姜來福

(神華黃驊港務(wù)公司，河北 滄州 061113)

神華黃驊港煤炭堆場分布著許多皮帶機和轉(zhuǎn)接機房，承擔(dān)煤炭堆料、取料和裝船輸送作業(yè)的重任。在生產(chǎn)過程中，由于缺乏必要的檢測手段，難以精確地把握輸送帶上物料的位置。在散料港口行業(yè)把創(chuàng)新重點放在堆場單機和裝船機自動化技術(shù)開發(fā)時，關(guān)于皮帶機料流特性及其與其他作業(yè)環(huán)節(jié)制約關(guān)系研究的較少。目前行業(yè)多應(yīng)用振動傳感器、加速度振動傳感器、超聲料流檢測儀、變頻器控制等方式來檢測和判斷料流[1-2]，但無論是檢測設(shè)備的穩(wěn)定性、皮帶高速運行時的檢測精度都無法達到對料頭料尾和煤量較少時的檢測需求。相關(guān)文獻僅對料流的檢測手段進行研究，未對整條皮帶線煤流在不同情況下的動態(tài)分布情況、料頭料尾的判定跟蹤、料流檢測錯誤信號的優(yōu)化、皮帶速度和物料傳送規(guī)律、皮帶機料流傳輸控制、皮帶機的實時載煤量以及在指導(dǎo)取裝作業(yè)、清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用等方面進行深入研究。

在裝船作業(yè)第一次上料及換倉過程中，難以掌控取料機開始取料的時間，從安全角度出發(fā)，需要在裝船機完全對接好艙后才可開始上料，具體流程如圖1所示。這樣的啟動順序往往會造成在上料前的一段時間下游皮帶處于空載運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且裝船機皮帶啟動的時間越早，空轉(zhuǎn)的時間就越長，當流程啟動次數(shù)較多時，就造成了生產(chǎn)效率的損失[3]。在裝船作業(yè)最后一個流程中，裝船機操作員只能通過攝像頭或白天的視野來判斷裝船機后方最后一段煤的行走軌跡和斷流情況，但在夜晚視野不好以及遠程操控作業(yè)過程中無法做出精確判斷；解決的方法是靠經(jīng)驗測算出取料機停取后，煤炭經(jīng)過皮帶運輸?shù)窖b船機的大致時間，通過倒計時來指導(dǎo)停止懸皮和移倉動作，在效率和安全性上都有很大的缺陷。皮帶的速度是一個變化值，取料機到裝船機的距離也隨著不同煤種和場次有所不同，給倒計時時間的測算帶來不確定性。

注：BM為與裝船機對接的皮帶機類別；BC為中轉(zhuǎn)的皮帶機類別；BQ為取料的皮帶機類別。

圖1取裝線工藝流程

因此，本文對黃驊港二期裝船線進行系統(tǒng)構(gòu)建，針對行業(yè)內(nèi)存在的問題并結(jié)合黃驊港的實踐需求，對料流追蹤系統(tǒng)各關(guān)鍵技術(shù)進行探索，既可指導(dǎo)煤炭港口實現(xiàn)皮帶機流程的優(yōu)化控制，也為料流追蹤技術(shù)在智慧港口建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 料流追蹤系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體框架

根據(jù)現(xiàn)場皮帶機的運行特點，為實現(xiàn)節(jié)能增效目標，以黃驊港二期8條皮帶機為基礎(chǔ)，建立一套料流追蹤系統(tǒng)，其技術(shù)框架如圖2所示。在皮帶機的轉(zhuǎn)接塔設(shè)置遠程站，負責(zé)采集現(xiàn)場的皮帶機速度和料流檢測信號。為獲取皮帶機的運轉(zhuǎn)速度和準確地對料頭通過的時間進行判定，在增加現(xiàn)場采集設(shè)備的同時，定制化開發(fā)適應(yīng)于現(xiàn)場實際需求的時間估計算法，將料流信息實時動態(tài)地顯示在遠程操控人員的人機界面上。該系統(tǒng)能為流程的啟停、上料提供準確的預(yù)估時間參考。并結(jié)合升級后的裝船機定位系統(tǒng)，能較準確地計算出料流到達裝船機的時間，能在裝船機沒有準備就緒的情況下，及時停止各流程皮帶機上料。與中控系統(tǒng)建立接口，根據(jù)流程命令，綜合考慮流程兩端設(shè)備狀態(tài)，在最大化縮短流程空轉(zhuǎn)時間的基礎(chǔ)上，合理安排流程中各環(huán)節(jié)啟停時間及順序，在檢測料流到達的同時，能夠有序停止流程設(shè)備。設(shè)計了能夠在中控流程和裝船機操作界面上動態(tài)顯示的人機界面(human machine interface,HMI)，為生產(chǎn)人員提供流程倒計時和載煤質(zhì)量等信息，并在系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠進行報警提示。

