黃驊港智能堆場(chǎng)系統(tǒng)優(yōu)化研究①

陳致遠(yuǎn)

(神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司 河北滄州 061113)

黃驊港智能堆場(chǎng)建設(shè)完成，實(shí)現(xiàn)了堆取環(huán)節(jié)的全自動(dòng)運(yùn)行，是國內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行的煤炭堆場(chǎng)。但在后續(xù)的使用過程中，陸續(xù)暴露了一些缺陷，雖然從本質(zhì)來講，這些缺陷對(duì)整體運(yùn)行并未產(chǎn)生大的不良效果，但仍然存在一定的提升優(yōu)化空間，為此，黃驊港從多個(gè)角度入手，對(duì)智能堆場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的升級(jí)，主要涉及安全生產(chǎn)、提能增效、人性化操控等方面。

1 自動(dòng)取料優(yōu)化

1.1 增加防止懸皮打滑控制方法，有效避免重載停機(jī)

懸皮打滑是皮帶轉(zhuǎn)速小于驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速的一種現(xiàn)象，一般多出現(xiàn)在雨天、物料濕滑、取料量過大等情況下。懸皮打滑開關(guān)實(shí)時(shí)檢測(cè)改向滾筒的速度，當(dāng)檢測(cè)值小于設(shè)定值超過一定時(shí)間后，觸發(fā)懸皮打滑報(bào)警，同時(shí)停止懸皮。這是一種事后保護(hù)措施，可以防止?jié)L筒包膠嚴(yán)重受損、皮帶嚴(yán)重受損、摩擦起火等事故的發(fā)生，但無法從根本上消除懸皮打滑事件，影響了作業(yè)的連續(xù)性。

從力學(xué)角度分析，懸皮打滑是由于驅(qū)動(dòng)滾筒與皮帶之間的摩擦力小于皮帶上物料自身重力在反向向上的分力造成的。在無法瞬間改變摩擦力的時(shí)候我們可以通過減小皮帶上物料量來有效緩解懸皮打滑現(xiàn)象。因此當(dāng)我們檢測(cè)到懸皮轉(zhuǎn)速降低后可以通過停止回轉(zhuǎn)來減小取料量，幫助懸皮恢復(fù)正常速度。

利用雙輪接觸式測(cè)速裝置，一對(duì)直徑300mm的摩擦輪與上部皮帶的下表面接觸，測(cè)速傳感器為光電編碼器，內(nèi)部有一個(gè)齒數(shù)為60的圓盤和光電裝置，每個(gè)齒通過光電頭，均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。在配重的作用下摩擦輪與物料承載面皮帶實(shí)時(shí)接觸，測(cè)速準(zhǔn)確，精確度更高。測(cè)量精度=3.14*0.3/60=0.0157m/s。

控制策略：首先測(cè)量懸皮重載時(shí)的轉(zhuǎn)速，多次測(cè)量取平均值作為取料時(shí)懸皮的正常轉(zhuǎn)速V。取料過程中，當(dāng)實(shí)時(shí)采集的懸皮轉(zhuǎn)速小于0.9*V時(shí)，禁止回轉(zhuǎn)，恢復(fù)至0.95*V以上時(shí)，重新開始回轉(zhuǎn)取料；如果懸皮轉(zhuǎn)速持續(xù)小于0.8*V超過10s，則認(rèn)為懸皮打滑無法恢復(fù)，停止懸皮和斗輪運(yùn)行。

1.2 優(yōu)化塌跺恢復(fù)程序，提高作業(yè)效率

原有的塌跺恢復(fù)程序原理為：當(dāng)檢測(cè)到斗輪轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值持續(xù)5s認(rèn)為發(fā)生了塌垛，此時(shí)停止回轉(zhuǎn)5秒，如果斗輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常，則繼續(xù)正常作業(yè)；如果斗輪轉(zhuǎn)速未恢復(fù)正常，則后退1m，等待5s；如果此時(shí)斗輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)則進(jìn)車到原來的位置繼續(xù)作業(yè)；如果未恢復(fù)則再次后退并報(bào)警“塌垛恢復(fù)失敗”。

