礦石碼頭堆場智能噴灑水除塵控制系統設計

孫 亮，劉 錕

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456)

隨著工業化和城市化進程的加快，資源短缺、環境污染和生態破壞逐漸成為全球性的三大危機。在我國，如何應對環境污染帶來的危害已經成為關系到國計民生的大事。除煤炭、鋼鐵、化工等企業外，港口碼頭堆場的揚塵也成為環境污染的主要影響因素之一。尤其是近年來霧霾現象加劇，迫使我們更加重視PM10、PM2.5、PM1.0等可吸入顆粒物對人們健康的危害。大宗干散貨中礦石、煤炭等在堆存、裝卸、運輸過程中的塵源擴散影響了附近居民生活環境、港口工作環境和周圍生態資源環境,隨著近年來鐵礦石、煤炭等易起塵貨種吞吐量的快速增長,作業量大幅度增加,污染控制的難度和壓力進一步加大[1]。目前，我國港口在揚塵污染防控技術方法和管理層面上，取得了一定的成果，但仍有很大的發展潛力[2]。在堆場除塵過程中，濕法除塵的效率依然很低，人工作業無法完全駕馭現代化的控制設備，從而導致噴灑水不及時、噴灑水時長不合理、能源消耗大、噴槍開啟條件不合理等諸多問題。另一方面，由于揚塵對城市空氣造成的污染，正在逐步向周圍城市蔓延，有著愈演愈烈的趨勢。

本文設計并實現了堆場智能噴灑水除塵控制系統，通過對堆場內現有的泵房設備、噴槍進行控制，結合氣象數據、取料機GPS定位數據等信息采集，實現了堆場全自動無人值守除塵。系統將取料機定位、實時氣象、泵房水位和噴槍使用狀態等信息作為輸入參數，通過智能決策支持平臺進行數據分析處理，對含水率低、容易起塵的堆垛進行按時、按量、按需的精準噴灑水控制。

1 礦石碼頭堆智能噴灑水除塵控制系統需求分析

1.1 堆場實時氣象數據監控需求

碼頭堆場緊鄰海邊，氣象條件復雜，大風天氣較多。影響堆垛起塵的主要因素是風，而防止堆垛起塵起著積極作用的因素就是降水。因此，氣象條件的觀測對智能噴灑水控制系統起著決定性作用。由于環境保護的需要，堆場通常都設有防風網，使得堆場內氣象情況與外界截然不同，因此常規的天氣預報無法代表堆場內氣象環境的變化，需要使用特定的監測設備監測堆場內氣象數據。氣象監測設備需要具備風速、風向、溫度、濕度和降水量的采集。其中，堆場內風速影響蒸發速度，從而影響到堆垛表面含水率計算，而風向則影響噴槍的噴灑水效率，通常風力達到一定等級，噴槍不應迎風噴灑水作業；同時，溫度和濕度對堆垛表面含水率的影響也不可忽視。

氣象站的安裝可盡量布設在場內不受遮蔽物影響的位置，同時根據堆場占地面積的大小和形狀，合理選擇氣象站的個數，以保證根據全部氣象站的風速、風向、溫度、濕度、降水等條件計算出堆場內的平均氣象條件。

除采用氣象站進行天氣監測外，氣象部門發布的天氣預報也是一個重要的參考因素。當堆場內有噴灑水需要，但短時間內堆場將會發生降水時，智能噴灑水決策模塊應考慮降低灑水量或停止噴灑水操作，利用自然降水進行除塵作業。

1.2 堆垛邊界和取料機位置采集需求

噴灑作業前需要了解堆垛的邊界情況從而開啟對應的噴槍，而堆垛大小和形狀隨著礦粉的出入場是經常變化的。過去，噴灑水作業前巡查員需要進入堆場內進行人為觀察才能知道堆垛大小，而堆場占地面積廣闊，信息采集操作通常費時費力。智能噴灑水系統可通過生產調度部門實時獲取堆垛的邊界數據，從而為噴灑水開啟的噴槍數提供輸入條件。

取料機作為堆場內輸送礦粉的主要工具，通常不定時進行作業。一般情況下，噴槍都是安裝在取料機軌道外沿，以節約占地面積。如果在取料機工作時進行噴灑水，勢必會給取料機工作帶來很大障礙。過去，在人工進行噴灑水作業時，需要巡查員進場聯系生產調度部門，確定堆場內是否有取料機在作業，然后再去堆場內觀測取料機實時位置，以保證噴灑水作業盡量避開取料機[3]。如今，作為堆場智能噴灑水系統的大腦，決策系統應具備實時判斷取料機位置，排除取料機工作的范圍，并根據實時的風力、風向等監測數據，最大程度的保證噴灑水作業不會干擾到取料機的正常工作。為此，我們將為取料機安裝定位系統，用于監測取料機的實時位置變化。

