劉永昌

（神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113）

1 設(shè)計(jì)背景

隨著“中國制造2025”的不斷推進(jìn)，自動(dòng)化智能化建設(shè)在各行業(yè)持續(xù)開展。交通運(yùn)輸部也發(fā)布了相應(yīng)指導(dǎo)意見，提出了港口轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展目標(biāo)，要求提升港口裝備智能化水平。黃驊港作為西煤東運(yùn)、北煤南運(yùn)的重要下水港，一直致力于打造綠色、智慧、國際一流的能源大港。近幾年，黃驊港已實(shí)現(xiàn)了翻堆取環(huán)節(jié)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，裝船機(jī)的遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)化成為全流程智能化的最后一關(guān)。裝船機(jī)是一種散雜貨碼頭重要的裝船設(shè)備，負(fù)責(zé)將皮帶上的物料裝至船艙中。傳統(tǒng)的操作方式為操作員在海平面20米以上的狹小司機(jī)室內(nèi)進(jìn)行近海高空作業(yè)，不僅工作環(huán)境惡劣、存在安全風(fēng)險(xiǎn)，還易造成頸椎病、抑郁癥等影響身心健康的疾病。因此，實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)遠(yuǎn)程操控可以極大改善操作人員的作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高幸福指數(shù)。此外，裝船機(jī)遠(yuǎn)程操控也可為后續(xù)的裝船機(jī)自動(dòng)化和全流程智能化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)方案

由于裝船機(jī)作業(yè)受潮汐、海浪、船型及船體結(jié)構(gòu)等因素的影響，對(duì)作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性要求極高，因此，裝船機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)必須具備低時(shí)延、高可靠性等特點(diǎn)。鑒于以上要求，本設(shè)計(jì)制定了一套融合遠(yuǎn)程操控、視頻監(jiān)控、空間定位、安全保護(hù)和監(jiān)測(cè)預(yù)警的解決方案，實(shí)現(xiàn)了裝船機(jī)的遠(yuǎn)程操控。操控員置身于干凈舒適的集控室中，即可通過操控手柄和人機(jī)交互界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操控，通過視頻畫面了解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，通過報(bào)警指示信號(hào)提示音對(duì)設(shè)備狀態(tài)了如指掌。

2.1 遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)

裝船機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)將集控室操作臺(tái)上的的操控手柄指令和上位機(jī)HMI界面的操控指令傳遞給原PLC控制系統(tǒng)，從而控制裝船機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；并將裝船機(jī)主要工作狀態(tài)信息在上位機(jī)HMI界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。有兩個(gè)方案可實(shí)現(xiàn)以上功能。

方案一：在集控室增加一套獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，將操作手柄的模擬量、數(shù)字量信號(hào)接入集控室PLC中。集控室PLC系統(tǒng)、集控室上位機(jī)、裝船機(jī)原PLC系統(tǒng)位于同一個(gè)VLAN的控制網(wǎng)中。集控室PLC與裝船機(jī)原PLC之間通過MESSAGE傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)HMI通過OPC協(xié)議直接獲取數(shù)據(jù)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是幾個(gè)裝船機(jī)集控室只需要增加一套PLC控制系統(tǒng)，直接借助原有的控制網(wǎng)，成本較??；缺點(diǎn)是信號(hào)的傳輸時(shí)間長(zhǎng)，易受外部信號(hào)干擾，控制網(wǎng)出故障后可能影響全部裝船機(jī)，存在較大的安全隱患。

方案二：在每個(gè)裝船集控室增加一套PLC遠(yuǎn)程站，將操作手柄的模擬量、數(shù)字量信號(hào)接入PLC遠(yuǎn)程站中。PLC遠(yuǎn)程站、集控室上位機(jī)都通過以太網(wǎng)和光纖接入裝船機(jī)PLC子網(wǎng)中，組建一套控制專網(wǎng)。PLC遠(yuǎn)程站直接組態(tài)到裝船機(jī)原PLC控制系統(tǒng)中，上位機(jī)HMI通過OPC協(xié)議連接機(jī)上PLC獲取數(shù)據(jù)。此方案中，控制專網(wǎng)屬于封閉的局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低、可靠性高，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

由于裝船機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)安全性和穩(wěn)定性要求很高，因此，選用第二套方案。在每個(gè)裝船集控室布置一套包含三個(gè)操作手柄和兩個(gè)急停按鈕的操作臺(tái)，用于操作行走、俯仰、伸縮、溜筒回轉(zhuǎn)等動(dòng)作以及緊急停機(jī)保護(hù)；安裝一套人機(jī)交互界面用于其他動(dòng)作的的操控和信號(hào)監(jiān)視；在每個(gè)設(shè)備間內(nèi)安裝一套PLC遠(yuǎn)程站，用于接收操作手柄和急停信號(hào)；為每臺(tái)裝船機(jī)搭建通過光纖傳輸?shù)目刂茖＞W(wǎng)，用于集控室和裝船機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