此塌垛恢復(fù)程序可以實(shí)現(xiàn)普通塌垛時(shí)的恢復(fù)功能，但對(duì)于進(jìn)車過大或者對(duì)垛位置不準(zhǔn)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)過程中吃料過厚造成的憋斗輪效果不佳。因?yàn)樵械乃饣謴?fù)程序每次恢復(fù)后都會(huì)行走至原來的取料位置，不能解決吃料厚度過大的問題，會(huì)頻繁檢測(cè)到塌垛、甚至塌垛恢復(fù)失敗，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率。

優(yōu)化后的塌垛恢復(fù)程序保留了原來的執(zhí)行邏輯，只是檢測(cè)到塌垛后退1m待斗輪轉(zhuǎn)速恢復(fù)后，只前進(jìn)0.5m，從而減少了吃料厚度，有效地避免了頻繁發(fā)生塌垛，保證了作業(yè)的連續(xù)性，間接提高了作業(yè)效率。

1.3 增加垛底厚度自動(dòng)調(diào)整功能，降低垛底厚度，提高清垛效率

深挖設(shè)備潛能，不斷優(yōu)化設(shè)備生產(chǎn)工藝，是提高裝船效率的重要手段。取料機(jī)目前已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)，自動(dòng)化作業(yè)效率的提升已基本達(dá)到瓶頸；但清、攢垛的時(shí)間是裝船流程效率的另一個(gè)制約因素，此項(xiàng)工作尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)，所以其消耗時(shí)間越少，流程自動(dòng)化可協(xié)調(diào)安排的時(shí)間就越多，裝船流程效率會(huì)有一定的提高。垛底越厚，攢垛就越困難，清垛時(shí)間也就越多，所以盡可能減少垛底厚度成為關(guān)鍵。

黃驊港部分取料機(jī)已運(yùn)行十多年，隨著設(shè)備的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備老化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，在不同流量下取料機(jī)臂架的下壓高度存在較大差異。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，在設(shè)定俯仰角度相同的情況下，取料機(jī)配煤時(shí)的垛底厚度要比單裝時(shí)厚20公分左右。

因此，根據(jù)不同的設(shè)定取料流量來自動(dòng)調(diào)整俯仰下軟限位的角度值，進(jìn)而有效降低垛底厚度，減少攢垛、清垛時(shí)間，大幅度提高了流程效率。

1.4 增加取料機(jī)與軌道障礙物防碰的保護(hù)裝置，有效保護(hù)單機(jī)安全

夏季降雨量較多，尤其是在短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨極易造成煤堆大面積坍塌。此外，近兩年公司高度重視清潔生產(chǎn)，不斷加大堆場(chǎng)灑水量，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)由于噴槍無法轉(zhuǎn)動(dòng)、長時(shí)間沖擊同一位置，最終引發(fā)煤堆坍塌的事件。以上兩種塌垛現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致煤滑落到壩基上，影響取料機(jī)的正常行走。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，就會(huì)誘發(fā)行走電機(jī)損壞、行走鋼結(jié)構(gòu)變形等機(jī)損事故，不但影響了正常生產(chǎn)，還增加了不必要的維修成本。

隨著智能堆場(chǎng)的實(shí)施，操作員已撤離單機(jī)、夜間視頻監(jiān)護(hù)系統(tǒng)圖像模糊，煤堆塌垛上壩基等異常情況很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。鑒于此種情況，經(jīng)過多次測(cè)試，研制出一套用于取料機(jī)與軌道障礙物防碰的保護(hù)裝置，投入運(yùn)行。

在取料機(jī)左右行走臺(tái)車外側(cè)的前、后各安裝一個(gè)彈簧棒型行程限位開關(guān)，離地高度20cm。

編程實(shí)現(xiàn)防碰保護(hù)開關(guān)與單機(jī)行走命令的連鎖：當(dāng)取料機(jī)向前行走，且右前方煤堆發(fā)生塌垛時(shí)，右前側(cè)防碰保護(hù)開關(guān)碰觸積煤，觸發(fā)“行走右前防碰保護(hù)開關(guān)動(dòng)作”報(bào)警，并停止向前行走。