1.3 噴灑水設備自動控制需求

通常，完成一次噴灑水作業需要以下操作流程：判斷蓄水池液位→開閥→開泵→判斷管道壓力→判斷同時開啟噴槍數量→開噴槍→噴灑水作業→關閉水泵→關閉電動閥→關閉噴槍。過去，流程中每一個步驟都需要人工操作，由于不同的液位、不同的管道壓力能夠同時使用的噴槍數量也不同，所以實際操作時就對操作人員提出了較高的技術要求。操作流程有誤或操作時機把握不好有可能損壞設備，輸出判斷不合理則可能達不到良好灑水效果，這些都是制約噴灑水作業順利完成的主要因素。因此，智能決策系統有以下設備控制需求：(1)自動執行控制流程，根據操作執行狀態進行下一步操作；(2)量化流程中各個環節的輸入和輸出，用量化的數據替代人工的經驗分析，并使過程參數可配置；(3)根據液位和管道壓力動態調整噴槍開啟和關閉數量；(4)根據含水率動態控制噴槍的噴灑水時長，做到按時按需進行噴灑水作業[4]。

1.4 平臺可視化控制需求

作為智能噴灑水控制系統，平臺的可視化建設不容忽視，其好處是可視、直觀、人機界面友好，操作狀態和數據可長期保留[5]。系統應集中展示堆場內實時氣象、取料機、堆垛和噴槍的工作狀態，具體需求如下：(1)實時展示堆場所在城市的最新氣象預報情況，以及堆場內各氣象站的實時氣象數據；(2)圖形化方式顯示堆垛的地理位置、礦種、是否達到噴灑水臨界條件等關鍵信息；(3)圖形化顯示取料機的工作平臺以及取料機實時位置；(4)圖形化顯示各噴槍的噴灑水情況和使用狀態。

2 礦石碼頭堆場智能噴灑水除塵控制系統

2.1 系統功能模塊劃分

堆場智能噴灑水除塵控制系統包括堆垛管理、氣象監測、噴灑水控制、泵房控制、智能決策、系統管理六個子系統(圖1)。堆垛管理子系統綜合展示氣象站、堆垛、取料機、噴槍等實時狀態。氣象監測子系統實時采集堆場內降水、風向、風速、溫度等氣象參數，結合天氣預報情況實時展示堆場內各個區域詳細氣象因素的變化，尤其是風速和風向的變化。噴灑水控制模塊自動控制噴槍對堆垛進行噴灑水作業，并可對有故障的噴槍進行報警提示，對維修狀態進行跟蹤。泵房控制模塊可實現對實時水位、流量和管道壓力的監測，并可實現對泵房設備的自動控制，在水位過低水壓不足時做出報警，并在異常情況進行自動關閉設備等保護措施。智能決策子系統通過綜合分析氣象、堆垛、取料機、泵房、噴槍等實時狀態，對含水率低、容易起塵的堆垛進行自動噴灑水作業。

圖1 堆場智能噴灑水除塵控制系統功能模塊Fig.1 Function module of dust control system for intelligent spray water in storage yard

2.2 系統功能模塊劃分

堆場智能噴灑水除塵控制系統技術架構分為物理層、通信服務層、數據層和應用層，各層之間的關系如圖2所示：

圖2 堆場智能噴灑水除塵控制系統分層結構圖Fig.2 Hierarchical structure diagram of dust control system for intelligent spray water in storage yard

(1)物理層。

整個系統的基礎，為系統提供基礎的數據采集和控制服務，物理層包括噴槍、泵房設備、PLC、自動氣象站、國家氣象局網站和GPS定位模塊；

(2)通信服務層。

主要功能是將物理層的實時數據寫入數據庫，并對下位機設備進行控制，該層由專門的服務軟件執行，采集和控制噴槍、泵房設備、氣象數據、GPS定位信息等，通信服務層與物理層通過無線數據透傳模塊進行數據交互，可降低布線難度并減少部分硬件成本。