圖2 料流追蹤系統(tǒng)總體框架

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

黃驊港堆場主要包括儲煤堆場、斗輪取料機、堆場地面皮帶機、轉(zhuǎn)接機房、轉(zhuǎn)接皮帶機、裝船線皮帶機、裝船機等[4]。料流追蹤硬件系統(tǒng)主要包括：皮帶機測速傳感器、料流檢測傳感器、上位機、料流PLC(可編程邏輯控制器)主站、PLC遠程站、PLC通訊模塊、位置檢測模塊、光纖、交換機、皮帶秤、取料機PLC、中控PLC等，其主要硬件組成如圖3所示。

圖3 料流追蹤系統(tǒng)主要硬件組成

根據(jù)皮帶線設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，分別在 BQ3、BQ4、BQ5、BC3、BC4、BM4、BM5、BM6選取合適的位置安裝皮帶機速度檢測開關(guān)和料流檢測開關(guān)，遠程站與PLC 站通過以太網(wǎng)連接；在每臺裝船機的尾車附近安裝料流檢測開關(guān)，對料流進行校準，保證檢測可靠，單元布置工藝如圖4所示。

注：SL4、SL5、SL6為裝船機編號。圖4 傳感器位置及現(xiàn)場皮帶尺寸(單位： m)

2 皮帶機帶速檢測系統(tǒng)設(shè)計

長皮帶測速系統(tǒng)是料流定位系統(tǒng)的重要組成部分，也是皮帶保護的重要信號，它時刻監(jiān)控皮帶的運行情況，一旦皮帶出現(xiàn)打滑、斷裂，通過程序控制停止皮帶運行，最大限度地保護皮帶，減少維修時間。對皮帶機速度進行精準檢測的同時，開發(fā)了相關(guān)算法，消除因皮帶啟停導(dǎo)致的皮帶打滑引起的速度差異，準確計算出料頭在皮帶機上移動的距離。

為快速檢測到皮帶輸送的速度，并給控制系統(tǒng)提供準確的信息，順利地完成設(shè)備的安裝調(diào)試，皮帶機帶速檢測系統(tǒng)采取M法測量方案：在皮帶從動輪安裝信號檢測裝置，根據(jù)接近開關(guān)單位時間內(nèi)讀取的皮帶從動滾筒轉(zhuǎn)動的脈沖信號計算出皮帶的線速度，從而實現(xiàn)為控制系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)。

M法是指在固定時間內(nèi)測量輸出脈沖的數(shù)量，該法適于高速皮帶測量。對于每轉(zhuǎn)有P個脈沖的轉(zhuǎn)速，在固定時間TC內(nèi)計數(shù)值為m1，則轉(zhuǎn)速為：

(1)

相對誤差為：

(2)

通過接近開關(guān)檢測出滾筒的每分鐘轉(zhuǎn)速為n，滾筒的直徑為d，則皮帶機的速度為：

v=ndπ60

(3)

3 皮帶機料流檢測系統(tǒng)設(shè)計

料流檢測系統(tǒng)要既能檢測到皮帶機上是否有料流，又能根據(jù)檢測到料流的時間進行料流定位分析，還能對通過各轉(zhuǎn)接塔的通過時間進行預(yù)估。為對料流進行準確檢測，需要根據(jù)皮帶的特點，選取合適的位置安裝超聲波傳感器作為料流檢測開關(guān)。

超聲波傳感器動作信號是開關(guān)量信號，需要確保在PLC系統(tǒng)采集的開關(guān)量信號的可靠性。在采樣瞬間，輸入信號一旦出現(xiàn)就將其讀入輸入鎖存器供程序使用，干擾信號也有被采用的可能，故必須對這類信號進行必要的處理。

本文提出一種用軟件實現(xiàn)開關(guān)量信號濾波的方法：當某一信號出現(xiàn)時將其記錄，經(jīng)合理的時間延遲后，再次對該信號進行核對，如果該信號仍然存在，則確認信號為真，否則認定為假信號，這樣就避免了毛刺信號，從而實現(xiàn)開關(guān)量輸入信號的濾波。系統(tǒng)采用延遲接通定時器的編程方法，如圖5所示。

圖5 開關(guān)量定時器濾波

輸入開關(guān)量為R_101I.2，進行500 ms判斷，接通500 ms后認為是料流信號，此定時器信號作為下一步4 s延遲定時器輸入，當該輸入信號出現(xiàn)在定時器輸入端時，定時器不輸出，延遲設(shè)定的時間后，如果輸入信號仍然存在，則定時器輸出，否則定時器沒有輸出，可實現(xiàn)對信號的濾波，且濾波的寬度通過定時器的時間參數(shù)可以方便設(shè)定。用MSG指令從中控PLC讀取皮帶運行信號與料流PLC的皮帶啟動計時信號、測速開關(guān)信號一起來判斷皮帶是否運行，最后加入料流檢測信號對皮帶運行狀態(tài)及料流情況做出初步判斷。

