矿石码头堆场智能喷洒水除尘控制系统设计

孙 亮，刘 锟

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456)

随着工业化和城市化进程的加快，资源短缺、环境污染和生态破坏逐渐成为全球性的三大危机。在我国，如何应对环境污染带来的危害已经成为关系到国计民生的大事。除煤炭、钢铁、化工等企业外，港口码头堆场的扬尘也成为环境污染的主要影响因素之一。尤其是近年来雾霾现象加剧，迫使我们更加重视PM10、PM2.5、PM1.0等可吸入颗粒物对人们健康的危害。大宗干散货中矿石、煤炭等在堆存、装卸、运输过程中的尘源扩散影响了附近居民生活环境、港口工作环境和周围生态资源环境,随着近年来铁矿石、煤炭等易起尘货种吞吐量的快速增长,作业量大幅度增加,污染控制的难度和压力进一步加大[1]。目前，我国港口在扬尘污染防控技术方法和管理层面上，取得了一定的成果，但仍有很大的发展潜力[2]。在堆场除尘过程中，湿法除尘的效率依然很低，人工作业无法完全驾驭现代化的控制设备，从而导致喷洒水不及时、喷洒水时长不合理、能源消耗大、喷枪开启条件不合理等诸多问题。另一方面，由于扬尘对城市空气造成的污染，正在逐步向周围城市蔓延，有着愈演愈烈的趋势。

本文设计并实现了堆场智能喷洒水除尘控制系统，通过对堆场内现有的泵房设备、喷枪进行控制，结合气象数据、取料机GPS定位数据等信息采集，实现了堆场全自动无人值守除尘。系统将取料机定位、实时气象、泵房水位和喷枪使用状态等信息作为输入参数，通过智能决策支持平台进行数据分析处理，对含水率低、容易起尘的堆垛进行按时、按量、按需的精准喷洒水控制。

1 矿石码头堆智能喷洒水除尘控制系统需求分析

1.1 堆场实时气象数据监控需求

码头堆场紧邻海边，气象条件复杂，大风天气较多。影响堆垛起尘的主要因素是风，而防止堆垛起尘起着积极作用的因素就是降水。因此，气象条件的观测对智能喷洒水控制系统起着决定性作用。由于环境保护的需要，堆场通常都设有防风网，使得堆场内气象情况与外界截然不同，因此常规的天气预报无法代表堆场内气象环境的变化，需要使用特定的监测设备监测堆场内气象数据。气象监测设备需要具备风速、风向、温度、湿度和降水量的采集。其中，堆场内风速影响蒸发速度，从而影响到堆垛表面含水率计算，而风向则影响喷枪的喷洒水效率，通常风力达到一定等级，喷枪不应迎风喷洒水作业；同时，温度和湿度对堆垛表面含水率的影响也不可忽视。

气象站的安装可尽量布设在场内不受遮蔽物影响的位置，同时根据堆场占地面积的大小和形状，合理选择气象站的个数，以保证根据全部气象站的风速、风向、温度、湿度、降水等条件计算出堆场内的平均气象条件。

除采用气象站进行天气监测外，气象部门发布的天气预报也是一个重要的参考因素。当堆场内有喷洒水需要，但短时间内堆场将会发生降水时，智能喷洒水决策模块应考虑降低洒水量或停止喷洒水操作，利用自然降水进行除尘作业。

1.2 堆垛边界和取料机位置采集需求

喷洒作业前需要了解堆垛的边界情况从而开启对应的喷枪，而堆垛大小和形状随着矿粉的出入场是经常变化的。过去，喷洒水作业前巡查员需要进入堆场内进行人为观察才能知道堆垛大小，而堆场占地面积广阔，信息采集操作通常费时费力。智能喷洒水系统可通过生产调度部门实时获取堆垛的边界数据，从而为喷洒水开启的喷枪数提供输入条件。

