散料卸船自動化裝車系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

劉兆陽，解慶功，申 鵬

（日照港集團有限公司，山東日照 276800）

散貨指的是在運輸過程中沒有包裝而進行散運的貨物。散貨船是比較大型和專業(yè)化的船只。散貨卸船的關(guān)鍵點是具有高效率的取料和怎樣將貨物從艙內(nèi)以垂直的方式進行提升。散貨卸船作業(yè)初期的生產(chǎn)率是比較高的，而清艙部分的生產(chǎn)率相對較慢。要將清艙部分的生產(chǎn)率加以提高，這樣才能使卸船平均作業(yè)的生產(chǎn)率整體提高。

1 創(chuàng)新背景

近年來，面對日趨嚴峻的成本及環(huán)保壓力，日照港不斷探索港口散貨卸船裝卸作業(yè)新工藝，在2013年率先研制推廣了“天圓地方”式超大容量漏斗卸船裝車新工藝，采用“門機+裝車漏斗”的作業(yè)方式，大大節(jié)省了料場作業(yè)環(huán)節(jié)，具有成本低、效率高、污染小等優(yōu)點，在船舶裝卸作業(yè)中得到了普遍應(yīng)用。然而這種裝車漏斗缺乏自動化、智能化的系統(tǒng)控制，傳統(tǒng)的裝卸模式由理貨員核對裝車單后，裝車工操作裝車漏斗無線遙控裝置放料，同時通過“旗語”引導(dǎo)車輛移動，完成裝車作業(yè)。人機缺乏互動，轉(zhuǎn)運車輛與裝車漏斗、門機與裝車漏斗之間不能實現(xiàn)信息交互。易出現(xiàn)反復(fù)移車和相互碰撞等問題，影響作業(yè)效率和作業(yè)的安全可靠性。主要存在以下問題：①人工核對風(fēng)險大。人工核對裝車單存在較高的不確定性，易發(fā)生裝錯車、發(fā)錯貨的情況，貨運安全風(fēng)險大。②人工操作成本高。一個漏斗需配一名裝車工，一個區(qū)域需配一名理貨員，對人力依賴程度高，人力成本高。③人工裝車精度低。對于直接發(fā)運的貨物，裝載量完全由裝車工憑“經(jīng)驗”估算，在車輛限重的背景下，車輛加減料頻繁直接影響轉(zhuǎn)運效率、增加環(huán)境污染。④人機交叉隱患多。理貨員、裝車工現(xiàn)場作業(yè)，不可避免形成人機交叉，易發(fā)生人身傷害事故。

針對上述問題，如何充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，在卸船裝車環(huán)節(jié)中降低風(fēng)險、節(jié)約成本、提高安全性成為急需解決的問題。

2 項目內(nèi)容

本成果在傳統(tǒng)漏斗裝車工藝的基礎(chǔ)上，通過RFID 車輛識別、4G 無線通信、PLC 自動控制、車輛定位監(jiān)測、物料自動判斷、車輛自動導(dǎo)引等技術(shù)，對裝車漏斗實施了智能控制改造，取消了理貨員、裝車工配備，實現(xiàn)了智能理貨、智能裝車，實現(xiàn)了卸船裝車“無人化”。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

自動化裝車系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成：①車輛識別子系統(tǒng)。通過RFID 識別等技術(shù)，實現(xiàn)了漏斗裝車與集疏運系統(tǒng)的實時聯(lián)控，提高了貨運質(zhì)量安全，實現(xiàn)了理貨無人化。②自動裝車子系統(tǒng)。改進裝車漏斗結(jié)構(gòu)、設(shè)計漏斗倉門開關(guān)液壓控制單元；以PLC控制器為核心，通過超聲波傳感器、微波雷達料位等采集單元，實現(xiàn)裝車漏斗料位、倒運車輛箱斗料位檢測以及門機抓斗位置監(jiān)測；自動控制漏斗倉門開、關(guān)及狀態(tài)監(jiān)測，完成物料自動裝車。③手動裝車子系統(tǒng)。該系統(tǒng)為原漏斗自帶功能，通過2.4G 無線遙控技術(shù)，實現(xiàn)了漏斗的本地控制。

