多臺抓斗卸船機(jī)隨機(jī)編組流量自動控制技術(shù)方案

蔣 強(qiáng)

（滄州黃驊港礦石港務(wù)有限公司，河北滄州 061113）

引言

目前國內(nèi)現(xiàn)代化的礦石碼頭作業(yè)的自動化水平已經(jīng)走在了世界前列。大運(yùn)力、高效率的礦石裝卸在主要礦石進(jìn)口港已經(jīng)日漸成熟。但是作業(yè)組織及卸船放料的過程均是依靠人工組織。多卸船機(jī)對單條皮帶卸料過程由于受卸船機(jī)震動給料器存在非線性、純滯后及各礦石物料比重、粘度計(jì)含水量的不同等因素的影響，造成皮帶機(jī)流量不均勻,從長時(shí)間的統(tǒng)計(jì)來看皮帶機(jī)輸送效率僅為皮帶機(jī)額定效率的一半。料流重疊溢料現(xiàn)象對現(xiàn)場環(huán)境造成嚴(yán)重污染。本文提出了一種新的皮帶機(jī)流量綜合控制技術(shù)，通過輸入輸出的周期采樣，建立放大倍數(shù)為變量的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過Smith 預(yù)估器補(bǔ)償進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動給料控制。

1 卸船作業(yè)的特點(diǎn)

卸船作業(yè)往往是幾臺卸船機(jī)對著一條皮帶機(jī)作業(yè)，卸船機(jī)在對應(yīng)的地面皮帶機(jī)上方可以左右移動，實(shí)現(xiàn)對船舶的換倉作業(yè)，因此各卸船機(jī)在下方皮帶上卸料點(diǎn)是任意變換的。根據(jù)皮帶稱的安裝精度要求，對于落料點(diǎn)變化的皮帶機(jī)，安裝皮帶秤將無法保證其精度。因此，只能將皮帶秤布置于下游皮帶，這樣造成皮帶流量監(jiān)測的滯后性。假設(shè)有五臺卸船機(jī)對著一條皮帶機(jī)進(jìn)行卸料作業(yè)，每臺卸船機(jī)下方均配備一臺變頻震動給料器，震動給料器依靠電氣控制，實(shí)現(xiàn)0 至50 HZ 的無極震動，將物料均勻連續(xù)的卸至輸送帶。通過多臺給料器同時(shí)向單條皮帶供料，物料穩(wěn)定后由皮帶秤計(jì)算瞬時(shí)流量，瞬時(shí)流量時(shí)時(shí)與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋。

2 物料特性

由于專業(yè)化的礦石碼頭，所接卸的礦石來自不同的國家（例如澳大利亞、巴西、印度、烏克蘭等），并且即使是同一國家，同一船物料的上下層的物料黏性、含水量、比重等都有很大差異，并且根據(jù)實(shí)際測定，同樣給料頻率下，因特性差異造成物料流量能相差2 000 t/h。因此，不同物料或是同一艘船中的物料在上下層差異很大的時(shí)候，卸船過程將是一個(gè)動態(tài)變化的過程。要想實(shí)現(xiàn)靜態(tài)模型，我們只能針對其中的一段時(shí)間，將其設(shè)定為靜態(tài)模型來考慮。在卸船的給料各個(gè)階段，建立物料特性模型，以適應(yīng)各種物料以及各階段對物料流量的綜合控制。

3 震動給料器給料特性

假設(shè)5 臺（或多臺）卸船機(jī)對一條皮帶機(jī)作業(yè)，那么需要控制5 臺震動給料器既要單獨(dú)調(diào)節(jié)又要相互配合。為有效避免出現(xiàn)大的短時(shí)料流在皮帶上重疊。首先必須保證每個(gè)卸船機(jī)漏斗內(nèi)有足夠的余料，以有效避免在抓斗卸料過程中物料不受震動給料器的控制，而直接沖出給料器。因此設(shè)定漏斗重量低于額定重量20 %時(shí)，停止振動器給料。

為保證卸船的整體效率，各個(gè)船艙實(shí)現(xiàn)均勻卸載，各個(gè)卸船機(jī)震動給料器物料供給要盡量保持均勻一致。為保證連續(xù)供料，避免震動器頻繁啟停，就需要根據(jù)不同漏斗內(nèi)的物料調(diào)整震動器的給料頻率。通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)震動給料器的給料系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，由于本系統(tǒng)總的輸出流量是5（或多個(gè)）個(gè)震動給料器輸出流量疊加產(chǎn)生的，因此當(dāng)某個(gè)給料器的震動頻率發(fā)生變化時(shí)，均會影響總的輸出流量。為保證總的輸出流量穩(wěn)定不變，當(dāng)某一個(gè)或幾個(gè)震動給料器需要調(diào)整給料系數(shù)時(shí)，其它震動給料器也要隨之自動調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)總的輸出保持不變。我們在每個(gè)出料口安裝紅外掃描儀，掃描皮帶的物料的體積，以便檢測皮帶上的物料有無撒漏。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各環(huán)節(jié)介紹

