內(nèi)河碼頭抓斗卸船機無人值守改造的可行性研究

郭浩杰

望亭發(fā)電廠

0 概述

華電望亭發(fā)電廠卸煤碼頭港池內(nèi)共配置4臺橋式抓斗卸船機，單臺額定出力為350 t/h，采用人工手動卸船方式工作。碼頭來煤方式為京杭大運河自航船，典型船型為1 000 t平底駁船。卸船機司機手動抓取大部分煤炭，送入卸料斗，通過輸煤皮帶輸送至電廠區(qū)域，卸煤至艙底少量余煤時，船只移至清艙作業(yè)區(qū)，由小噸位抓機執(zhí)行人工清艙作業(yè)。卸煤碼頭示意圖見圖1。

圖1 卸煤碼頭示意圖

1 存在的問題及改造的目的

1.1 存在的問題

抓斗卸船機作為望亭發(fā)電廠卸煤碼頭的主力接卸裝備，操作模式以司機人工操作為主，司機的操作熟練程度直接決定了整個卸船過程的作業(yè)效率與作業(yè)安全。

司機人工操作時，需在船艙正上方的司機室內(nèi)俯視船艙和煤堆，因視角局限，視覺效果接近于平面二維，很難看清煤堆高低起伏狀況。司機在操作抓斗抓料時，需彎腰低頭，力求能滿斗抓煤、避免煤堆坍塌埋住抓斗、避免碰撞船艙，勞動強度極大，長時間卸船作業(yè)，對司機體力、耐力和專注力是一個重大考驗。通常連續(xù)工作幾小時后，卸煤效率會明顯下降，三班倒24 h連續(xù)作業(yè)的模式和高強度的作業(yè)流程，使司機的人員流動性極高，給電廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了隱患。另外，司機為了快速卸煤，經(jīng)常采用“甩斗”操作，使煤斗上方的粉塵飛揚愈發(fā)劇烈，造成一定的環(huán)保壓力，同時也加劇了鋼絲繩的磨損和設(shè)備故障。

1.2 改造的目的

人工智能、自動化技術(shù)的飛躍發(fā)展，在環(huán)境惡劣的場所或人工重復(fù)勞動強度大的場合使用機器人代替人工成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢。抓斗卸船機電控系統(tǒng)相對其他大型起重設(shè)備而言，配置較高，電控升級基礎(chǔ)良好。對卸船機進行電控改造，利用物料掃描技術(shù)對船艙和艙內(nèi)物料進行三維原景重現(xiàn)、建立基于人工智能技術(shù)的卸船控制規(guī)則和抓斗路徑規(guī)劃，實現(xiàn)卸船機的無人值守運行是一個好方法。

抓斗卸船機無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效解決對熟練司機的依賴問題、消除設(shè)備運行安全隱患、提高船煤接卸效率，把司機從高強度的重復(fù)勞動中解放出來，同時有力推動人工智能技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用，切實提高管理水平，實現(xiàn)降本增效的目的。

2 可行性研究

2.1 前期調(diào)研

為了研究卸船機無人值守系統(tǒng)在卸煤碼頭的實際應(yīng)用情況，我們對華電某公司（以下簡稱A公司）無人值守卸船機項目進行了調(diào)研，現(xiàn)場觀看了該公司3號卸船機無人值守工作情況，并與一線司機、生技部專工進行了交流。

2.1.1 項目概況

A公司卸煤碼頭設(shè)2個5 000 t級泊位(可停靠1艘1萬t級海輪)，共配置3臺機械差動四卷筒橋式抓斗卸船機，沿碼頭自西向東排列，依次為1號機、2號機、3號機，卸船機下方配置雙路皮帶。卸船機可沿碼頭軌道運行，改變作業(yè)位置，單臺卸船機設(shè)計額定起重量為20 t，額定卸煤能力為800 t/h。卸船機通過抓斗從停靠碼頭邊的運煤船上抓煤，送至卸船機卸煤斗，經(jīng)地面皮帶機輸送至原煤倉或儲煤場。其中3號卸船機經(jīng)改造，具備自動模式下無人值守全自動卸船作業(yè)功能。卸煤碼頭來煤方式為長江自航船，典型船型為5 000～12 000 t平底駁船，采用抓斗卸船方式，剩余艙底少量余煤，由人工推耙機進行清艙作業(yè)。