4 料流定位系統(tǒng)設(shè)計

在對現(xiàn)場速度檢測開關(guān)及料流檢測開關(guān)，及PLC時間數(shù)據(jù)軸進行綜合分析基礎(chǔ)上，給出料流定位流程如圖6所示。

圖6 料流定位流程

經(jīng)過料流檢測的初步判斷后，在料流追蹤定位過程中，需要將料流信息保存在PLC數(shù)組中。系統(tǒng)采取料流、帶速檢測采樣信號同步處理的方式保存料流定位信息。具體方案為：利用測速開關(guān)的脈沖信號進行有料測速計數(shù)操作，如圖7中計數(shù)器Counter_Vel[8]，設(shè)定測速開關(guān)計數(shù)器預(yù)置值為N1，滾筒直徑為d，當N1個點計數(shù)完成時，皮帶運行距離約為N1πd。同時料流判定加入初次判定信號及濾波信號，在此基礎(chǔ)上進行料流開關(guān)計數(shù)操作，如圖7中計數(shù)器Counter_Flow[10]，設(shè)定預(yù)置值為N2，當計數(shù)器Counter_Vel[8]的計數(shù)值達到N1時，則讀取Counter_Flow[10]的計數(shù)值為N3，如果N3>N22，則判定該料流信號為真，將該數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中。根據(jù)皮帶線長度及每個數(shù)據(jù)對應(yīng)皮帶長度計算所需數(shù)組長度，根據(jù)料流檢測系統(tǒng)判定料流的位置信息，將數(shù)組中料流按照皮帶運行的速度及周期進行移位，同時上位人機界面實時讀取數(shù)組中信息并顯示，以此實現(xiàn)料流實時位置跟蹤。

圖7 料流定位部分算法

5 料流傳輸時間估算

該系統(tǒng)料流傳輸時間計算分為料流從取料機到轉(zhuǎn)接塔傳輸時間和料流從轉(zhuǎn)接塔到裝船機傳輸時間兩部分。

開始取料時根據(jù)懸皮和斗輪運行信號判斷料頭，以取料機皮帶秤的數(shù)值計算開始上料的時間，采集取料機懸皮的實時速度，根據(jù)現(xiàn)場安裝的BQ皮帶的測速開關(guān)可得地面皮帶的速度；在到達BQ皮帶的料流檢測開關(guān)之前，對料流的顯示按照建立的數(shù)學(xué)模型如圖8所示，計算料頭的移動距離；當經(jīng)過BQ皮帶的料流開關(guān)時，對料流的移動距離進行校準，并且判斷下一級皮帶是否已經(jīng)運行，若下一級皮帶已經(jīng)運行，則以當前料流開關(guān)校準的時間為起始時間，估計下一級皮帶開始出現(xiàn)料流的時間及顯示相應(yīng)的位置；若下一級皮帶沒有運行，則按照流程工藝停機。

圖8 料流傳輸時間計算模型

經(jīng)過轉(zhuǎn)接塔后料流在BM皮帶上向裝船機開始輸送，根據(jù)上一級皮帶運行狀態(tài)及料流開關(guān)信號判斷料頭，經(jīng)過BM料流開關(guān)開始計時，由現(xiàn)場獲知地面皮帶的速度，根據(jù)現(xiàn)場安裝的BM皮帶的測速開關(guān)可得地面皮帶的速度；根據(jù)單機定位系統(tǒng)獲取裝船機位置信息，在到達裝船機之前，按照建立的數(shù)學(xué)模型，計算料頭的移動距離；分別判斷及計算各流程皮帶上料流的料頭到達時間及料尾到達時間，從而為各流程皮帶的控制提供時間上的依據(jù)。

6 裝船線皮帶機載煤量實時檢測系統(tǒng)

裝船機遠程操作需要裝船操作員和裝船指導(dǎo)員實時掌握皮帶線特別是BM皮帶上煤流的信息，為裝船機操作員及時啟停裝船機懸皮，防止因過早停懸皮造成漏斗堵料，或移倉不及時造成灑漏煤等事故的發(fā)生。

本文提出一種載煤量實時檢測方法，能實時精確地獲取BM線皮帶上的載煤質(zhì)量，并把相關(guān)信息傳輸?shù)窖b船機和集控室界面，為裝船作業(yè)提供實時信息參考，載煤量實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)和BM線位置分布如圖9、10所示。