取料机作为堆场内输送矿粉的主要工具，通常不定时进行作业。一般情况下，喷枪都是安装在取料机轨道外沿，以节约占地面积。如果在取料机工作时进行喷洒水，势必会给取料机工作带来很大障碍。过去，在人工进行喷洒水作业时，需要巡查员进场联系生产调度部门，确定堆场内是否有取料机在作业，然后再去堆场内观测取料机实时位置，以保证喷洒水作业尽量避开取料机[3]。如今，作为堆场智能喷洒水系统的大脑，决策系统应具备实时判断取料机位置，排除取料机工作的范围，并根据实时的风力、风向等监测数据，最大程度的保证喷洒水作业不会干扰到取料机的正常工作。为此，我们将为取料机安装定位系统，用于监测取料机的实时位置变化。

1.3 喷洒水设备自动控制需求

通常，完成一次喷洒水作业需要以下操作流程：判断蓄水池液位→开阀→开泵→判断管道压力→判断同时开启喷枪数量→开喷枪→喷洒水作业→关闭水泵→关闭电动阀→关闭喷枪。过去，流程中每一个步骤都需要人工操作，由于不同的液位、不同的管道压力能够同时使用的喷枪数量也不同，所以实际操作时就对操作人员提出了较高的技术要求。操作流程有误或操作时机把握不好有可能损坏设备，输出判断不合理则可能达不到良好洒水效果，这些都是制约喷洒水作业顺利完成的主要因素。因此，智能决策系统有以下设备控制需求：(1)自动执行控制流程，根据操作执行状态进行下一步操作；(2)量化流程中各个环节的输入和输出，用量化的数据替代人工的经验分析，并使过程参数可配置；(3)根据液位和管道压力动态调整喷枪开启和关闭数量；(4)根据含水率动态控制喷枪的喷洒水时长，做到按时按需进行喷洒水作业[4]。

1.4 平台可视化控制需求

作为智能喷洒水控制系统，平台的可视化建设不容忽视，其好处是可视、直观、人机界面友好，操作状态和数据可长期保留[5]。系统应集中展示堆场内实时气象、取料机、堆垛和喷枪的工作状态，具体需求如下：(1)实时展示堆场所在城市的最新气象预报情况，以及堆场内各气象站的实时气象数据；(2)图形化方式显示堆垛的地理位置、矿种、是否达到喷洒水临界条件等关键信息；(3)图形化显示取料机的工作平台以及取料机实时位置；(4)图形化显示各喷枪的喷洒水情况和使用状态。

2 矿石码头堆场智能喷洒水除尘控制系统

2.1 系统功能模块划分

堆场智能喷洒水除尘控制系统包括堆垛管理、气象监测、喷洒水控制、泵房控制、智能决策、系统管理六个子系统(图1)。堆垛管理子系统综合展示气象站、堆垛、取料机、喷枪等实时状态。气象监测子系统实时采集堆场内降水、风向、风速、温度等气象参数，结合天气预报情况实时展示堆场内各个区域详细气象因素的变化，尤其是风速和风向的变化。喷洒水控制模块自动控制喷枪对堆垛进行喷洒水作业，并可对有故障的喷枪进行报警提示，对维修状态进行跟踪。泵房控制模块可实现对实时水位、流量和管道压力的监测，并可实现对泵房设备的自动控制，在水位过低水压不足时做出报警，并在异常情况进行自动关闭设备等保护措施。智能决策子系统通过综合分析气象、堆垛、取料机、泵房、喷枪等实时状态，对含水率低、容易起尘的堆垛进行自动喷洒水作业。

图1 堆场智能喷洒水除尘控制系统功能模块Fig.1 Function module of dust control system for intelligent spray water in storage yard

2.2 系统功能模块划分

堆场智能喷洒水除尘控制系统技术架构分为物理层、通信服务层、数据层和应用层，各层之间的关系如图2所示：

图2 堆场智能喷洒水除尘控制系统分层结构图Fig.2 Hierarchical structure diagram of dust control system for intelligent spray water in storage yard

(1)物理层。

整个系统的基础，为系统提供基础的数据采集和控制服务，物理层包括喷枪、泵房设备、PLC、自动气象站、国家气象局网站和GPS定位模块；

(2)通信服务层。

主要功能是将物理层的实时数据写入数据库，并对下位机设备进行控制，该层由专门的服务软件执行，采集和控制喷枪、泵房设备、气象数据、GPS定位信息等，通信服务层与物理层通过无线数据透传模块进行数据交互，可降低布线难度并减少部分硬件成本。