2.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大車防撞雷達(dá)檢測系統(tǒng)、物料探測雷達(dá)系統(tǒng)、抓斗定位與姿態(tài)感知系統(tǒng)、操作維護終端、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、大車位置檢測系統(tǒng)等組成。

1)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

卸船機視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)在全自動條件下的視頻監(jiān)控輔助功能。在以下關(guān)鍵操作位置固定高清攝像頭，采集的視頻信號匯總至機房電氣室內(nèi)視頻系統(tǒng)機柜，視頻信號分別顯示在電氣室、司機室、碼頭中控室的監(jiān)控屏幕上。

(1)在卸船機大梁正中位置設(shè)高清攝像頭，面向下安裝，視角覆蓋整個船艙范圍，主要用于觀察抓斗在船艙內(nèi)的抓卸料過程。

(2)在卸船機卸料斗的側(cè)上方位置設(shè)高清攝像頭，視角覆蓋整個卸料區(qū)域范圍，主要用于觀察抓斗的卸料姿態(tài)和卸料效果。

(3)在卸船機大車前方的門腿橫梁中央設(shè)高清攝像頭，視角覆蓋大車前進方向碼頭區(qū)域，主要用于觀察大車前進時軌道上或碼頭工作面是否有障礙，以及地面兩路皮帶的運行及煤流情況。

(4)在卸船機大車后方的門腿橫梁中央設(shè)高清攝像頭，視角覆蓋大車后退方向碼頭區(qū)域，主要用于觀察大車后退時軌道上或碼頭工作面是否有障礙，以及地面兩路皮帶的運行及煤流情況。

(5)在卸船機機房電氣室內(nèi)放置視頻系統(tǒng)機柜，用于安裝電源、視頻控制器、通信模塊、監(jiān)視器和控制鍵盤等設(shè)備，可實時監(jiān)控4臺攝像頭覆蓋區(qū)域的視頻信息。

(6)在卸船機司機室內(nèi)設(shè)置監(jiān)視器，可實時監(jiān)控4臺攝像頭覆蓋區(qū)域的視頻信息。

(7)在碼頭中控室內(nèi)設(shè)置一臺監(jiān)視器及主機，可實時監(jiān)控4臺攝像頭覆蓋區(qū)域的視頻信息。

2)大車防撞雷達(dá)檢測系統(tǒng)

大車防撞雷達(dá)的安裝位置分別位于大車前方陸側(cè)門腿、大車前方海側(cè)門腿、大車后方陸側(cè)門腿、大車后方海側(cè)門腿。

在卸船機全自動作業(yè)過程中，通過安裝在卸船機大車上的探測雷達(dá)掃描，實時檢測軌道方向大車與障礙物之間的距離，控制系統(tǒng)根據(jù)障礙物形狀，經(jīng)綜合計算后對碰撞風(fēng)險進行分級處理：進入4 m范圍內(nèi)觸發(fā)二級報警；進入2 m范圍內(nèi)觸發(fā)一級報警，同時大車自動減速，避免發(fā)生碰撞危險。

3)物料探測雷達(dá)系統(tǒng)

物料探測雷達(dá)安裝在卸船機大梁中間，船艙正上方位置。雷達(dá)驅(qū)動機構(gòu)能夠保證抓斗小車在遠(yuǎn)離大梁向陸側(cè)運行后，實時掃描船艙內(nèi)被抓斗抓取過的煤堆形狀，更新煤堆輪廓，保存到煤堆輪廓信息數(shù)據(jù)庫中。

4)抓斗定位與姿態(tài)感知系統(tǒng)

抓斗定位及姿態(tài)感知系統(tǒng)無線發(fā)射端位于抓斗上承重梁側(cè)板凹槽內(nèi)，能夠向控制系統(tǒng)提供抓斗的實時坐標(biāo)及實時姿態(tài)。系統(tǒng)發(fā)射端使用充電電池組供電。

