干散貨碼頭散貨作業(yè)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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太倉(cāng)鑫海港口開發(fā)有限公司

1 引言

目前，我國(guó)傳統(tǒng)散貨碼頭的裝卸設(shè)備操作方式仍以人工或者半自動(dòng)為主，傳統(tǒng)散貨碼頭智能化發(fā)展之路存在以下幾個(gè)問題。

(1)散貨碼頭的工藝流程比較復(fù)雜，工藝的環(huán)節(jié)較多[1]。

(2)無人化操作僅有部分干散貨碼頭應(yīng)用了斗輪堆取料機(jī)無人化操作，未實(shí)現(xiàn)全面無人化操作。

(3)信息系統(tǒng)如生產(chǎn)商務(wù)系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、技術(shù)管理系統(tǒng)等已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，但各個(gè)系統(tǒng)間往往沒有相互的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)不能在各信息系統(tǒng)間相互導(dǎo)入引用[2]。

太倉(cāng)鑫海港口開發(fā)有限公司散貨專業(yè)碼頭作為專業(yè)化的散貨碼頭，開發(fā)了智能化的流程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝船、卸船和斗輪堆取料全程自動(dòng)化作業(yè)的散貨碼頭，建立了集生產(chǎn)、管理和控制于一體的系統(tǒng)。下面分別從生產(chǎn)作業(yè)模塊、輔助功能模塊和信息管理模塊3個(gè)模塊介紹公司的散貨作業(yè)智能控制系統(tǒng)。

2 生產(chǎn)作業(yè)模塊

2.1 中控皮帶機(jī)流程自動(dòng)化

智能流程選擇系統(tǒng)將單機(jī)作為初始數(shù)據(jù)，對(duì)所有流程進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)劃，操作人員可選擇單機(jī)或者聯(lián)動(dòng)操作，選擇完成后篩選流程，并實(shí)時(shí)顯示流程所包含的主要設(shè)備的信息，點(diǎn)擊“啟動(dòng)”一鍵啟動(dòng)整個(gè)流程。

2.1.1 流程流量集中控制

控制系統(tǒng)的上位機(jī)畫面中，將卸船機(jī)大漏斗內(nèi)物料的實(shí)時(shí)噸位、給料器頻率、斗門開度、斗輪機(jī)皮帶機(jī)流量和固定流程皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)流量等信息，實(shí)時(shí)集中匯總到操作界面上，中控操作員對(duì)整個(gè)流程所有環(huán)節(jié)信息全部掌握，對(duì)流量的控制更加快捷、清晰，提高了流程的效率。

2.1.2 皮帶機(jī)變頻控制

流程部分皮帶機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每臺(tái)輸送機(jī)變頻系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)變頻系統(tǒng)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到遠(yuǎn)程控制時(shí)，由中控系統(tǒng)進(jìn)行控制，中控系統(tǒng)按流程控制需要對(duì)輸送機(jī)變頻系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、停止及速度調(diào)節(jié)控制，并對(duì)變頻系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制操作、啟動(dòng)聯(lián)鎖、狀態(tài)檢測(cè)等，可根據(jù)作業(yè)工藝進(jìn)行5檔切換。

2.2 斗輪機(jī)、卸船機(jī)和斗輪機(jī)無人化

該系統(tǒng)集成了全自動(dòng)作業(yè)規(guī)劃、管理等功能。根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)分配作業(yè)任務(wù)，為裝船機(jī)、卸船機(jī)分析作業(yè)區(qū)域、作業(yè)路徑，根據(jù)系統(tǒng)工藝分解管理系統(tǒng)信息指令，下發(fā)到卸船機(jī)、裝船機(jī)和斗輪機(jī)，并反饋單機(jī)信息。

中控操作臺(tái)能夠設(shè)定裝船機(jī)、卸船機(jī)、斗輪堆取料的運(yùn)行模式，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇全自動(dòng)作業(yè)模式、人工(遠(yuǎn)程)作業(yè)模式，本地或遠(yuǎn)程操作模式則在主機(jī)設(shè)備上選擇。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

自動(dòng)化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1)，以2個(gè)互為冗余的系統(tǒng)核心交換機(jī)為中心，中控系統(tǒng)、單機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)、視頻音頻系統(tǒng)等分別連接到這2臺(tái)核心交換機(jī)上，控制交換機(jī)和其他機(jī)上設(shè)備通過接入交換機(jī)也連接到核心交換機(jī)上，ARTG控制交換機(jī)作為ARTG控制網(wǎng)絡(luò)的核心，單獨(dú)擴(kuò)展控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，相互沒有干擾。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以避免設(shè)備重復(fù)連接導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，也可以避免有個(gè)別網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況發(fā)生。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2.2 自動(dòng)化策略軟件

自動(dòng)裝船策略軟件基于WINCC等編譯軟件實(shí)現(xiàn)港口碼頭的散貨裝船自動(dòng)化。軟件輸入主要船型參數(shù)有：船艙尺寸、物料類型、總裝載噸位、自動(dòng)/手動(dòng)裝載比例等參數(shù)。軟件輸出為自動(dòng)作業(yè)流程中各點(diǎn)物料重量和其坐標(biāo)值。