(3)数据层。

使用MS SQL SERVER 2012企业版作为数据库，存储喷枪喷洒状态数据、泵房状态数据、气象信息、大机定位信息、地图数据、堆垛信息、用户数据和系统参数。

(4)应用层。

应用层使用VS2013进行开发，运行平台为.Net Framework4.0，功能模块包括堆垛管理、气象监测、喷洒水控制、泵房控制、智能决策支持、系统管理6个子系统，其中堆垛管理和气象监测子系统为智能决策子系统提供数据支持，智能决策子系统为泵房控制和喷枪控制子系统提供决策输出。

2.3 系统功能设计

(1)堆垛管理子系统。

包括堆场气象信息、喷洒水状态信息、取料机位置信息、堆垛状态信息显示以及取料机位置历史数据查询。①气象信息显示：堆场内气象环境进行监测，包括温度、湿度、风速、风向等，并以标签形式在工具栏滚动显示，显示各气象站的气象参数。系统在堆垛管理页面上显示各气象站图标，用户鼠标悬停可显示实时气象信息。②喷洒水状态显示：系统以动画的形式显示喷枪喷洒水过程，用户可以直观的看到正在喷洒水的喷枪。③取料机位置显示：系统以动画形式显示取料机的实时位置，用户鼠标悬停可显示取料机斗轮处的经纬度。④堆垛状态显示：系统从电子理货系统实时载入堆垛的经纬坐标和信息，用户鼠标悬停时，以气泡提示框显示：堆垛编号、名称、入场时间、矿种、重量、占地面积、船名和货主等信息。系统默认的堆垛颜色，以黑色表示，对于达到触发条件需要喷洒水的堆垛，则以红黑渐变的颜色进行显示。用户点击堆垛，可显示详细的堆垛信息。⑤取料机位置查询，通过时间和设备编号查询取料机运行轨迹。

(2)气象监测子系统。

气象监测子系统包括实时气象数据监控、实时天气预报下载和历史气象数据查询。①实时气象数据的监控：采集并显示风速、风向、温度、湿度和雨量为智能决策模块提供气象数据支持，采样间隔通常为1 min；②天气预报下载:每小时从国家气象局数据库读取风力等级、风向、温度、湿度和降水等级，为喷洒水智能决策模块提供数据支持。当空气湿度较大或发生降水时，决策模块将不进行喷洒水作业；③历史气象数据查询：对气象站和气象预报的历史采集数据按照时间段进行查询，并可将查询结果以数字表格和曲线图表的方式显示在软件界面上。

(3)喷洒水控制子系统。

喷洒水控制子系统主要利用上位机软件控制PLC驱动喷枪实施喷洒水作业。包括喷枪信息显示、喷枪控制、喷枪使用状态配置、喷枪维修配置和喷枪维修记录查询。①喷枪信息显示：系统喷枪总数、正在喷淋喷枪数、报警喷枪数、维修喷枪数和暂时停用的喷枪数，以及各个喷枪的操作状态。②喷枪控制：鼠标点击打开或关闭某一支喷枪或某一管线上全部喷枪[6]。③喷枪使用配置：由于维修或堆场建设原因暂停或启用某一喷枪，同时记录其启用、停用原因和时间。④喷枪控制及维护记录查询：按时间、管线和编号检索喷枪的操作和维护记录，包括喷枪的开启关闭时间、启用停用时间和维修原因等。

(4)泵房控制。

泵房控制子系统支持泵房内水泵和阀门的控制，同时对管道压力和流量进行实时监控。泵房的控制方式包括手动、自动两种，只有处于自动状态时，用户才可以通过上位机软件操作泵房设备。①泵房实时信息显示:采集并显示水位计、流量计、管道压力计实时数据，显示水泵、电动阀实时开关状态；②泵房设备控制:提供电动阀和水泵的控制功能，并以指示灯显示电动阀控制过程；③泵房设备维修配置:提供对泵房设备进行维修配置，包括“维修状态”、“维修负责人”、“故障原因”和“维修时间”等；④泵房设备维修记录查询:提供对泵房设备的维护信息按时间和设备编号进行查询；⑤泵房历史数据查询:提供对泵房设备的历史控制和采集数据进行按时间、类型和设备编号查询功能。

