煤炭港口取装流程一体化操控研究①

刘永昌

(神华黄骅港务有限责任公司 河北沧州 061113)

传统的煤炭港口取装作业流程需要不同岗位的操作人员操控三类设备配合完成。取料机司机在机上操控取料机将煤炭从堆场取到堆场皮带机上，中控员在远程操控皮带机实现煤炭从堆场皮带到码头皮带的传送，装船机司机在机上操控装船机将码头皮带机上的煤炭装至指定船舱中。不同岗位操作人员需要通过对讲机进行沟通交流，整个作业过程相互割裂，受中间沟通环节影响较大，不仅影响流程效率还存在较大安全隐患。

随着生产智能化的不断推进，某煤炭港口近几年陆续实现了翻堆取装各环节的单机自动化，取料机、皮带机、装船机已全部实现远程自动运行，不仅单机作业效率得到了明显提升，还为打破传统取装操控模式奠定了基础。将原本相互独立的三个岗位融合集成到一起，实现一人对整条取装作业流程及其设备的操控，可以进一步提升生产效率，降低劳动强度，减少沟通诱发的安全隐患。

1 系统整体架构设计

取装流程一体化操控的目的是实现在一个工位上对一台装船机、多条皮带机、两台取料机的同时操控，并且在不同的作业流程中，同一台装船机需要对应不同的皮带机和取料机。因此取装流程一体化系统需要将整个取装作业流程视为一个整体，通过全流程操控界面、取装联动、流程连锁、作业信息自动推送、双机配煤流量双闭环控制等功能实现了取装设备的统一调度和集中操控，通过视频自动投切系统实现对整条流程设备的视频监控，通过煤流仿真系统实现对全流程物料信息的估算和提前上料功能，通过动态急停保护系统为流程设备提供最后一道急停保护措施。

2 视频自动投切系统

随着生产运行集成化程度的提高，生产运行人员数量的减少，生产的监护成为一个新的难点。如何能对灵活多变的流程进行全面监控，如何能从多个监控画面中选取重点画面进行针对性监护，成为制约取装流程一体化系统监护效果的重中之重。为了提供合理高效的监护，保证生产作业的安全，我们搭建了一台视频自动投切服务器，利用Python语言开发了视频自动投切模块，它对接管控系统和设备控制系统，通过实时检测管控系统和控制系统中相关信号的变化来控制解码器各通道调用不同的摄像头监控资源，实现了两层运行监控机制。

视频画面与流程设备联动。通过抓取流程信息，在监控大屏中按流程打包呈现各个设备。即当作业流程变更后，监控大屏中的视频画面也会自动更新为新流程所需各设备的主要监控画面。实现了在同一工位对灵活多变流程的及时、准确、全面监控。

视频画面与设备动作联动。对接设备控制系统，根据设备动作或故障信息，推送重点部位图像至监控小屏。即当设备做行走动作时，监控小屏中自动出现行走部位的监控画面，当设备进行作业时，监控小屏中自动切换至作业所需监控画面；当设备出现某个故障时，监控小屏自动推送故障点视频画面。

视频自动投切系统解决了监控屏幕固定性和作业流程灵活性之间的冲突，为取装流程一体化提供了有效的视频监护功能，保障了作业安全。

3 煤流仿真系统

煤流仿真系统与取料机、装船机、中控PLC控制系统进行信息交互，实时采集取料机和BM线阵列式皮带秤实时流量、累计流量及皮带运行速度，采集取料机和装船机的行走位置等数据，模拟整条取装流程线上煤流分布，通过上位机HMI展现给操控员，为其操控决策提供帮助。

此外煤流仿真系统还估算煤流到达关键节点的时间、估算流程输送带上的剩余煤炭量，为提前上料提供数据基础。

为了校正仿真系统中存在的计算和测量偏差，在皮带机头部尾部、装船机尾车等关键节点安装非接触式料流检测开关，当料流开关信号动作时，修正料头料尾位置，提高了煤流仿真系统的准确性。

4 取装一体化控制系统

取装一体化控制系统是进行取装流程设备操控的核心系统，包含取装联动操控画面、作业信息自动推送功能、双机配煤流量控制功能，提前上料等功能。取装联动操控画面可以实现对全部取装流程设备的操作和监护；作业信息自动推送功能降低了操作人员的劳动强度；双机配煤流量控制功能既可实现精准配煤，又可提高流程作业效率；提前上料功能可以减少辅助作业时间，既可降低流程空转造成的电能消耗，又能提高流程作业效率。

4.1 取装联动操控画面（HMI）

针对取装流程操控需要显示整条流程所有设备的主要操控信息的要求，开发了一套动态HMI操控界面，界面中包含取装流程操控区、装船机操控区、取料机操控区、料流仿真显示区、堆场单机位置及作业信息显示区。取装流程操控区可进行流程一键启动和逆序停机等操作，也可对流程皮带机进行逐条独立启停控制。装船机操控区用于操控装船机进行远程手动、远程自动作业。取料机操控区用于操控取料机进行远程手动、远程自动作业。料流仿真区用于显示本取装流程中的料流分布及料流到达各关键节点的估算时间信息。堆场单机位置显示区用于显示堆场各堆料机、取料机、堆取料机的实时位置和作业垛位。