抓斗定位及姿態(tài)感知系統(tǒng)無線接收端位于大梁末端的抓斗鋼絲繩改向滑輪旁邊，能夠接收發(fā)射端的信號，并以有線方式與控制系統(tǒng)通信，系統(tǒng)接收端使用有線供電。

5)操作維護終端

電氣室內(nèi)設(shè)置操作維護終端一套，檢修工程師可對無人值守自動卸煤系統(tǒng)進行監(jiān)控和維護。司機室內(nèi)就地操作終端與電氣室操作維護終端通過光纖遠(yuǎn)程連接，同步運行，可實現(xiàn)如下功能：

①顯示船艙內(nèi)煤堆輪廓3D圖、灰度圖（平面圖）；

②顯示各運行機構(gòu)實時位置等必要信息；

③對自動卸煤各環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)普通參數(shù)設(shè)置、高級參數(shù)設(shè)置；

④對自動卸煤流程進行任務(wù)設(shè)置；

⑤對抓斗起升、抓斗開閉、小車、大車等機構(gòu)進行雙向單動操作；

⑥切換人工或自動模式；

⑦對自動卸煤進行全流程“啟動/停止”控制、流程中“暫停/繼續(xù)”控制；

⑧報警、故障信息顯示及處理。

6)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

無人值守自動卸煤系統(tǒng)主控單元與物料探測雷達(dá)系統(tǒng)、防撞雷達(dá)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信；與抓斗定位系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)采用高速總線通信。

卸船機機房外側(cè)和碼頭中控室樓頂配置了無線通信模塊及高增益定向天線各一套，用于卸船機與碼頭中控室之間的無線視頻信號通信。

7)大車位置檢測系統(tǒng)

為精確檢測大車運行位置，增設(shè)大車位置多圈絕對值編碼器及PLC網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊，由PLC將卸船機大車實時位置發(fā)送至主控單元。

2.1.3 工作流程

司機在司機室內(nèi)首先將操作模式切換為“自動”模式，然后在操作終端上設(shè)置船體長度、船艙深度等作業(yè)參數(shù)后，系統(tǒng)通過安裝在卸船機大梁上的物料探測雷達(dá)，對掃描到的船艙和煤堆輪廓信息進行三維成像、建模，經(jīng)過分析計算形成最優(yōu)卸船作業(yè)方案。然后由系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前煤堆形狀特征，自動選取抓斗抓料點，自動控制抓斗抓料、閉斗、提升，沿系統(tǒng)自動規(guī)劃的最優(yōu)回程路徑運行，控制抓斗小車回至卸料斗上方開斗卸料，然后系統(tǒng)控制抓斗再返回船艙內(nèi)下一個抓料點繼續(xù)抓料，完成一次抓卸料循環(huán)。系統(tǒng)周而復(fù)始，按照分層剝?nèi)　⑵胶庑洞牟呗裕詣油瓿尚洞蝿?wù)。

2.2 改造效果分析

2.2.1 改造后的優(yōu)點

通過對卸船機的無人值守自動卸煤改造，呈現(xiàn)出以下優(yōu)點：

1)改造不對原有人工操作方式進行改動。實際運行中卸船機司機可隨意在兩種模式下自由切換，不會因為自動模式故障造成卸船機無法運行。且遇到緊急狀況可以瞬間切換回手動狀態(tài)，安全性有保障。

2)卸料過程中，除設(shè)定程序以外的特殊情況（如：堵煤），司機基本屬于觀察狀態(tài)，無需進行任何操作，基本實現(xiàn)了抓卸料無人控制，大幅減輕了司機的勞動強度。

3)通過對卸船機無人值守運行模式的觀察，無人卸船機基本能達(dá)到人工操作的效率。經(jīng)過連續(xù)對比觀察，3號卸船機平均完成一個循環(huán)用時48秒，在自動模式下卸船機運行平穩(wěn)，有利于降低鋼絲繩等易損件的消耗，并減少在卸船過程中的揚塵現(xiàn)象，也有利于降低電氣設(shè)備過載的可能性。