裝船機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控后，操控員將無法再直接通過視覺觀察現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，因此，一套完備無死角的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程操控是至關(guān)重要的。

為每臺(tái)裝船機(jī)安裝16個(gè)高清攝像頭，可以覆蓋行走機(jī)構(gòu)、電纜卷筒、溜筒、漏斗、俯仰、臂架、懸皮、最高點(diǎn)、尾車等重點(diǎn)部位的各個(gè)角度。攝像機(jī)性能需不低于IP67防護(hù)等級(jí)、200萬像素、具有紅外夜視功能。所有攝像頭均單獨(dú)供電，通過以太網(wǎng)連接至機(jī)上視頻網(wǎng)交換機(jī)，最終接入機(jī)上硬盤錄像機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。在集控室安放視頻解碼器，并接入集控室視頻網(wǎng)交換機(jī)，監(jiān)控大屏連接視頻解碼器，通過視頻監(jiān)控平臺(tái)調(diào)取各監(jiān)控畫面，以供操作人員監(jiān)護(hù)使用。

2.3 空間定位系統(tǒng)

為了實(shí)時(shí)獲取裝船機(jī)的位置信息，掌握裝船機(jī)的行走位置、俯仰角度、伸縮位置、溜筒角度等作業(yè)數(shù)據(jù)，需要為每臺(tái)裝船機(jī)安裝空間定位系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，安裝了兩套互相獨(dú)立冗余的定位系統(tǒng)，一套是基于北斗的高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)，一套是編碼器定位系統(tǒng)。

（1）高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)。在裝船機(jī)上安裝1套基于北斗的衛(wèi)星定位系統(tǒng)移動(dòng)站設(shè)備，選用雙天線模式，包括定位天線和定向天線。衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以接收黃驊港CORS基站系統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星定位結(jié)果進(jìn)行修正，得到精度更高的定位數(shù)據(jù)。移動(dòng)站可通過配置直接輸出本地坐標(biāo)系下的位置信息、角度信息和定位質(zhì)量信息，并通過以太網(wǎng)傳入裝船機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。PLC根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，結(jié)合裝船機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置，計(jì)算出裝船機(jī)的定位數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選用的是華測(cè)P2-Pro產(chǎn)品，定位精度為厘米級(jí)，數(shù)據(jù)更新頻率高于20Hz。

（2）編碼器定位系統(tǒng)。在裝船機(jī)合適的位置安裝行走、俯仰、臂架伸縮、溜筒回轉(zhuǎn)四個(gè)編碼器。編碼器選用可編程和高可靠性的重載絕對(duì)值編碼器，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，防護(hù)等級(jí)IP67，接口方式為PROFIBUS DP或以太網(wǎng)，單圈分辨率不低于12位，使用絕緣型聯(lián)軸器與大機(jī)相連，編碼器接頭處使用專用接頭及接線盒。編碼器與PLC控制系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠，編碼器無死機(jī)、數(shù)據(jù)跳變等異常情況。

為了消除累計(jì)誤差需要為每個(gè)編碼器配置相應(yīng)的校正裝置。行走編碼器的校正裝置選用RFID。RFID讀寫頭安裝于行走機(jī)構(gòu)上，通過以太網(wǎng)接入PLC控制系統(tǒng)，標(biāo)簽安裝于行走軌道上，安裝密度為10米1個(gè)。俯仰、伸縮、溜筒回轉(zhuǎn)編碼器的校正裝置選用接近開關(guān)或磁性開關(guān)。

2.4 安全保護(hù)系統(tǒng)

安全是生產(chǎn)的前提，為了保證裝船機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)的安全，開發(fā)了安全保護(hù)系統(tǒng)，主要包括以下保護(hù)措施。

（1）綜合防碰撞保護(hù)。通過安裝在溜筒、臂架、行走機(jī)構(gòu)的防碰撞檢測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)檢測(cè)裝船機(jī)相應(yīng)機(jī)構(gòu)與船舶、軌道異物等外界物體的距離，當(dāng)距離小于一級(jí)設(shè)定距離時(shí)，相應(yīng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限速控制，當(dāng)距離小于二級(jí)設(shè)定距離時(shí)，禁止相應(yīng)動(dòng)作，起到防碰撞保護(hù)功能。裝船機(jī)控制系統(tǒng)之間通過MSSAGE進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)獲取相鄰裝船機(jī)的行走位置信息，計(jì)算空間距離，防止兩機(jī)發(fā)生碰撞事故。