由于取料机是根据流程切换的，因此取料机操控区是动态的，通过VBA编程实现，当取装流程更换时，自动将所需取料机的操控画面嵌入到取装联动操控主界面中。整张HMI界面采用弹窗式设计，既可较多的展示信息也便于操作。

4.2 作业信息自动推送功能

为了减少操作量，提高取料机和装船机的协同作业能力，开发了取料量自动推送功能，将中控流程信息与取料机共享，省去了操作员每次作业前设定取料量的步骤。开发了取料流量自动调节功能，将中控、装船机、取料机信息互通，根据装船机的臂架俯仰角度、配煤比例、作业模式、剩余作业量等信息自动调整取料机的设定流量，提高配煤精度、减少人员操作、提高作业效率。

4.3 双机配煤流量控制功能

双机配煤流量控制需借助中控PLC控制系统实现。中控PLC控制系统与取料机PLC控制系统进行实时数据交互，读取取料机的行走数据、工作状态、实时流量和剩余作业量等，动态调节配煤比例，设定各取料机的设定流量，再利用主从双闭环控制实现主从取料机瞬时流量与设定流量的一致性。此功能不仅能按照客户要求提供全过程精准配煤，也能保证装船全过程的流量最大化。

取料机自动回转取料流量控制模块是双机配煤流量控制的基础，也就是主从双闭环控制中的闭环控制。由于取料机斗轮工作压力与取料瞬时流量近似成正比关系，因此用实时检测的斗轮马达入口压力减去空载压力再乘以比例系数可计算出瞬时流量反馈值，将流量反馈值与流量设定值进行比较后，通过取料流量与回转速度转换公式可计算出回转速度偏差，再通过PI控制器进行调节可实现通过控制回转速度来控制瞬时流量与设定流量保持一致，为了提高响应速度，实现瞬时流量快速跟随设定流量，增加前馈控制，形成一套带前馈的PI控制系统。

双机配煤流量控制功能分为两个模式：效率最大化模式和精准配煤模式。

效率最大化模式：为了获取最高效率，需要尽可能减少每次取料作业时间，因此保证配煤作业时两台取料机同起同停，配煤比例按照各自剩余取料量进行自动分配的方案可实现效率最大化。即每隔5分钟自动根据两台取料机本次剩余作业量计算一次配煤比例，将配煤比例折算成设定流量后传输给各取料机，通过取料机自动控制中的闭环PI控制，保证瞬时流量与设定流量的一致性。

精准配煤模式：受料堆形状的影响，在垛头垛尾取料及换层过程中，存在流量偏离的情况，容易造成配煤比例偏差过大。为此利用双机配煤主从闭环流量控制算法，对双机流量进行动态调节，实现配煤过程的精准控制。选取流程中更靠近上游的取料机作为主取料机，靠近下游的取料机作为从取料机，需要调节两取料机设定流量时，先调整主取料机的设定流量，等待T时刻后再调整从取料机的设定流量（T为煤流从主取料机传输到从取料机所需的时间）；根据三维模型系统中料堆信息，预测一段时间内的流量趋势，根据预测值自动调整两台取料机的设定流量，再通过取料机自动控制中的闭环PI控制，保证瞬时流量与设定流量的一致性。

4.4 提前上料功能

通过上游设备提前上料，当下游设备准备完毕后，料流刚好到达下游设备，有效压缩生产辅助时间。例如，通过比较料流从取料机到达装船机的时间和装船机换舱所需时间，在装船机换舱过程中取料机提前上料，使装船机完成换舱时料流刚好到达装船机，实现设备间生产协同，减少流程空转时间，实现煤料快速转运，提高了流程生产效率。

5 动态急停保护系统

远程急停按钮作为设备失控时的应急保护装置是必不可少的。但取装流程的灵活性决定了装船机和取料机不是固定对应的。因此需要同一远程急停按钮在不同的作业流程中对不同的取料机提供急停保护。为了解决这一难题，有效保证安全生产，开发了一套动态急停保护系统。在每个装船集控室除了为装船机设置两个固定的急停按钮外，还增设了两个急停按钮。新增设的急停按钮通过硬线接入装船机集控室远程站，装船机PLC将采集的急停信号根据流程信息进行编译后通过MSG指令传输至对应的取料机，进而控制取料机的紧急停机，实现了动态急停保护功能。

6 结语

取装流程一体化操控系统可以根据作业指令自动选取所需设备，组合成一条作业流程，通过几个简单的按钮即可实现对装船作业全过程的控制。他在自动化的基础上，通过建立协同机制，提升煤炭取装作业的集成程度和协同程度，进一步提高了生产效率，减少了劳动配员，降低了劳动强度，消除了由于沟通不畅诱发的安全隐患，具备在煤炭港口大力推广的价值。