2.2.3 全自動(dòng)作業(yè)管理系統(tǒng)軟件

全自動(dòng)作業(yè)管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制的大腦和核心，采用Client/Server架構(gòu)，設(shè)置1臺(tái)高性能應(yīng)用服務(wù)器，6個(gè)操作臺(tái)客戶端。通過調(diào)度設(shè)定作業(yè)任務(wù)，根據(jù)船型、作業(yè)量等數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成全自動(dòng)作業(yè)策略，將作業(yè)策略發(fā)送給綁定的操作臺(tái)客戶端，再由操作臺(tái)啟動(dòng)全自動(dòng)作業(yè)，將指令發(fā)送給裝船機(jī)、卸船機(jī)。同時(shí)卸船機(jī)、裝船機(jī)設(shè)備的主要狀態(tài)也會(huì)反饋到服務(wù)器，最終顯示在客戶端上。

2.2.4 船型掃描

設(shè)備自動(dòng)化需要有效的檢測(cè)手段和技術(shù)，裝船機(jī)和卸船機(jī)均選用帶有3D旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的激光掃描儀SICK 3601系列，在不同位置掃描船艙輪廓及船內(nèi)料堆信息，處理多激光器數(shù)據(jù)后，上傳至中控全自動(dòng)作業(yè)管理系統(tǒng)為路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)根據(jù)掃描數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)大機(jī)與船、大機(jī)與物料的防碰撞保護(hù)。

激光掃描物料信息實(shí)時(shí)更新，將采集到的所有信息通過軟件系統(tǒng)來計(jì)算、建模，形成電子物料數(shù)據(jù)，為全自動(dòng)工藝方案提供必要的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)預(yù)留三維成像功能的接口。

2.2.5 安全保護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)具備溜筒或抓斗、大車行走運(yùn)行路徑上對(duì)障礙物的防撞保護(hù)功能和報(bào)警顯示。碼頭前沿大機(jī)位置信號(hào)傳送到中控室全自動(dòng)作業(yè)管理系統(tǒng)，中控全自動(dòng)作業(yè)管理系統(tǒng)根據(jù)各大機(jī)位置設(shè)置防碰撞保護(hù)。中控操作臺(tái)和大車手動(dòng)控制箱均裝有“緊急停止”按鈕，若出現(xiàn)意外工況，可及時(shí)停止機(jī)構(gòu)動(dòng)作。同時(shí)在碼頭現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置設(shè)備隔離圍欄，禁止車輛和人員隨意進(jìn)入遠(yuǎn)程工作區(qū)域，確保安全。

現(xiàn)場(chǎng)裝卸設(shè)備的自動(dòng)操作控制系統(tǒng)保證與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隔離，避免設(shè)備控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障影響現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)。

2.2.6 抓斗防搖和自動(dòng)控制

抓斗防搖系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：無論空載和重載，在小車從全速運(yùn)行到完全停止的工況下，抓斗擺動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)，電子防搖系統(tǒng)能將抓斗最大擺動(dòng)幅度控制在±100 mm以內(nèi)，并趨于靜止。

在全自動(dòng)遠(yuǎn)程模式下，大車小車起升進(jìn)行全自動(dòng)卸料程序控制。抓斗運(yùn)行軌跡由司機(jī)在作業(yè)前事先設(shè)定，全自動(dòng)卸料程序控制應(yīng)包括抓斗負(fù)荷平衡、速度平衡、抓斗下沉量和抓取量控制、自動(dòng)開閉斗控制、抓斗的運(yùn)行軌跡控制及定點(diǎn)卸料控制。

3 輔助功能模塊

3.1 高壓電機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)

對(duì)皮帶機(jī)高壓電機(jī)的前后軸、繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警。該溫度監(jiān)控系統(tǒng)依靠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫傳感器通過RS485總線和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與中控室的通信，組成上位監(jiān)控界面。現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)轉(zhuǎn)接機(jī)房分成若干子網(wǎng)，每個(gè)轉(zhuǎn)接機(jī)房的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)各成1個(gè)子網(wǎng)。

3.2 粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

借助太倉(cāng)粉塵在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)碼頭粉塵排放情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行粉塵預(yù)警和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)公司粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控情況以及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示，并把粉塵在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入到公司生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。

3.3 門機(jī)、卸船機(jī)電子動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)

公司碼頭門機(jī)和卸船機(jī)上安裝動(dòng)態(tài)電子稱重系統(tǒng)和能耗計(jì)量系統(tǒng)，將各門機(jī)的稱重系統(tǒng)通過無線傳輸?shù)姆绞浇M成稱重網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)的有效采集，確保稱重?cái)?shù)據(jù)不漏、不重復(fù)、無錯(cuò)誤，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)管、處理、分析、備份、共享，為司機(jī)績(jī)效考核和設(shè)備重要部件管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足要素系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)的管理要求。