防碰保護(hù)裝置具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：一是能夠及時(shí)檢測(cè)到軌道上的障礙物，并自動(dòng)采取保護(hù)措施，防止發(fā)生機(jī)損事故。二是由于選用的彈簧棒型行程限位開關(guān)具有自動(dòng)復(fù)位功能，因此碰到不影響行走的小型障礙物后可自動(dòng)復(fù)位，遠(yuǎn)程操控員確認(rèn)環(huán)境安全后可繼續(xù)作業(yè)，避免了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位對(duì)生產(chǎn)的影響。

1.5 增加遠(yuǎn)程零位按鈕，防止維修時(shí)遠(yuǎn)程誤操作

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修時(shí)，維修人員自己會(huì)做一些保護(hù)措施，如：拉拉繩、拍急停等。但是如果信號(hào)失效或者現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)措施不到位就會(huì)產(chǎn)生很大的安全隱患。因此在取料機(jī)HMI主界面上增加了一個(gè)“遠(yuǎn)程零位”按鈕，按下此按鈕后，單機(jī)無法進(jìn)行行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、啟動(dòng)懸皮斗輪等操作，并且右上角會(huì)顯示紅黃閃爍的“現(xiàn)場(chǎng)正在維修，作業(yè)前請(qǐng)確認(rèn)”的報(bào)警信息，有效避免了因?yàn)槿藛T換班對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不了解導(dǎo)致的盲目操作事件的發(fā)生。

2 平頂堆料優(yōu)化

2.1 空垛時(shí)，首列車改為兩層堆料

空垛時(shí)，首列車只能堆一小堆，有時(shí)甚至堆不到13.5m高。此時(shí)如果取料機(jī)分三層取料，頂層只能取幾十噸，嚴(yán)重影響作業(yè)效率；如果分兩層取，取中層時(shí)必然會(huì)發(fā)生塌垛，不僅影響作業(yè)效率還存在安全隱患。

鑒于以上兩點(diǎn)，根據(jù)垛位堆料情況，將空垛時(shí)首列車堆料作業(yè)改為兩層堆料。首先利用模型傳送的數(shù)據(jù)判斷作業(yè)場(chǎng)垛是否為空垛，如果是空垛，則設(shè)定堆料高度為9.5m，即煤堆到達(dá)9.5m堆料機(jī)就移動(dòng)位置，最終形成一個(gè)9.5m高的平頂料堆。此時(shí)取料機(jī)再來此垛位作業(yè)時(shí)，直接分兩層取料，不僅消除了塌垛這一安全隱患，還減少了一次換層過程，提高了作業(yè)效率。

2.2 調(diào)整頂層堆料時(shí)的落臂高度，降低安全隱患

由于堆料機(jī)運(yùn)行年限較長，俯仰性能不佳，偶爾會(huì)發(fā)生上仰有指令無動(dòng)作或者上仰動(dòng)作緩慢等問題。因此頂層堆料時(shí)更容易發(fā)生因俯仰異常導(dǎo)致觸發(fā)水銀料位計(jì)，最終重載停機(jī)的事件，也存在發(fā)生煤堆埋臂架，誘發(fā)機(jī)損事故的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，對(duì)頂層堆料對(duì)垛時(shí)的落臂高度進(jìn)行了修正，落臂時(shí)直接下降到作業(yè)高度，不再繼續(xù)下降。此項(xiàng)優(yōu)化工作大大降低了俯仰異常產(chǎn)生的安全隱患，有效地保證了設(shè)備的安全高效生產(chǎn)。

2.3 增加地面皮帶急停按鈕，有效緩解緊急停機(jī)時(shí)堵漏斗的情況

為了減小異常情況下拍堆料機(jī)遠(yuǎn)程急停的影響，在堆料機(jī)操作界面上增加地面皮帶急停組合按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面皮帶急停的控制。

本項(xiàng)優(yōu)化在堆料機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)和遠(yuǎn)程手動(dòng)操作界面的左側(cè)分別增加兩個(gè)按鈕：“地面皮帶急停按鈕”和“地面皮帶急停復(fù)位”。