針對解決多臺卸船機(jī)協(xié)同作業(yè)，保持總流量可控的問題，我們基于Smith 預(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)，建立具備識別功能數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)協(xié)同給料系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 全自動給料系統(tǒng)原理圖

4.1 輸入輸出采樣

由于5 個(gè)震動給料器設(shè)備參數(shù)相同，各個(gè)漏斗在相同的震動頻率下給料能力也是相同的。初始階段將給料系數(shù)均設(shè)置為1.0。開始給料時(shí)按照皮帶機(jī)最大流量的1/2（7 500*1/2=3 750）給定初始流量，根據(jù)5 臺卸船機(jī)給料點(diǎn)距離皮帶秤最遠(yuǎn)位置運(yùn)輸?shù)骄幗M卸船機(jī)做前端掃描儀下方的時(shí)間作為調(diào)整周期T（Lmax/4=T）,每隔一個(gè)周期將流量增加50 t/h，直到達(dá)到皮帶的設(shè)計(jì)流量7 500 t/h，共耗時(shí)75 T 的時(shí)間，流量達(dá)到額定。通過采樣程序?qū)⑦@75 個(gè)設(shè)定值的輸入用X 表示，將這75 個(gè)輸入值對應(yīng)的掃描儀的體積反饋值記錄在輸出采樣表中，用Y 表示。掃描儀所掃描的皮帶上斷面的體積目的是保證斷面。

4.2 建立動態(tài)模型

靜態(tài)純滯后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示，其中G0(s)為不包括純滯后時(shí)間τ 的對象模型，

式中：

τ 為純滯后時(shí)間；

K0為系統(tǒng)放大倍數(shù)；

T0為動態(tài)時(shí)間常數(shù)。

系統(tǒng)的放大倍數(shù)是根據(jù)震動給料器的實(shí)際輸入值自動匹配相應(yīng)的放大倍數(shù)，從而使系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)建立動態(tài)特性。

在所有的時(shí)滯后補(bǔ)償控制方法中，Smith 預(yù)估控制方法是應(yīng)用最為廣泛的方法之一。Smith 預(yù)估控制是一種針對純滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制策略。在控制理論中，滯后指在時(shí)間上被控變量的變化落后于擾動變化，是一種十分常見的現(xiàn)象。因?yàn)樵趯?shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，控制通過往往不同程度的存在滯后情況。Smith 預(yù)估控制方法是通過在PID 反饋控制基礎(chǔ)上，引入一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償量，使閉環(huán)特性方程不含純滯后項(xiàng)，從而使控制質(zhì)量得到大大的提高。我們將假想的變量B 測量出來，并將其信號反饋至控制器，這樣就把純滯后環(huán)節(jié)移到了控制回路以外。理想結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示:

圖2 反饋回路的理想結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可以得出閉環(huán)傳遞函數(shù)：

由以上推導(dǎo)公式可得出如下結(jié)論，純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量y(t)的響應(yīng)曲線和系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)與控制對象不含純滯后特性時(shí)完全相同，只是在時(shí)間軸上滯后τ，閉環(huán)系統(tǒng)輸出特性曲線，如圖3 所示。

圖3 閉環(huán)系統(tǒng)輸出特性曲線

4.3 總輸出量保持不變的給料調(diào)整方案

我們采用分子分母同時(shí)加減綜合不變的方案來調(diào)整給料參數(shù)。我們用以下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析：

若第n 個(gè)分子需要調(diào)整增加0.2，則所有分母也調(diào)整0.2，以確?？偤筒蛔?。

例如：5 臺卸船機(jī)對同一皮帶機(jī)卸料，若第三個(gè)分子需要調(diào)整0.3，則（1/5.3+1/5.3+1.3/5.3+1/5.3+1/5.3）×5=5。

5 結(jié)語

全自動給料控制系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，效果良好，從根本上消除了給料不均所導(dǎo)致的皮帶過載、物料過大造成的撒漏等問題，保證皮帶機(jī)維持額定輸送量運(yùn)行，避免皮帶機(jī)超載、空載運(yùn)行等情況對設(shè)備所造成的損傷及能耗的增加，提高了礦石碼頭的卸船效率。