(5)智能喷洒水决策系统。

智能喷洒水决策系统是整个系统的核心，包括全自动控制和半自动两种方式。①全自动控制喷洒水决策系统：通过整合气象(温度、湿度、风速、风向、雨量)、天气预报、取料机位置、堆垛大小和位置、含水率等信息，做出智能化的计算，当堆垛达到起尘临界条件时，系统将自动开启堆垛对应的喷枪、开启泵房电动阀和水泵，按时、按需进行喷洒水作业，当需要喷洒水的堆垛全部喷水完毕后，系统会依次关闭水泵、电动阀、喷枪等设备。全自动喷洒决策算法自动分析喷枪的使用情况、损坏情况、水泵的供水能力，取料机的位置等信息综合分析后作出喷洒水决策，全程无人参与，优势在于无人值守，响应迅速；②半自动喷洒水决策系统：计算堆垛的起尘临界条件与全自动控制相同，当作出喷洒水决策时，系统给出适当的提示，如哪些堆垛需要喷洒水，对应的哪几个喷枪可用，让用户自己决定是否进行喷水作业，开泵、开阀、开喷枪的过程需要用户在软件上手动操作。半自动喷洒控制的优势是当设备损坏时，如喷枪、电动阀或水泵无法关闭时，用户可及时做出应急响应，以免造成不必要的经济损失。同时，用户也可以根据实际天气情况自行进行喷洒水作业。

(6)系统管理。

系统管理模块包括参数设置、用户管理等功能。参数设置包括数据存储间隔设置、智能喷洒水时间设置、智能决策方式设置、同时开启喷枪数设置、天气预报采样间隔设置、喷枪喷洒水范围设置等。用户管理：主要提供用户的添加、修改和删除操作。系统设置不同权限的三种用户，普通用户只能够查看全部页面和读取系统数据，无设备控制权限；管理员用户可查看和读取全部系统数据，可操作喷洒水控制、泵房控制、堆垛管理等子系统；系统管理员除拥有管理员的功能外应具备参数设置的功能。

2.4 系统关键技术分析

(1)取料机定位技术选择。目前，常见的定位技术有卫星定位、基站定位、超宽带(UWB)定位，WI-FI定位等。其中基站定位精度较低，一般在500 m以上，而UWB和WI-FI通常用于室内定位，不适合取料机定位，故本系统考虑使用卫星定位。在国内可用的卫星定位技术包括GPS、差分GPS和北斗定位。由于北斗定位未完全商用、普通GPS定位精度较差，故采用差分GPS技术对取料机进行定位。差分GPS系统由基准站发送修正数据，子站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。经由差分GPS进行定位，取料机的位置可精确到0.1 m，完全满足系统精度需求。

(2)大地坐标向屏幕坐标转换。为了获得更好的可视化效果，需要在大屏集中实时显示堆垛、取料机、气象站、喷枪等元素实时信息。由于取料机和堆垛边界的经纬度信息获取使用的GPS定位系统遵循WGS-84世界大地坐标系，所以为了将堆场所在矩形区域在屏幕上正向显示，保证取料机运行轨道平行于屏幕X方向，需要将堆场所处的大地坐标系向屏幕坐标系的转换。根据《大地测量学基础》可知，以堆场坐标系统为原点，法线为Z轴的大地坐标系又称为法线站心坐标系[7]，将世界大地坐标系向屏幕坐标系转换需要3个步骤。首先，需要将世界大地坐标系转换为法线站心坐标系，其次，需要将站心坐标系通过旋转转换为以取料机轨道为X方向的平面直角坐标系，最后再经过缩放即可将大地坐标转换为屏幕坐标。

(3)智能喷洒水触发因素分析。系统后台运行的智能决策支持模型，根据实时监测的降雨、温度、湿度、风速、气象部门的预报等信息，结合当前各堆垛的含水率触发值，进行综合分析，计算出需要喷洒水的堆垛编号。通常，堆垛起尘受自身表层含水率、表层细颗粒含量、矿粉密度和风速的影响。同时，要考虑洒水板结对起尘的影响。对物料堆充分洒水，水分自然蒸发后，起尘风速变大，起尘量显著降低[8]。每个堆垛入场时，都需要进行入场喷洒水，因此，充分利用堆垛的入场洒水，尽可能的使堆垛入场喷洒水后，表面达到板结状态，可以显著降低后期洒水量。同时，雨雪天气过后，堆垛表面含水率通常会达到饱和含水率，也可达到板结状态。

