，通過取料流量與回轉速度轉換公式可計算出回轉速度偏差，再通過PI控制器進行調節可實現通過控制回轉速度來控制瞬時流量與設定流量保持一致，為了提高響應速度，實現瞬時流量快速跟隨設定流量，增加前饋控制，形成一套帶前饋的PI控制系統。

雙機配煤流量控制功能分為兩個模式：效率最大化模式和精準配煤模式。

效率最大化模式：為了獲取最高效率，需要盡可能減少每次取料作業時間，因此保證配煤作業時兩臺取料機同起同停，配煤比例按照各自剩余取料量進行自動分配的方案可實現效率最大化。即每隔5分鐘自動根據兩臺取料機本次剩余作業量計算一次配煤比例，將配煤比例折算成設定流量后傳輸給各取料機，通過取料機自動控制中的閉環PI控制，保證瞬時流量與設定流量的一致性。

精準配煤模式：受料堆形狀的影響，在垛頭垛尾取料及換層過程中，存在流量偏離的情況，容易造成配煤比例偏差過大。為此利用雙機配煤主從閉環流量控制算法，對雙機流量進行動態調節，實現配煤過程的精準控制。選取流程中更靠近上游的取料機作為主取料機，靠近下游的取料機作為從取料機，需要調節兩取料機設定流量時，先調整主取料機的設定流量，等待T時刻后再調整從取料機的設定流量（T為煤流從主取料機傳輸到從取料機所需的時間）；根據三維模型系統中料堆信息，預測一段時間內的流量趨勢，根據預測值自動調整兩臺取料機的設定流量，再通過取料機自動控制中的閉環PI控制，保證瞬時流量與設定流量的一致性。

4.4 提前上料功能

通過上游設備提前上料，當下游設備準備完畢后，料流剛好到達下游設備，有效壓縮生產輔助時間。例如，通過比較料流從取料機到達裝船機的時間和裝船機換艙所需時間，在裝船機換艙過程中取料機提前上料，使裝船機完成換艙時料流剛好到達裝船機，實現設備間生產協同，減少流程空轉時間，實現煤料快速轉運，提高了流程生產效率。

5 動態急停保護系統

遠程急停按鈕作為設備失控時的應急保護裝置是必不可少的。但取裝流程的靈活性決定了裝船機和取料機不是固定對應的。因此需要同一遠程急停按鈕在不同的作業流程中對不同的取料機提供急停保護。為了解決這一難題，有效保證安全生產，開發了一套動態急停保護系統。在每個裝船集控室除了為裝船機設置兩個固定的急停按鈕外，還增設了兩個急停按鈕。新增設的急停按鈕通過硬線接入裝船機集控室遠程站，裝船機PLC將采集的急停信號根據流程信息進行編譯后通過MSG指令傳輸至對應的取料機，進而控制取料機的緊急停機，實現了動態急停保護功能。

6 結語

取裝流程一體化操控系統可以根據作業指令自動選取所需設備，組合成一條作業流程，通過幾個簡單的按鈕即可實現對裝船作業全過程的控制。他在自動化的基礎上，通過建立協同機制，提升煤炭取裝作業的集成程度和協同程度，進一步提高了生產效率，減少了勞動配員，降低了勞動強度，消除了由于溝通不暢誘發的安全隱患，具備在煤炭港口大力推廣的價值。