圖9 載煤量實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖10 BM線位置分布

該方法的具體實現(xiàn)步驟為：

1) BM線皮帶秤為精度不小于3‰的陣列式皮帶秤，把獲取的皮帶輸煤瞬時量傳入中控PLC。

2)中控PLC與料流PLC之間用以太網(wǎng)模塊進行通訊，料流PLC通過MSG指令從中控PLC獲取BM皮帶秤的瞬時量、BM皮帶啟停等數(shù)據(jù)。

3)裝船機回轉(zhuǎn)中心到BM皮帶秤之間的距離為L，包含固定距離和變化距離兩部分之和。其中固定BM皮帶秤與碼頭西側(cè)起始點的距離為L2，當前裝船機回轉(zhuǎn)中心距碼頭西側(cè)起始點的距離為L1，且L=L1+L2。裝船機回轉(zhuǎn)中心的位置定位由裝船機行走編碼器獲得，根據(jù)裝船機行走位置實時計算得出。

4)根據(jù)皮帶機帶速檢測系統(tǒng)計算出BM皮帶的運行速度v。

5)由于陣列式皮帶秤的瞬時量的分辨率為2 Hz，因此在PLC程序中設(shè)計一個0.5 s的計時器，當BM皮帶啟動后，PLC每隔0.5 s采集一次皮帶秤的瞬時量數(shù)據(jù)，并把每次采集的數(shù)值依次存放在PLC寄存器的一個可存300個數(shù)據(jù)的數(shù)組Data[300]中，最新的數(shù)值存放在Data[0]單元中，之前的數(shù)據(jù)依次向高位數(shù)組單元移位。因為BM線的最大有效長度為1 400 m，BM皮帶的速度均值為4.8 ms，則需要約292個數(shù)組單元，所以300個數(shù)組單元完全滿足瞬時量的有效存儲。

6)根據(jù)當前距離L計算BM的累積量。料流通過BM的時間t′=Lv；分布在BM線的瞬時量個數(shù)N=t′0.5；則當前皮帶的累計質(zhì)量[t])。

7 裝船機定位系統(tǒng)

整套料流追蹤系統(tǒng)中，只有裝船機的位置會隨著作業(yè)情況發(fā)生變化，無論是獲取料流到裝船機的時間信息還是皮帶線上的實時載煤量，都離不開裝船機的位置數(shù)據(jù)，須對原有的矯正塊式的定位系統(tǒng)進行升級。

為更加準確地獲取裝船機的實時位置，SL4、SL5、SL6 裝船機行走從動輪上各安裝1個以太網(wǎng)絕對值編碼器，并為其構(gòu)建RFID(radio frequency identification，射頻識別)行走檢驗。二期3臺裝船機，每隔10 m安裝1個RFID標簽，每個標簽內(nèi)部配置成固定的位置數(shù)據(jù)，同一條軌道上的3臺裝船機共用1套 RFID標簽，每臺裝船機安裝1套探頭及網(wǎng)關(guān)設(shè)備，搭建RFID位置校正系統(tǒng)。通過RFID與絕對值編碼器的配合，探頭經(jīng)過標簽時快速讀出當前的位置，與絕對值編碼器的數(shù)據(jù)進行對比，如果偏差較小將對絕對值編碼器進行自動矯正，如果偏差大于一定值，系統(tǒng)會通過PLC系統(tǒng)給出故障報警，從而保障裝船機的位置精度。經(jīng)測試，行走精度可達到厘米級。

8 試驗及應(yīng)用

以BQ3-BM6-SL6線為例對料流系統(tǒng)性能進行試驗，得出的主要數(shù)據(jù)見表1。

料流定位系統(tǒng)的用戶界面如圖11所示，能顯示皮帶機上料流實時位置、煤流到達裝船機倒計時、料頭料尾時間以及BM皮帶的實時載煤量信息。

圖11 料流定位系統(tǒng)的使用界面

通過在黃驊港二期工程3條取裝線半年的測試和應(yīng)用，該系統(tǒng)檢測結(jié)果與真實料流分布位置在20 m以內(nèi)，其性能可靠、實用性強、工作穩(wěn)定易推廣。

9 結(jié)語

1)煤炭港口皮帶機料流追蹤系統(tǒng)能準確檢測出料流在輸送帶上的分布位置，與真實的料流分布位置誤差在20 m以內(nèi)，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

2)皮帶機速度檢測裝置能準確檢測不同載荷下的實時帶速，誤差控制在5%以內(nèi)，滿足使用要求。

3)使用高性能的料流檢測傳感器，濾波處理后的料流檢測準確率在99%以上。

4)能預(yù)先為流程啟停、上料提供準確預(yù)估時間，能在檢測到料流可能提前到達時，有次序地停止流程設(shè)備，不引起轉(zhuǎn)接處的堵料、灑落煤等情況。

5)人性化的人機界面設(shè)計，能全面反映取裝線的各種關(guān)鍵信息。