系统根据堆垛的位置信息、取料机作业状态实时判断哪些堆垛可进行喷洒水作业。在全自动喷洒水模式下，系统将自动按照喷洒水控制流程运行，综合分析蓄水池液位、管道压力、堆垛面积等因素做出合理决策，做到有序、定时的开启关闭喷枪，保证在不影响取料机作业的情况下，按照预期计算结果进行控制输出[9]。

3 矿石码头堆场智能喷洒水除尘控制系统应用案例

本文以营口港A港池矿石码头为例，介绍堆场智能喷洒水除尘控制系统的应用情况。营口港A港池矿石码头是我国较早探索堆场自动喷洒水控制系统的码头之一。时至2014年，该码头堆场已建成取料机平台6条，每个平台上平均安装喷枪20条。堆垛是否有喷洒水需要，完全由人工巡查进行判断，巡查员在堆场对每个堆垛进行含水率的测定，目测当时的天气情况，利用个人经验做出判断。但是由于堆场面积较大，码头气候条件较为复杂，常常出现喷洒水不及时造成扬尘现象。尤其是夜里和秋冬季节，堆垛含水率测定难度加大，目测气象情况不准确，喷洒水就更加不及时，即使堆场四周装有防风网，起到的效果也不明显。

尤其是矿石随时可能入场和出场，加大了巡查员对堆垛喷洒水量多少的判断，所以，一般情况下，对于堆垛的喷洒水常常是一次对全部堆垛喷淋，喷淋的时间也一致，虽然省时省力，但对于面积较小的堆垛，可能造成水、电等资源的浪费，对于占地面积较大的堆垛又有可能出现喷淋不足的情况。

2015年底，该码头进行了喷洒水自动控制系统改造，在堆场内新增5个气象站用于监测堆场内风速、风向、温度、湿度和降雨量实时天气情况，为6台取料机安装GPS模块，并新增监测服务器用于监控这些设备的数据，其数据库的主要数据内容如表1所示。同时，系统在控制室内配备大尺寸显示屏，用于同步显示堆场内各堆垛位置信息。通过堆垛、气象和GPS定位信息，巡查员在机房内通过大屏便可以了解堆场的实时状态。无论自动喷洒水还是半自动喷洒水，系统都能对需要喷洒水的堆垛变色以进行报警提示，并给出需要喷洒水的喷枪的数据和喷淋时长，避免了巡查不便、人工误判、资源浪费等现象的发生，系统各主要功能模块设计如表2所示。

表1 智能喷洒水系统数据库详表Tab.1 Intelligent spraying water system database

表2 智能喷洒水系统功能模块表Tab.2 Module list of intelligent spray water system

4 结语

大气污染已经成为城市环境污染的主要污染源之一，散货港口带来的扬尘污染是海滨城市大气污染不可忽视的因素之一。本文针对堆场喷洒水系统的需求，设计并开发了堆场喷洒水自动控制系统。该系统在营口港A港池矿石码头的应用实践表明，通过对场内气象条件、堆垛含水率等信息的分析，实时采集取料机和堆垛的位置关系，利用决策系统给出智能化的决策，解决了水量、电量等资源浪费较大，喷洒水不及时造成大气污染等诸多难题，智能喷洒水自动控制系统的应用取得了明显的经济效益和社会效益。环境现状监测数据和实验模拟结果表明，港口煤炭装卸作业过程中煤炭作业动态起尘PM2.5排放量>煤炭运输道路起尘PM2.5排放量>煤炭堆存静态起尘PM2.5排放量[10]。虽然上述研究结果基于煤粉，但其研究成果对于其他种类的矿粉具有一定的适用性。未来通过不断的数据积累作为数据支持，有针对性的对不同矿种、不同形态、不同密度的堆垛含水率和起尘风速加以优化，以达到更好的除尘效果。同时，堆场喷洒水智能控制系统，不但要在矿粉静态堆放过程中进行喷洒水，还要通过视频监控、人工干预等多种方式，对动态作业和运输过程中的矿粉进行喷洒水，使智能决策支持平台将发挥更大的作用。