4)卸船機無人值守改造的主要探測裝置“激光雷達(dá)”對于雨、雪、霧等天氣不敏感，可以避免在這些惡劣天氣情況下因司機視線不良造成卸船機無法作業(yè)的情況，能提高A公司整個卸煤碼頭的接卸效率。

5)改造后，卸船機可以進行遠(yuǎn)程控制，不但大幅減輕司機的勞動強度，還能實現(xiàn)司機在地面控制室操作卸船機，并使一名司機同時操作多臺卸船機成為可能，有效提高卸船機司機的工作效率。

2.2.2 效果分析

本次調(diào)研，無人值守自動卸船的實際效果超出了預(yù)期，抓斗的運行并不像我們想象中的那樣呆板，整個抓、卸料過程比較流暢，甚至初步實現(xiàn)了人工操作的“甩斗技能”，很大程度上提高了卸煤效率。自動卸船的效率基本達(dá)到了熟練司機的程度，且避免了由于司機精神、身體狀態(tài)不佳導(dǎo)致的效率下降問題。制約A公司3號卸船機自動卸船效果的問題主要是卸料斗堵煤，該公司已制訂計劃加裝振動給料機，以徹底消除瓶頸。由于A公司目前僅改造了一臺卸船機，尚未實現(xiàn)減員增效的目標(biāo)，計劃來年再改造一臺，并同步設(shè)置煤碼頭中控室，實現(xiàn)司機遠(yuǎn)程控制，有突發(fā)狀況可進行人工干預(yù)，兩臺卸船機可以減少二分之一操作員。

3 對比和結(jié)論

與A公司卸船系統(tǒng)相比，望亭發(fā)電廠的水運煤船舶體量比其小（望亭發(fā)電廠為千噸輪，A公司為萬噸輪），卸船機則都是無錫工力同一類型的產(chǎn)品，僅抓斗額定起重量和卸煤量各少了一半，程序移植后不存在不能運行的問題，但需要在現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置時根據(jù)實際情況進行優(yōu)化和調(diào)整，控制策略也需要根據(jù)望亭發(fā)電廠實際情況進行重構(gòu)。望亭發(fā)電廠重船接卸和清艙分開作業(yè)的模式有利于加快自動模式下卸船機的卸船速度，無需等待清艙即可進行下一艘船舶的接卸，與A公司相比有天然優(yōu)勢。

望亭發(fā)電廠2018年投產(chǎn)的4號卸船機配備了振動給料機，對來煤流動性適應(yīng)能力較好，其余卸船機對來煤流動性有一定要求。來煤流動性差將對自動模式下卸船工作效率產(chǎn)生較大影響，在我們調(diào)研期間，A公司3號卸船機接卸曾遇到此問題，司機數(shù)次中斷卸煤處理料斗堵煤，如望亭發(fā)電廠進行無人值守改造，應(yīng)一并考慮該問題。

目前，望亭發(fā)電廠共配置4臺卸船機，如一次性全部改造，投資回收期較短（約2．78年左右），成功實施后，可以大幅降低對卸船機司機數(shù)量及操作熟練度的依賴程度，解決司機流動性大給生產(chǎn)帶來的隱患，司機配備可減少10人以上，節(jié)約用工成本100萬元。但一次性投資金額較大（550萬元），且還存在一些不確定因素。如僅改造1臺卸船機，則僅減輕司機工作量、提高安全及環(huán)保性能、降低設(shè)備疲勞磨損，并無直接經(jīng)濟效益輸出。

綜上所述，較為穩(wěn)妥的方案是：基于卸船機4已有振動給料機，對卸船機3、4進行無人值守改造，同步對卸船機3安裝振動給料機，煤碼頭設(shè)置中控室并預(yù)留2臺卸船機容量，待改造成功后，再對一期卸船機（1號/2號卸船機）進行改造，設(shè)置過渡期，最終保留每班次一個卸船機司機值班。