（2）無線遙控急停保護(hù)。無線急停遙控裝置是一套特殊情況下對(duì)裝船機(jī)或地面皮帶進(jìn)行緊急停機(jī)的保護(hù)裝置。他包含一個(gè)無線急停接收器和若干個(gè)與其適配的無線急停遙控器，接收器和遙控器之間通過無線傳輸信號(hào)。無線急停接收器安裝在裝船機(jī)上，輸出信號(hào)接入PLC系統(tǒng)，無線急停遙控器由現(xiàn)場(chǎng)指揮作業(yè)的艙口管理，一旦艙口發(fā)現(xiàn)安全隱患就可通過遙控器觸發(fā)裝船機(jī)或地面皮帶緊急停機(jī)。

無線急停遙控器配置三個(gè)按鈕，分別為裝船機(jī)急停按鈕、地面皮帶機(jī)急停按鈕和測(cè)試按鈕。當(dāng)按下遙控器中裝船機(jī)急停按鈕后，無線急停接收器相應(yīng)的干接點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)變化，通過PLC程序控制裝船機(jī)緊急停機(jī)并切斷低壓電。當(dāng)按下遙控器中地面皮帶機(jī)急停按鈕后，無線急停接收器相應(yīng)的干接點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)變化、此信號(hào)先輸入裝船機(jī)PLC控制系統(tǒng)中，再通過MESSAGE指令傳輸給中控PLC，控制地面皮帶機(jī)急停。測(cè)試按鈕用于檢測(cè)無線急停遙控裝置的工作狀態(tài)是否正常。

（3）遠(yuǎn)程急停保護(hù)。將集控室急停按鈕的一路觸點(diǎn)通過電纜、開關(guān)量光纖中繼器、光纖等設(shè)備接入裝船機(jī)電氣室單機(jī)急停鏈路或變電所皮帶機(jī)控制柜內(nèi)的地面皮帶急停鏈路，實(shí)現(xiàn)通過“硬線”對(duì)裝船機(jī)或地面皮帶機(jī)的遠(yuǎn)程急?？刂?。將集控室急停按鈕的另一路觸點(diǎn)直接接入集控室PLC遠(yuǎn)程站，通過PLC程序控制，實(shí)現(xiàn)“軟線”對(duì)裝船機(jī)或地面皮帶機(jī)的遠(yuǎn)程急?？刂啤陕废嗷オ?dú)立冗余的急停保護(hù)鏈路可以極大地提高安全性，為失控下的裝船機(jī)提供最后一道保護(hù)。

（4）通信中斷應(yīng)急保護(hù)。為了防止集控室與裝船機(jī)因通信中斷導(dǎo)致的失控狀態(tài)，通過PLC編程制作遠(yuǎn)程站和HMI的通信檢測(cè)程序，一旦通信中斷，將移除裝船機(jī)全部動(dòng)作；同時(shí)，還進(jìn)行PLC組態(tài)設(shè)置，一旦遠(yuǎn)程站通信超時(shí)，PLC報(bào)主要故障進(jìn)行停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了通信中斷的雙應(yīng)急保護(hù)。

2.5 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)裝船機(jī)信號(hào)及變化趨勢(shì)，提前發(fā)現(xiàn)隱患，發(fā)出預(yù)警信號(hào)或應(yīng)急處置。主要包括無線急停遙控裝置失靈監(jiān)測(cè)、伸縮掛纜異常監(jiān)測(cè)、動(dòng)作過速監(jiān)測(cè)、動(dòng)作異常檢測(cè)等。

3 結(jié)語

裝船機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裝船機(jī)的遠(yuǎn)程集控，控制專網(wǎng)的搭建保證了遠(yuǎn)程操控的快速性和穩(wěn)定性，綜合防碰撞保護(hù)系統(tǒng)可有效避免裝船機(jī)與船舶等異物的碰撞事故，無線急停保護(hù)裝置提供了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置方案，通信中斷檢測(cè)及應(yīng)急保護(hù)功能可避免通信中斷產(chǎn)生的設(shè)備失控風(fēng)險(xiǎn)。這些都有效保證了裝船機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)的安全性。本設(shè)計(jì)方案在黃驊港已經(jīng)全面應(yīng)用，不僅改善了作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了煤炭裝卸全流程作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)無人化，還為后期裝船機(jī)自動(dòng)化和全流程智能化奠定了基礎(chǔ)，具有在其他煤炭港口推廣應(yīng)用的價(jià)值。