(3)數據層。

使用MS SQL SERVER 2012企業版作為數據庫，存儲噴槍噴灑狀態數據、泵房狀態數據、氣象信息、大機定位信息、地圖數據、堆垛信息、用戶數據和系統參數。

(4)應用層。

應用層使用VS2013進行開發，運行平臺為.Net Framework4.0，功能模塊包括堆垛管理、氣象監測、噴灑水控制、泵房控制、智能決策支持、系統管理6個子系統，其中堆垛管理和氣象監測子系統為智能決策子系統提供數據支持，智能決策子系統為泵房控制和噴槍控制子系統提供決策輸出。

2.3 系統功能設計

(1)堆垛管理子系統。

包括堆場氣象信息、噴灑水狀態信息、取料機位置信息、堆垛狀態信息顯示以及取料機位置歷史數據查詢。①氣象信息顯示：堆場內氣象環境進行監測，包括溫度、濕度、風速、風向等，并以標簽形式在工具欄滾動顯示，顯示各氣象站的氣象參數。系統在堆垛管理頁面上顯示各氣象站圖標，用戶鼠標懸?？娠@示實時氣象信息。②噴灑水狀態顯示：系統以動畫的形式顯示噴槍噴灑水過程，用戶可以直觀的看到正在噴灑水的噴槍。③取料機位置顯示：系統以動畫形式顯示取料機的實時位置，用戶鼠標懸?？娠@示取料機斗輪處的經緯度。④堆垛狀態顯示：系統從電子理貨系統實時載入堆垛的經緯坐標和信息，用戶鼠標懸停時，以氣泡提示框顯示：堆垛編號、名稱、入場時間、礦種、重量、占地面積、船名和貨主等信息。系統默認的堆垛顏色，以黑色表示，對于達到觸發條件需要噴灑水的堆垛，則以紅黑漸變的顏色進行顯示。用戶點擊堆垛，可顯示詳細的堆垛信息。⑤取料機位置查詢，通過時間和設備編號查詢取料機運行軌跡。

(2)氣象監測子系統。

氣象監測子系統包括實時氣象數據監控、實時天氣預報下載和歷史氣象數據查詢。①實時氣象數據的監控：采集并顯示風速、風向、溫度、濕度和雨量為智能決策模塊提供氣象數據支持，采樣間隔通常為1 min；②天氣預報下載:每小時從國家氣象局數據庫讀取風力等級、風向、溫度、濕度和降水等級，為噴灑水智能決策模塊提供數據支持。當空氣濕度較大或發生降水時，決策模塊將不進行噴灑水作業；③歷史氣象數據查詢：對氣象站和氣象預報的歷史采集數據按照時間段進行查詢，并可將查詢結果以數字表格和曲線圖表的方式顯示在軟件界面上。

(3)噴灑水控制子系統。

噴灑水控制子系統主要利用上位機軟件控制PLC驅動噴槍實施噴灑水作業。包括噴槍信息顯示、噴槍控制、噴槍使用狀態配置、噴槍維修配置和噴槍維修記錄查詢。①噴槍信息顯示：系統噴槍總數、正在噴淋噴槍數、報警噴槍數、維修噴槍數和暫時停用的噴槍數，以及各個噴槍的操作狀態。②噴槍控制：鼠標點擊打開或關閉某一支噴槍或某一管線上全部噴槍[6]。③噴槍使用配置：由于維修或堆場建設原因暫?；騿⒂媚骋粐姌專瑫r記錄其啟用、停用原因和時間。④噴槍控制及維護記錄查詢：按時間、管線和編號檢索噴槍的操作和維護記錄，包括噴槍的開啟關閉時間、啟用停用時間和維修原因等。

(4)泵房控制。

泵房控制子系統支持泵房內水泵和閥門的控制，同時對管道壓力和流量進行實時監控。泵房的控制方式包括手動、自動兩種，只有處于自動狀態時，用戶才可以通過上位機軟件操作泵房設備。①泵房實時信息顯示:采集并顯示水位計、流量計、管道壓力計實時數據，顯示水泵、電動閥實時開關狀態；②泵房設備控制:提供電動閥和水泵的控制功能，并以指示燈顯示電動閥控制過程；③泵房設備維修配置:提供對泵房設備進行維修配置，包括“維修狀態”、“維修負責人”、“故障原因”和“維修時間”等；④泵房設備維修記錄查詢:提供對泵房設備的維護信息按時間和設備編號進行查詢；⑤泵房歷史數據查詢:提供對泵房設備的歷史控制和采集數據進行按時間、類型和設備編號查詢功能。

