賀吉，魏勇，魏傳鍵，李楠

（1.福建華電儲(chǔ)運(yùn)有限公司，福建 福州 350500；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

福州港是福建省政府規(guī)劃建設(shè)的四大港口群之一，港口集散貨物主要為大宗散貨、件雜貨等。福建省交通運(yùn)輸廳發(fā)布的 《福建省沿海港口布局規(guī)劃（2020-2035年）》明確指出：福州港羅源灣港區(qū)是外貿(mào)進(jìn)口鐵礦石專業(yè)化碼頭和大型煤炭碼頭重點(diǎn)布局的二大港區(qū)之一。可門(mén)港是福建省天然深水港灣，整個(gè)海灣被羅源半島和連江半島環(huán)抱，具有十分優(yōu)越的地理位置，是一個(gè)重要的散貨物流中轉(zhuǎn)樞紐，四通八達(dá)的水水、水陸、水鐵中轉(zhuǎn)路線，構(gòu)成了一個(gè)多維的高速流動(dòng)的物流網(wǎng)絡(luò)。

隨著各大散貨碼頭的大規(guī)模投資建設(shè)，各碼頭港口之間的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，散貨碼頭利用其先進(jìn)裝卸設(shè)備、大面積的堆場(chǎng)和便利的集疏運(yùn)通道等優(yōu)勢(shì)，逐步開(kāi)展配煤、配礦相關(guān)業(yè)務(wù)。散貨碼頭的配礦，主要通過(guò)2 臺(tái)斗輪機(jī)根據(jù)配礦比例進(jìn)行取料，再經(jīng)過(guò)皮帶機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行混合、拌勻，再進(jìn)行裝船、裝車或堆場(chǎng)到其他場(chǎng)地，實(shí)現(xiàn)混配出場(chǎng)或混配暫存。目前，碼頭上的斗輪機(jī)以人工作業(yè)為主，常規(guī)混配作業(yè)中，一般需要至少2 名熟練的斗輪機(jī)司機(jī)，按照指定工單進(jìn)行取料作業(yè)，由于人員作業(yè)技能差異、天氣狀況、身體狀況、視線等因素，都會(huì)導(dǎo)致混配的精度不穩(wěn)定，不能滿足配煤、配礦精度要求。

本文以某散貨轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭為例，通過(guò)斗輪機(jī)全自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)散貨轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭配礦自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配礦全自動(dòng)控制，為國(guó)內(nèi)中轉(zhuǎn)散貨碼頭配礦提供借鑒。

1 系統(tǒng)概況

某儲(chǔ)運(yùn)公司位于福州港羅源灣南岸的可門(mén)作業(yè)區(qū)，建港條件優(yōu)越，是少有的具有天然掩護(hù)的沿海深水岸線資源之一，港區(qū)離連江縣城約39 公里，距福州市區(qū)約85 公里。中心工程擁有可門(mén)作業(yè)區(qū)8 ～11 號(hào)4 個(gè)泊位和一個(gè)用于建設(shè)大型散貨堆場(chǎng)的上宮洋墾區(qū)，碼頭岸線總長(zhǎng)度1251 米。其中一期10 號(hào)泊位為20 萬(wàn)噸級(jí)卸船泊位，11 號(hào)泊位為5 萬(wàn)噸級(jí)裝船泊位，年設(shè)計(jì)吞吐量為1800 萬(wàn)噸，可實(shí)現(xiàn)水水中轉(zhuǎn)、水鐵中轉(zhuǎn)和水陸中轉(zhuǎn)。共有堆場(chǎng)43 萬(wàn)平方米，目前主堆場(chǎng)堆約12 萬(wàn)平方米，其中101 堆場(chǎng)3 萬(wàn)平方米，102 ～103 堆場(chǎng)5 萬(wàn)平方米，104 堆場(chǎng)4 萬(wàn)平方米。輸煤系統(tǒng)目前共有3 臺(tái)橋式抓斗卸船機(jī)、3 臺(tái)斗輪機(jī)、1 臺(tái)裝船機(jī)、31 臺(tái)帶式輸送機(jī)，分別用于卸船系統(tǒng)、裝船系統(tǒng)及送煤系統(tǒng)。其中3 臺(tái)卸船機(jī)位于10#泊位，裝船機(jī)位于11#泊位，1#斗輪機(jī)和2#斗輪機(jī)位于主堆場(chǎng)（在B4-2 和B4-3 帶式輸送機(jī)上），4#斗輪機(jī)位于擴(kuò)能堆場(chǎng)（在B8-5 帶式輸送機(jī)上），如圖1 所示。1#、2#斗輪機(jī)額定堆料出力為4000t/h，取料出力為3000t/h。