2.2 設(shè)備布置

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，按照用戶體驗好、運行穩(wěn)定性高、防損壞、易維護的原則，合理布置設(shè)備設(shè)施的位置。設(shè)備布置圖如圖1、2所示。

圖1 設(shè)備布置示意圖（A向）

2.3 控制方式

為減少故障對生產(chǎn)的影響，充分發(fā)揮無人裝車系統(tǒng)效能，該系統(tǒng)設(shè)置四種作業(yè)模式，可自由切換。①智能理貨：僅車輛識別子系統(tǒng)運行，可實現(xiàn)智能理貨功能。②智能裝車：僅自動裝車子系統(tǒng)運行，可實現(xiàn)智能裝車功能。③全自動裝車：智能理貨+智能裝車聯(lián)控運行，全自動裝車。④手動裝車：手動無線遙控裝車。

2.4 裝車工藝

車輛駛?cè)肼┒费b車位后，車輛識別子系統(tǒng)自動判斷車輛裝車授權(quán)是否正確；同時，自動裝車子系統(tǒng)自動判斷車輛位置是否符合裝車要求；在滿足車輛識別、車輛定位2個判斷條件后，司機確認“可以裝車”，裝車漏斗自動開啟進行裝車；裝車過程中，根據(jù)從集疏運系統(tǒng)中獲取到的車輛數(shù)據(jù)（配載凈重+車廂尺寸），通過物料傳感器實時判斷物料裝載情況，在防止撒料的同時，以“容積×密度”的測算方式實現(xiàn)定量裝車；裝車全過程通過信號燈引導(dǎo)車輛移動。

3 項目創(chuàng)新點

本成果基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)以及自動控制技術(shù)，設(shè)計研發(fā)了自動化裝車系統(tǒng)，在卸船漏斗裝車環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了理貨、裝車全自動，實現(xiàn)了“無人化”。該項目屬國內(nèi)首創(chuàng)，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

（1）研制車輛識別子系統(tǒng)，實現(xiàn)智能理貨?；赩S 平臺，采用LTE/4G 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過UDP、Modbus、TCP 等多種通信協(xié)議，完成了軟硬件的系統(tǒng)集成，研制出了車輛識別子系統(tǒng)，通過與商務(wù)、計劃、庫場、車輛、理貨的實時聯(lián)控，實現(xiàn)自動理貨以及對裝車作業(yè)的智能監(jiān)管（圖3）。

圖3 車輛識別子系統(tǒng)架構(gòu)

（2）研制自動裝車子系統(tǒng)，實現(xiàn)智能裝車。基于PLC 的自動化控制技術(shù)，通過集成應(yīng)用超聲波距離傳感技術(shù)、信號燈引導(dǎo)技術(shù)，研制了自動裝車子系統(tǒng)，通過漏斗倉門自動開關(guān)、料位自動判斷、車輛自動導(dǎo)引等功能，實現(xiàn)了智能裝車。裝載過程中全程自動控制，取消了專人操作，人工成本大幅降低。同時避免了人機交叉作業(yè)，作業(yè)安全性也大幅提高。

（3）自動理貨與裝車作業(yè)智能聯(lián)控，實現(xiàn)漏斗“上鎖”。依托集疏運系統(tǒng)，采用基于RFID 自動識別技術(shù)，以RFID 卡為標識，與自動裝車子系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)了自動理貨與裝車作業(yè)的智能聯(lián)控，實現(xiàn)了漏斗“上鎖”。RFID 卡是鑰匙，只有正確匹配的車輛才能進行裝車作業(yè)。杜絕了裝錯車、發(fā)錯貨以及偷盜等情況的發(fā)生，提高了貨運質(zhì)量和安全。