(5)智能噴灑水決策系統。

智能噴灑水決策系統是整個系統的核心，包括全自動控制和半自動兩種方式。①全自動控制噴灑水決策系統：通過整合氣象(溫度、濕度、風速、風向、雨量)、天氣預報、取料機位置、堆垛大小和位置、含水率等信息，做出智能化的計算，當堆垛達到起塵臨界條件時，系統將自動開啟堆垛對應的噴槍、開啟泵房電動閥和水泵，按時、按需進行噴灑水作業，當需要噴灑水的堆垛全部噴水完畢后，系統會依次關閉水泵、電動閥、噴槍等設備。全自動噴灑決策算法自動分析噴槍的使用情況、損壞情況、水泵的供水能力，取料機的位置等信息綜合分析后作出噴灑水決策，全程無人參與，優勢在于無人值守，響應迅速；②半自動噴灑水決策系統：計算堆垛的起塵臨界條件與全自動控制相同，當作出噴灑水決策時，系統給出適當的提示，如哪些堆垛需要噴灑水，對應的哪幾個噴槍可用，讓用戶自己決定是否進行噴水作業，開泵、開閥、開噴槍的過程需要用戶在軟件上手動操作。半自動噴灑控制的優勢是當設備損壞時，如噴槍、電動閥或水泵無法關閉時，用戶可及時做出應急響應，以免造成不必要的經濟損失。同時，用戶也可以根據實際天氣情況自行進行噴灑水作業。

(6)系統管理。

系統管理模塊包括參數設置、用戶管理等功能。參數設置包括數據存儲間隔設置、智能噴灑水時間設置、智能決策方式設置、同時開啟噴槍數設置、天氣預報采樣間隔設置、噴槍噴灑水范圍設置等。用戶管理：主要提供用戶的添加、修改和刪除操作。系統設置不同權限的三種用戶，普通用戶只能夠查看全部頁面和讀取系統數據，無設備控制權限；管理員用戶可查看和讀取全部系統數據，可操作噴灑水控制、泵房控制、堆垛管理等子系統；系統管理員除擁有管理員的功能外應具備參數設置的功能。

2.4 系統關鍵技術分析

(1)取料機定位技術選擇。目前，常見的定位技術有衛星定位、基站定位、超寬帶(UWB)定位，WI-FI定位等。其中基站定位精度較低，一般在500 m以上，而UWB和WI-FI通常用于室內定位，不適合取料機定位，故本系統考慮使用衛星定位。在國內可用的衛星定位技術包括GPS、差分GPS和北斗定位。由于北斗定位未完全商用、普通GPS定位精度較差，故采用差分GPS技術對取料機進行定位。差分GPS系統由基準站發送修正數據，子站接收并對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。經由差分GPS進行定位，取料機的位置可精確到0.1 m，完全滿足系統精度需求。

(2)大地坐標向屏幕坐標轉換。為了獲得更好的可視化效果，需要在大屏集中實時顯示堆垛、取料機、氣象站、噴槍等元素實時信息。由于取料機和堆垛邊界的經緯度信息獲取使用的GPS定位系統遵循WGS-84世界大地坐標系，所以為了將堆場所在矩形區域在屏幕上正向顯示，保證取料機運行軌道平行于屏幕X方向，需要將堆場所處的大地坐標系向屏幕坐標系的轉換。根據《大地測量學基礎》可知，以堆場坐標系統為原點，法線為Z軸的大地坐標系又稱為法線站心坐標系[7]，將世界大地坐標系向屏幕坐標系轉換需要3個步驟。首先，需要將世界大地坐標系轉換為法線站心坐標系，其次，需要將站心坐標系通過旋轉轉換為以取料機軌道為X方向的平面直角坐標系，最后再經過縮放即可將大地坐標轉換為屏幕坐標。

(3)智能噴灑水觸發因素分析。系統后臺運行的智能決策支持模型，根據實時監測的降雨、溫度、濕度、風速、氣象部門的預報等信息，結合當前各堆垛的含水率觸發值，進行綜合分析，計算出需要噴灑水的堆垛編號。通常，堆垛起塵受自身表層含水率、表層細顆粒含量、礦粉密度和風速的影響。同時，要考慮灑水板結對起塵的影響。對物料堆充分灑水，水分自然蒸發后，起塵風速變大，起塵量顯著降低[8]。每個堆垛入場時，都需要進行入場噴灑水，因此，充分利用堆垛的入場灑水，盡可能的使堆垛入場噴灑水后，表面達到板結狀態，可以顯著降低后期灑水量。同時，雨雪天氣過后，堆垛表面含水率通常會達到飽和含水率，也可達到板結狀態。