圖1 某碼頭裝卸工藝流程圖

為提高堆場(chǎng)的堆取作業(yè)效率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，碼頭對(duì)1#、2#斗輪機(jī)實(shí)施了全自動(dòng)控制改造，利用5G專網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了斗輪機(jī)就地與集控室之間高寬帶、高可靠性、超短時(shí)延的數(shù)據(jù)和圖像通訊，并成功實(shí)現(xiàn)了裝船作業(yè)時(shí)的礦石混配控制。

2 實(shí)施方案

在斗輪機(jī)相關(guān)部位安裝料位、流量、定位、防撞、料堆激光掃描等檢測(cè)裝置，以及視頻監(jiān)控裝置，獲取相關(guān)圖像和檢測(cè)數(shù)據(jù)，在服務(wù)器、上位機(jī)和PLC 形成料堆三維模型、確定堆取料作業(yè)空間位置和控制執(zhí)行指令，最終實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)遠(yuǎn)程全自動(dòng)控制，就地?zé)o人值守。

利用斗輪機(jī)取料時(shí)的恒流控制技術(shù)，將皮帶流量控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，為配礦自動(dòng)控制提供基礎(chǔ)。

2.1 斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

如圖2 所示，在堆場(chǎng)外圍建筑物上安裝2 臺(tái)5G 基站，基站信號(hào)覆蓋整個(gè)堆場(chǎng)；在2 臺(tái)斗輪機(jī)上分別安裝2 臺(tái)CPE(Customer-Premises Equipment，客戶終端設(shè)備)作為5G 終端設(shè)備；在集控室機(jī)房布置一臺(tái)UPF 服務(wù)器，用于本地?cái)?shù)據(jù)分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)，支持10Gbps業(yè)務(wù)吞吐量，實(shí)現(xiàn)了輪機(jī)遠(yuǎn)程與就地之間的超高帶寬、超短時(shí)延的5G無(wú)線通信。在斗輪機(jī)上安裝各種檢測(cè)裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或網(wǎng)線接入斗輪機(jī)全自動(dòng)控制PLC；同時(shí)，在斗輪機(jī)關(guān)鍵部位安裝若干高清攝像頭，以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況。PLC 數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)分別接入到2 臺(tái)5G CPE，在5G 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)通信分流，可減少大流量視頻數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)和控制信號(hào)時(shí)延和抖動(dòng)影響，提高系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

圖2 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

2.2 斗輪機(jī)恒流取料技術(shù)

斗輪機(jī)取料恒流控制是一個(gè)閉環(huán)PID 控制，過(guò)程量為懸臂取料流量，控制量為懸臂回轉(zhuǎn)速度，PID 參數(shù)：Kp 比例調(diào)節(jié)超調(diào)量、Ki 消除靜態(tài)積分、Kd 控制微分系數(shù)調(diào)試變化趨勢(shì)。斗輪機(jī)的取料恒流控制，國(guó)內(nèi)已有較多研究。斗輪機(jī)在取料作業(yè)時(shí)，斗輪負(fù)載重量由斗輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流值體現(xiàn)，同時(shí)，由于懸臂皮帶上的料流量檢測(cè)與斗輪取料動(dòng)作一般有幾秒時(shí)延，因此為滿足實(shí)時(shí)控制的要求，通行的取料控制方式是構(gòu)建瞬時(shí)取料量與斗輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)電流值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，線性關(guān)系模型或二次非線性模型

國(guó)內(nèi)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最大取料流量、減少上倉(cāng)時(shí)長(zhǎng)為目標(biāo)，因此，在技術(shù)上，以斗輪機(jī)額定取料出力為基準(zhǔn)，通過(guò)斗輪電流和皮帶流量的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，建立PID 閉環(huán)控制模型，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)額定取料出力恒流控制，偏離幅度±10%。由于現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型主要為滿足額定流量構(gòu)建的，其在較小取料流量時(shí)，并不能較好地反映斗輪電流和皮帶流量的數(shù)學(xué)關(guān)系，取料流量控制偏差較大。為實(shí)施配礦業(yè)務(wù)，需要對(duì)中小流量的取料進(jìn)行精準(zhǔn)控制，因此在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有取料流量控制技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化斗輪電流和皮帶流量的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。采用分段線性數(shù)學(xué)關(guān)系模型，在較小取料流量時(shí)更密的折線段，而在較大取料流量時(shí)采用較疏的折線段。在300 ～1000t/h 區(qū)間以每段50t/h 劃分為14 段折線，在1000 ～2000t/h 區(qū)間以100t/h 劃分為10 段折線，在2000 ～3200t/h 區(qū)間以150t/h 劃分為8 段折線，從而構(gòu)建了大范圍高精度擬合的線性數(shù)學(xué)模型，減小了在較低出力時(shí)的擬合誤差。將分段線性數(shù)學(xué)關(guān)系模型中的斗輪電流作為PID閉環(huán)控制中的過(guò)程量，設(shè)定取料流量的目標(biāo)值，PID 控制自動(dòng)調(diào)節(jié)一個(gè)偏差量后對(duì)回轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)分段區(qū)間流量的精確控制。