系統(tǒng)稱重采用稱重傳感器與電量相結(jié)合的方式對(duì)起升載荷量進(jìn)行計(jì)算處理。稱重傳感器對(duì)門機(jī)超載信息進(jìn)行處理判斷，起升電機(jī)能耗數(shù)據(jù)對(duì)起升載荷量進(jìn)行計(jì)算處理，作為實(shí)際作業(yè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差控制在±3%以內(nèi)[3]。

3.4 智能照明控制系統(tǒng)

照明控制主機(jī)設(shè)置在中控室，控制對(duì)象為碼頭、堆場(chǎng)高桿燈塔照明燈具及路燈。監(jiān)控計(jì)算機(jī)為本照明控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，根據(jù)照度、時(shí)間、工作時(shí)段和非工作時(shí)段對(duì)照度的要求，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的狀態(tài)監(jiān)視及控制，做到區(qū)域照明部分的開關(guān)功能，并監(jiān)測(cè)區(qū)域照明燈的工作狀況。照明控制系統(tǒng)采用中控室集中控制和現(xiàn)場(chǎng)控制2種方式，目的是方便操作及節(jié)能。

3.5 智能噴淋控制系統(tǒng)

堆場(chǎng)噴淋控制系統(tǒng)可對(duì)堆場(chǎng)噴槍電磁閥的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。噴淋控制系統(tǒng)控制方式為遠(yuǎn)程單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)。噴淋監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面具備噴淋系統(tǒng)運(yùn)行和故障顯示功能，動(dòng)態(tài)畫面顯示有堆場(chǎng)噴水模擬畫面、噴頭通斷狀態(tài)、加壓泵啟停狀態(tài)。噴淋控制系統(tǒng)控制可事先預(yù)設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間，并且到時(shí)自動(dòng)啟停，自動(dòng)記錄灑水時(shí)間及噴槍編號(hào)，每支水槍噴灑時(shí)間可調(diào)。

3.6 開閉斗自動(dòng)放斗系統(tǒng)

碼頭散貨作業(yè)使用的開閉大漏斗，其斗門打開、關(guān)閉原本采用的是本地按鈕和手持遙控器2種方式。為了更精準(zhǔn)、安全、節(jié)省人力，將原來專人使用遙控器打開、關(guān)閉控制斗門方式，改造成無人智能操作的方式控制料斗斗門打開和關(guān)閉。

在不破壞原來控制方式基礎(chǔ)上，在料斗下方放料區(qū)域增加監(jiān)測(cè)有無卡車的光電傳感器、卡車斗位置監(jiān)測(cè)光電傳感器、卡車斗內(nèi)料位光監(jiān)測(cè)電傳感器，以及明顯的聲光警示提醒信號(hào)。所有傳感器、聲光報(bào)警以及斗門關(guān)閉、打開都是由西門子S7-200 SMART PLC處理。

改造完成后的開閉大料斗經(jīng)過多次調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開斗、自動(dòng)閉斗、自動(dòng)報(bào)警的功能，且每個(gè)動(dòng)作能夠精準(zhǔn)完成，真正達(dá)到智能放料的預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)節(jié)省操作人員，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，發(fā)揮技術(shù)經(jīng)濟(jì)的提升空間。

4 信息管理模塊

4.1 數(shù)字化堆場(chǎng)管理系統(tǒng)

數(shù)字化堆場(chǎng)管理系統(tǒng)借助“物聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)資源要素進(jìn)行智能化管理，以便監(jiān)控散雜貨作業(yè)全過程，分析作業(yè)資源配置的合理性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)銜接是否有序高效，根據(jù)反映的情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)度和指揮。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)電子化和自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)港口生產(chǎn)作業(yè)信息的實(shí)時(shí)采集與交互，滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，并對(duì)全港貨物、船舶作業(yè)、機(jī)械、管理人員、視頻健康等進(jìn)行實(shí)時(shí)、直觀、全面的可視化、智能化管理。

4.2 技術(shù)、生產(chǎn)和安全管理系統(tǒng)

管理信息平臺(tái)系統(tǒng)使用分頁標(biāo)簽樣式，將OA辦公系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、技術(shù)管理系統(tǒng)、安全信息管理平臺(tái)、人事管理系統(tǒng)、決策管理系統(tǒng)、黨群管理系統(tǒng)、傳真及郵件服務(wù)、考核管理整合在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)展示。通過該平臺(tái)可幫助港口管理者運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)，快速準(zhǔn)確地處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)和事務(wù)，提高管理人員的工作效率和業(yè)務(wù)水平，規(guī)范港口內(nèi)部管理的流程，優(yōu)化和提高港口管理人員的管理水平。

5 結(jié)語

干散貨碼頭智能化的應(yīng)用與發(fā)展，提升了港口的技術(shù)水平，解決了實(shí)際生產(chǎn)中的諸多難題，港口智能化、數(shù)字化堆場(chǎng)管理和設(shè)備自動(dòng)化為港口發(fā)展提供了充足的動(dòng)力，助力散貨碼頭的智能化提升。