圖2 設(shè)備布置示意圖（B向）

（4）智能數(shù)據(jù)比對，實現(xiàn)定量裝車。根據(jù)倒運車型、物料比重（大小比重模式切換）控制裝車量，通過智能算法對數(shù)據(jù)的實時處理，以車輛“限重數(shù)據(jù)+容積測算”比對聯(lián)控的方式，實現(xiàn)了定量裝車。車輛接單后，通過舟道網(wǎng)司機專版APP，錄入車廂尺寸（長寬高），空車檢斤后，根據(jù)限重數(shù)據(jù)自動計算出該車的配載凈重；自動裝車子系統(tǒng)及時獲取到車輛數(shù)據(jù)以及配載數(shù)據(jù)，在裝車過程中，根據(jù)物料傳感器實時反饋的物料裝載數(shù)據(jù)，通過智能算法測算出物料體積，以“容積×密度”的測算方式實現(xiàn)了定量裝車；在車輛限重的大背景下，大幅提高了裝車精準度，減少了車輛頻繁加減料，提高了轉(zhuǎn)運效率，減少了環(huán)境污染。

（5）研制主動抑塵系統(tǒng)，提高環(huán)保效果。針對煤炭、鋁礬土、礦石等貨種，研制自動噴淋系統(tǒng)，實現(xiàn)主動抑塵功能，解決了裝卸過程中粉塵污染的問題。自動噴淋防塵系統(tǒng)由恒壓供水系統(tǒng)、出水總管、泊位供水管、漏斗供水管路、多組霧化噴頭等組成。超聲波傳感器檢測到門機抓斗進入漏斗上方準備放料時，電磁閥自動開啟，在漏斗內(nèi)形成水霧，抓斗卸料結(jié)束并延遲適當(dāng)時間，電磁閥自動關(guān)閉，實現(xiàn)抓斗卸料環(huán)節(jié)的粉塵抑制；漏斗在打開料倉門下料裝車時，開啟另外一組電磁閥，可實現(xiàn)裝車過程的粉塵抑制。

針對散糧貨種，目前正在進一步研究負壓除塵的環(huán)保方案。

4 使用效益

4.1 經(jīng)濟效益

經(jīng)股份三公司煤炭裝卸作業(yè)現(xiàn)場實測，倒運車輛的裝車時間由約6min 縮減為1min 以內(nèi)；傳統(tǒng)的裝車漏斗可裝車約420t/h，改造后裝車可達600t/h，整體卸船效率提升42%。按照煤炭全年卸船作業(yè)量1 500萬t 測算，每年可節(jié)約各項成本約645萬元。

針對裕廊公司西18泊散糧作業(yè)現(xiàn)場實測，以全年吞吐量410萬t，平均11min/車，裝載量30t/車來測算，需要裝136 667車，作業(yè)6263h（4臺漏斗），應(yīng)用自動化裝車系統(tǒng)，預(yù)計每年可節(jié)約成本673萬元。

對于散糧直接發(fā)運，4個漏斗同時作業(yè)，可減少4個裝車工+1個理貨員（人工成本215元/h），年預(yù)計節(jié)約人力成本134.7萬元。

定量精準裝車，杜絕了二次加減料，可減少1臺裝載機+1個司機。裝載機油耗按450L/萬t、柴油按6.8元/L 計算，年預(yù)計節(jié)約燃油費125.46萬元；司機成本約60元/h，年預(yù)計節(jié)約人工成本37.6萬元。

4.2 社會效益

社會效益主要包括以下幾個內(nèi)容：①降低了貨運質(zhì)量事故，維護了客戶利益。②避免了人機交叉作業(yè)，實現(xiàn)了本質(zhì)安全。③降低了員工勞動強度，減少了用工依賴。④杜絕了加減料二次污染，減少了環(huán)境污染。⑤提升了信息化裝備水平和集疏港能力，對港口散貨發(fā)運及庫場管理具有很好的推廣應(yīng)用價值。

5 推廣應(yīng)用

該項目為港口漏斗卸船工藝系統(tǒng)性的創(chuàng)新改進，目前已推廣應(yīng)用到日照港股份三公司煤炭、裕廊公司散糧等貨種的門機裝卸作業(yè)，為門機自動化裝車提供了樣板，適用于門機裝車作業(yè)的全部情境。