系統根據堆垛的位置信息、取料機作業狀態實時判斷哪些堆垛可進行噴灑水作業。在全自動噴灑水模式下，系統將自動按照噴灑水控制流程運行，綜合分析蓄水池液位、管道壓力、堆垛面積等因素做出合理決策，做到有序、定時的開啟關閉噴槍，保證在不影響取料機作業的情況下，按照預期計算結果進行控制輸出[9]。

3 礦石碼頭堆場智能噴灑水除塵控制系統應用案例

本文以營口港A港池礦石碼頭為例，介紹堆場智能噴灑水除塵控制系統的應用情況。營口港A港池礦石碼頭是我國較早探索堆場自動噴灑水控制系統的碼頭之一。時至2014年，該碼頭堆場已建成取料機平臺6條，每個平臺上平均安裝噴槍20條。堆垛是否有噴灑水需要，完全由人工巡查進行判斷，巡查員在堆場對每個堆垛進行含水率的測定，目測當時的天氣情況，利用個人經驗做出判斷。但是由于堆場面積較大，碼頭氣候條件較為復雜，常常出現噴灑水不及時造成揚塵現象。尤其是夜里和秋冬季節，堆垛含水率測定難度加大，目測氣象情況不準確，噴灑水就更加不及時，即使堆場四周裝有防風網，起到的效果也不明顯。

尤其是礦石隨時可能入場和出場，加大了巡查員對堆垛噴灑水量多少的判斷，所以，一般情況下，對于堆垛的噴灑水常常是一次對全部堆垛噴淋，噴淋的時間也一致，雖然省時省力，但對于面積較小的堆垛，可能造成水、電等資源的浪費，對于占地面積較大的堆垛又有可能出現噴淋不足的情況。

2015年底，該碼頭進行了噴灑水自動控制系統改造，在堆場內新增5個氣象站用于監測堆場內風速、風向、溫度、濕度和降雨量實時天氣情況，為6臺取料機安裝GPS模塊，并新增監測服務器用于監控這些設備的數據，其數據庫的主要數據內容如表1所示。同時，系統在控制室內配備大尺寸顯示屏，用于同步顯示堆場內各堆垛位置信息。通過堆垛、氣象和GPS定位信息，巡查員在機房內通過大屏便可以了解堆場的實時狀態。無論自動噴灑水還是半自動噴灑水，系統都能對需要噴灑水的堆垛變色以進行報警提示，并給出需要噴灑水的噴槍的數據和噴淋時長，避免了巡查不便、人工誤判、資源浪費等現象的發生，系統各主要功能模塊設計如表2所示。

表1 智能噴灑水系統數據庫詳表Tab.1 Intelligent spraying water system database

表2 智能噴灑水系統功能模塊表Tab.2 Module list of intelligent spray water system

4 結語

大氣污染已經成為城市環境污染的主要污染源之一，散貨港口帶來的揚塵污染是海濱城市大氣污染不可忽視的因素之一。本文針對堆場噴灑水系統的需求，設計并開發了堆場噴灑水自動控制系統。該系統在營口港A港池礦石碼頭的應用實踐表明，通過對場內氣象條件、堆垛含水率等信息的分析，實時采集取料機和堆垛的位置關系，利用決策系統給出智能化的決策，解決了水量、電量等資源浪費較大，噴灑水不及時造成大氣污染等諸多難題，智能噴灑水自動控制系統的應用取得了明顯的經濟效益和社會效益。環境現狀監測數據和實驗模擬結果表明，港口煤炭裝卸作業過程中煤炭作業動態起塵PM2.5排放量>煤炭運輸道路起塵PM2.5排放量>煤炭堆存靜態起塵PM2.5排放量[10]。雖然上述研究結果基于煤粉，但其研究成果對于其他種類的礦粉具有一定的適用性。未來通過不斷的數據積累作為數據支持，有針對性的對不同礦種、不同形態、不同密度的堆垛含水率和起塵風速加以優化，以達到更好的除塵效果。同時，堆場噴灑水智能控制系統，不但要在礦粉靜態堆放過程中進行噴灑水，還要通過視頻監控、人工干預等多種方式，對動態作業和運輸過程中的礦粉進行噴灑水，使智能決策支持平臺將發揮更大的作用。