多臺抓斗卸船機隨機編組流量自動控制技術方案

蔣 強

（滄州黃驊港礦石港務有限公司，河北滄州 061113）

引言

目前國內現代化的礦石碼頭作業的自動化水平已經走在了世界前列。大運力、高效率的礦石裝卸在主要礦石進口港已經日漸成熟。但是作業組織及卸船放料的過程均是依靠人工組織。多卸船機對單條皮帶卸料過程由于受卸船機震動給料器存在非線性、純滯后及各礦石物料比重、粘度計含水量的不同等因素的影響，造成皮帶機流量不均勻,從長時間的統計來看皮帶機輸送效率僅為皮帶機額定效率的一半。料流重疊溢料現象對現場環境造成嚴重污染。本文提出了一種新的皮帶機流量綜合控制技術，通過輸入輸出的周期采樣，建立放大倍數為變量的動態數學模型，并通過Smith 預估器補償進而實現自動給料控制。

1 卸船作業的特點

卸船作業往往是幾臺卸船機對著一條皮帶機作業，卸船機在對應的地面皮帶機上方可以左右移動，實現對船舶的換倉作業，因此各卸船機在下方皮帶上卸料點是任意變換的。根據皮帶稱的安裝精度要求，對于落料點變化的皮帶機，安裝皮帶秤將無法保證其精度。因此，只能將皮帶秤布置于下游皮帶，這樣造成皮帶流量監測的滯后性。假設有五臺卸船機對著一條皮帶機進行卸料作業，每臺卸船機下方均配備一臺變頻震動給料器，震動給料器依靠電氣控制，實現0 至50 HZ 的無極震動，將物料均勻連續的卸至輸送帶。通過多臺給料器同時向單條皮帶供料，物料穩定后由皮帶秤計算瞬時流量，瞬時流量時時與PLC 進行數據反饋。

2 物料特性

由于專業化的礦石碼頭，所接卸的礦石來自不同的國家（例如澳大利亞、巴西、印度、烏克蘭等），并且即使是同一國家，同一船物料的上下層的物料黏性、含水量、比重等都有很大差異，并且根據實際測定，同樣給料頻率下，因特性差異造成物料流量能相差2 000 t/h。因此，不同物料或是同一艘船中的物料在上下層差異很大的時候，卸船過程將是一個動態變化的過程。要想實現靜態模型，我們只能針對其中的一段時間，將其設定為靜態模型來考慮。在卸船的給料各個階段，建立物料特性模型，以適應各種物料以及各階段對物料流量的綜合控制。

3 震動給料器給料特性

假設5 臺（或多臺）卸船機對一條皮帶機作業，那么需要控制5 臺震動給料器既要單獨調節又要相互配合。為有效避免出現大的短時料流在皮帶上重疊。首先必須保證每個卸船機漏斗內有足夠的余料，以有效避免在抓斗卸料過程中物料不受震動給料器的控制，而直接沖出給料器。因此設定漏斗重量低于額定重量20 %時，停止振動器給料。

為保證卸船的整體效率，各個船艙實現均勻卸載，各個卸船機震動給料器物料供給要盡量保持均勻一致。為保證連續供料，避免震動器頻繁啟停，就需要根據不同漏斗內的物料調整震動器的給料頻率。通過實時調節各個震動給料器的給料系數來實現，由于本系統總的輸出流量是5（或多個）個震動給料器輸出流量疊加產生的，因此當某個給料器的震動頻率發生變化時，均會影響總的輸出流量。為保證總的輸出流量穩定不變，當某一個或幾個震動給料器需要調整給料系數時，其它震動給料器也要隨之自動調整，以實現總的輸出保持不變。我們在每個出料口安裝紅外掃描儀，掃描皮帶的物料的體積，以便檢測皮帶上的物料有無撒漏。

4 系統設計及各環節介紹

針對解決多臺卸船機協同作業，保持總流量可控的問題，我們基于Smith 預估補償系統，建立具備識別功能數學模型設計協同給料系統。系統原理圖如圖1 所示。

圖1 全自動給料系統原理圖

4.1 輸入輸出采樣

由于5 個震動給料器設備參數相同，各個漏斗在相同的震動頻率下給料能力也是相同的。初始階段將給料系數均設置為1.0。開始給料時按照皮帶機最大流量的1/2（7 500*1/2=3 750）給定初始流量，根據5 臺卸船機給料點距離皮帶秤最遠位置運輸到編組卸船機做前端掃描儀下方的時間作為調整周期T（Lmax/4=T）,每隔一個周期將流量增加50 t/h，直到達到皮帶的設計流量7 500 t/h，共耗時75 T 的時間，流量達到額定。通過采樣程序將這75 個設定值的輸入用X 表示，將這75 個輸入值對應的掃描儀的體積反饋值記錄在輸出采樣表中，用Y 表示。掃描儀所掃描的皮帶上斷面的體積目的是保證斷面。

4.2 建立動態模型

靜態純滯后系統的開環傳遞函數如下式所示，其中G0(s)為不包括純滯后時間τ 的對象模型，

式中：

τ 為純滯后時間；

K0為系統放大倍數；

T0為動態時間常數。

系統的放大倍數是根據震動給料器的實際輸入值自動匹配相應的放大倍數，從而使系統的開環傳遞函數建立動態特性。

在所有的時滯后補償控制方法中，Smith 預估控制方法是應用最為廣泛的方法之一。Smith 預估控制是一種針對純滯后系統設計的控制策略。在控制理論中，滯后指在時間上被控變量的變化落后于擾動變化，是一種十分常見的現象。因為在實際工業生產中，控制通過往往不同程度的存在滯后情況。Smith 預估控制方法是通過在PID 反饋控制基礎上，引入一個預估補償量，使閉環特性方程不含純滯后項，從而使控制質量得到大大的提高。我們將假想的變量B 測量出來，并將其信號反饋至控制器，這樣就把純滯后環節移到了控制回路以外。理想結構示意圖如圖2 所示:

圖2 反饋回路的理想結構示意圖

由圖2 可以得出閉環傳遞函數：

由以上推導公式可得出如下結論，純滯后補償控制系統在單位階躍輸入時，輸出量y(t)的響應曲線和系統的其他性能指標與控制對象不含純滯后特性時完全相同，只是在時間軸上滯后τ，閉環系統輸出特性曲線，如圖3 所示。

圖3 閉環系統輸出特性曲線

4.3 總輸出量保持不變的給料調整方案

我們采用分子分母同時加減綜合不變的方案來調整給料參數。我們用以下數學模型進行分析：

若第n 個分子需要調整增加0.2，則所有分母也調整0.2，以確保總和不變。

例如：5 臺卸船機對同一皮帶機卸料，若第三個分子需要調整0.3，則（1/5.3+1/5.3+1.3/5.3+1/5.3+1/5.3）×5=5。

5 結語

全自動給料控制系統經實際應用，效果良好，從根本上消除了給料不均所導致的皮帶過載、物料過大造成的撒漏等問題，保證皮帶機維持額定輸送量運行，避免皮帶機超載、空載運行等情況對設備所造成的損傷及能耗的增加，提高了礦石碼頭的卸船效率。