通過(guò)小流量PID 控制模型，建立了小流量取料作業(yè)的恒流控制技術(shù)，從300t/h 到3200t/h 出力均滿足精確恒流控制要求，為皮帶混配控制提供了基礎(chǔ)。

2.3 配礦自動(dòng)控制

（1）1#、2#斗輪機(jī)裝船路線分別為：

①1#斗輪機(jī)-(B4-2)-(T3-2)-(B5-1)-(T3-1)-(B4-1)-(T2-5)-(B3-6)-(T2-4)-(B3-5)-(T2-3)-(B2-1)-(T1-1)-(B1-1)-裝船機(jī)。

②2#斗輪機(jī)-(B4-3)-(T3-3)-(B5-1)-(T3-2)-(T3-1)-(B4-1)-(T2-5)-(B3-6)-(T2-4)-(B3-5)-(T2-3)-(B2-1)-(T1-1)-(B1-1)-裝船機(jī)。

斗輪機(jī)1#、2#的取料料流在T3-2 處匯合，經(jīng)過(guò)T3-1T2-5T2-4T2-3T1-1 等多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站轉(zhuǎn)運(yùn)后，2 種礦料得到充分均勻混配。為實(shí)現(xiàn)裝船配礦作業(yè)，設(shè)計(jì)如下。

（2）料流匯合時(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)：在作業(yè)前根據(jù)2 臺(tái)斗輪機(jī)取料點(diǎn)的大車位置，T3-2/T3-3 之間距離以及皮帶B4-2B4-3B5-1 移動(dòng)速度，設(shè)置2 臺(tái)斗輪機(jī)的不同作業(yè)開(kāi)始時(shí)間，使得2 臺(tái)斗輪機(jī)初始取料料流同時(shí)到達(dá)T3-2轉(zhuǎn)運(yùn)站實(shí)現(xiàn)匯合。

（3）流量分配：根據(jù)配礦混配要求，在不大于斗輪機(jī)、皮帶機(jī)的額定出力前提下，計(jì)算和設(shè)置2 臺(tái)斗輪機(jī)的取料出力，使得匯合后總出力最大且在額定出力范圍內(nèi)。

（4）總量控制：分別在皮帶B4-2B4-3 出口處設(shè)置高精度的皮帶秤，用以監(jiān)測(cè)配礦時(shí)不同礦種的總量；同時(shí)通過(guò)T2-5的皮帶秤進(jìn)行總流量監(jiān)測(cè)。根據(jù)取料流量、斗輪機(jī)與皮帶秤距離、皮帶速度，估算皮帶B4-2B4-3上的存料量，在各礦種取料總量達(dá)到預(yù)定要求時(shí)，及時(shí)停止斗輪機(jī)取料作業(yè)，完成配礦裝船作業(yè)。

3 實(shí)施效果

在1#、2#斗輪機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制改造后，斗輪機(jī)運(yùn)行人員從斗輪機(jī)就地司機(jī)室撤離到集控室內(nèi)，同時(shí)，斗輪機(jī)取料流量比人工作業(yè)時(shí)更加平穩(wěn)，效率更高。通過(guò)B4-2、B4-3 出口的皮帶秤監(jiān)測(cè)，斗輪機(jī)在不同礦種、不同流量工況時(shí)取料流量穩(wěn)定，平均流量偏離幅度小于10%，滿足要求。對(duì)不同配礦比例要求，通過(guò)T2-5 的皮帶秤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，配礦總流量穩(wěn)定，滿足要求。

碼頭配礦自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)施，改變了以往人工配礦時(shí)的波動(dòng)性，提高了配礦的精準(zhǔn)性和匹配性。相對(duì)堆場(chǎng)配礦等其他配礦方式，具有運(yùn)行設(shè)備少，工藝簡(jiǎn)單，效率高等特點(diǎn)。圖3 和圖4 分別為斗輪機(jī)上位機(jī)取料作業(yè)界面以及取料流量曲線圖。

圖3 斗輪機(jī)上位機(jī)取料作業(yè)界面

圖4 斗輪機(jī)取料流量曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

斗輪機(jī)在實(shí)施全自動(dòng)控制系統(tǒng)改造后，實(shí)現(xiàn)就地?zé)o人值守。通過(guò)對(duì)不同取料流量建立相應(yīng)的斗輪電流取料流量數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同取料流量的精準(zhǔn)控制，減小了流量偏離誤差。進(jìn)一步設(shè)置皮帶秤對(duì)不同斗輪機(jī)取料總量和配礦后總量進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了斗輪機(jī)裝船線配礦自動(dòng)控制。實(shí)踐應(yīng)用表明，散貨轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭斗輪機(jī)全自動(dòng)控制改造后，配礦取得了預(yù)期效果，為國(guó)內(nèi)同行提供改造借鑒。