通過此組合按鈕可以分別控制各自地面皮帶的急停。當(dāng)?shù)孛嫫Ъ蓖０粹o觸發(fā)時(shí)，在相應(yīng)單機(jī)和中控界面分別添加了相應(yīng)的報(bào)警信息，方便集控員了解此信息，及時(shí)做出處理。

3 防碰撞系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 添加防碰撞保護(hù)自復(fù)位功能

防碰撞系統(tǒng)如果檢測(cè)到單機(jī)執(zhí)行碰撞命令失效時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)防碰撞保護(hù)需要復(fù)位標(biāo)簽，同時(shí)移除相應(yīng)單機(jī)的碰撞保護(hù)。此時(shí)需要管理員登錄HMI界面進(jìn)行復(fù)位，相應(yīng)單機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)才能再次起到碰撞保護(hù)作用。如果不能及時(shí)復(fù)位，單機(jī)將處于無保護(hù)的狀態(tài)，增加了單機(jī)間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

通過PLC編程實(shí)現(xiàn)單機(jī)碰撞保護(hù)需要復(fù)位標(biāo)簽的自動(dòng)延時(shí)復(fù)位功能。當(dāng)此標(biāo)簽需要復(fù)位時(shí)，延時(shí)10s自動(dòng)完成復(fù)位。將異常的單機(jī)重新投入到碰撞保護(hù)系統(tǒng)中，極大縮短了單機(jī)處于無保護(hù)狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)間。

3.2 添加單機(jī)旁路自動(dòng)消除功能

當(dāng)單機(jī)出現(xiàn)防碰撞報(bào)警，無法繼續(xù)相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)集控員可以通過點(diǎn)擊操作界面上的相應(yīng)旁路按鈕繼續(xù)動(dòng)作，此時(shí)單機(jī)處于無保護(hù)的狀態(tài)。如果集控員忘記取消旁路、或者班組交替時(shí)交接不清，這將是一個(gè)極大地安全隱患。

在各單機(jī)PLC程序中編寫了旁路延時(shí)10min自動(dòng)消除功能。這不僅可以消除旁路一直存在的風(fēng)險(xiǎn)，還能督促集控員在防碰撞保護(hù)觸發(fā)后對(duì)單機(jī)加強(qiáng)監(jiān)護(hù)，降低了單機(jī)發(fā)生防碰的風(fēng)險(xiǎn)，提高了單機(jī)的作業(yè)安全。

4 效果分析

(1）設(shè)計(jì)防止懸皮打滑控制方法，將傳統(tǒng)的事后控制措施改進(jìn)為事前防治措施，不僅延長了懸皮主要設(shè)備的壽命，還有效地避免了重載停機(jī)，保證了生產(chǎn)效率。

(2)優(yōu)化塌垛恢復(fù)程序，使其能自動(dòng)處理進(jìn)車量過大造成的塌垛事件，不僅保證了作業(yè)的連續(xù)性，還有效地保護(hù)了斗輪機(jī)構(gòu)，間接延長了設(shè)備的壽命。

(3)增加垛底厚度自動(dòng)調(diào)整功能，將垛底有效降低了20cm。垛底厚度降低后，清垛時(shí)剩余的煤炭量減少了，攢垛次數(shù)減少了，攢垛效率提高了，并且攢起的垛位更加規(guī)范，這些都直接或者間接提高了取料機(jī)清垛效率，節(jié)省了作業(yè)時(shí)間。

(4)增加行走防碰裝置，解決了一項(xiàng)重大安全隱患，有效地避免了機(jī)損事故的發(fā)生，保證了設(shè)備安全。

(5)增加遠(yuǎn)程零位按鈕，有效保證了現(xiàn)場(chǎng)維修人員的人身安全，避免了人身傷亡事故的發(fā)生。

(6)自動(dòng)平頂堆料優(yōu)化不僅降低了自身存在的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，還降低了取料機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了取料機(jī)的作業(yè)效率。

(7)防碰撞系統(tǒng)優(yōu)化大大縮短了單機(jī)處于無保護(hù)狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，降低了單機(jī)間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

智能堆場(chǎng)優(yōu)化工作都是結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，針對(duì)特定的問題，制定的專門解決方案，有效地解決了實(shí)際問題，效果顯著。