干散货码头散货作业智能控制系统设计

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太仓鑫海港口开发有限公司

1 引言

目前，我国传统散货码头的装卸设备操作方式仍以人工或者半自动为主，传统散货码头智能化发展之路存在以下几个问题。

(1)散货码头的工艺流程比较复杂，工艺的环节较多[1]。

(2)无人化操作仅有部分干散货码头应用了斗轮堆取料机无人化操作，未实现全面无人化操作。

(3)信息系统如生产商务系统、OA系统、技术管理系统等已经得到了充分的应用，但各个系统间往往没有相互的关联，数据不能在各信息系统间相互导入引用[2]。

太仓鑫海港口开发有限公司散货专业码头作为专业化的散货码头，开发了智能化的流程控制系统，实现了装船、卸船和斗轮堆取料全程自动化作业的散货码头，建立了集生产、管理和控制于一体的系统。下面分别从生产作业模块、辅助功能模块和信息管理模块3个模块介绍公司的散货作业智能控制系统。

2 生产作业模块

2.1 中控皮带机流程自动化

智能流程选择系统将单机作为初始数据，对所有流程进行数据规划，操作人员可选择单机或者联动操作，选择完成后筛选流程，并实时显示流程所包含的主要设备的信息，点击“启动”一键启动整个流程。

2.1.1 流程流量集中控制

控制系统的上位机画面中，将卸船机大漏斗内物料的实时吨位、给料器频率、斗门开度、斗轮机皮带机流量和固定流程皮带机的实时流量等信息，实时集中汇总到操作界面上，中控操作员对整个流程所有环节信息全部掌握，对流量的控制更加快捷、清晰，提高了流程的效率。

2.1.2 皮带机变频控制

流程部分皮带机采用变频驱动系统，每台输送机变频系统可独立运行，当变频系统转换开关切换到远程控制时，由中控系统进行控制，中控系统按流程控制需要对输送机变频系统进行启动、停止及速度调节控制，并对变频系统各设备进行相应的控制操作、启动联锁、状态检测等，可根据作业工艺进行5档切换。

2.2 斗轮机、卸船机和斗轮机无人化

该系统集成了全自动作业规划、管理等功能。根据生产作业计划自动分配作业任务，为装船机、卸船机分析作业区域、作业路径，根据系统工艺分解管理系统信息指令，下发到卸船机、装船机和斗轮机，并反馈单机信息。

中控操作台能够设定装船机、卸船机、斗轮堆取料的运行模式，通过转换开关选择全自动作业模式、人工(远程)作业模式，本地或远程操作模式则在主机设备上选择。

2.2.1 网络架构

自动化作业网络采用混合型网络拓扑结构(见图1)，以2个互为冗余的系统核心交换机为中心，中控系统、单机自动控制系统、视频音频系统等分别连接到这2台核心交换机上，控制交换机和其他机上设备通过接入交换机也连接到核心交换机上，ARTG控制交换机作为ARTG控制网络的核心，单独扩展控制系统的网络，相互没有干扰。这种网络结构可以避免设备重复连接导致的网络风暴，也可以避免有个别网络设备出现故障时导致整体网络瘫痪的情况发生。

图1 网络拓扑图

2.2.2 自动化策略软件

自动装船策略软件基于WINCC等编译软件实现港口码头的散货装船自动化。软件输入主要船型参数有：船舱尺寸、物料类型、总装载吨位、自动/手动装载比例等参数。软件输出为自动作业流程中各点物料重量和其坐标值。

2.2.3 全自动作业管理系统软件

全自动作业管理系统是实现全自动控制的大脑和核心，采用Client/Server架构，设置1台高性能应用服务器，6个操作台客户端。通过调度设定作业任务，根据船型、作业量等数据，自动生成全自动作业策略，将作业策略发送给绑定的操作台客户端，再由操作台启动全自动作业，将指令发送给装船机、卸船机。同时卸船机、装船机设备的主要状态也会反馈到服务器，最终显示在客户端上。

2.2.4 船型扫描

设备自动化需要有效的检测手段和技术，装船机和卸船机均选用带有3D旋转云台的激光扫描仪SICK 3601系列，在不同位置扫描船舱轮廓及船内料堆信息，处理多激光器数据后，上传至中控全自动作业管理系统为路径规划提供数据基础。同时根据扫描数据实现大机与船、大机与物料的防碰撞保护。

激光扫描物料信息实时更新，将采集到的所有信息通过软件系统来计算、建模，形成电子物料数据，为全自动工艺方案提供必要的数据支撑，同时预留三维成像功能的接口。

2.2.5 安全保护系统

该系统具备溜筒或抓斗、大车行走运行路径上对障碍物的防撞保护功能和报警显示。码头前沿大机位置信号传送到中控室全自动作业管理系统，中控全自动作业管理系统根据各大机位置设置防碰撞保护。中控操作台和大车手动控制箱均装有“紧急停止”按钮，若出现意外工况，可及时停止机构动作。同时在码头现场设置设备隔离围栏，禁止车辆和人员随意进入远程工作区域，确保安全。

现场装卸设备的自动操作控制系统保证与计算机管理系统的网络隔离，避免设备控制系统产生故障影响现场的作业。

2.2.6 抓斗防摇和自动控制

抓斗防摇系统可以实现以下功能：无论空载和重载，在小车从全速运行到完全停止的工况下，抓斗摆动一个周期内，电子防摇系统能将抓斗最大摆动幅度控制在±100 mm以内，并趋于静止。

在全自动远程模式下，大车小车起升进行全自动卸料程序控制。抓斗运行轨迹由司机在作业前事先设定，全自动卸料程序控制应包括抓斗负荷平衡、速度平衡、抓斗下沉量和抓取量控制、自动开闭斗控制、抓斗的运行轨迹控制及定点卸料控制。

3 辅助功能模块

3.1 高压电机测温系统

对皮带机高压电机的前后轴、绕组温度进行实时检测报警。该温度监控系统依靠现场测温传感器通过RS485总线和以太网实现与中控室的通信，组成上位监控界面。现场的网络采用星型网络拓扑结构，根据转接机房分成若干子网，每个转接机房的测温节点各成1个子网。

3.2 粉尘监测系统

借助太仓粉尘在线监测平台对码头粉尘排放情况进行实时监控，通过数据实时查看、统计分析并进行粉尘预警和报警，实现公司粉尘监测数据、视频监控情况以及监测站点数据的实时展示，并把粉尘在线监测数据实时接入到公司生产管理系统中。

3.3 门机、卸船机电子动态称重系统

公司码头门机和卸船机上安装动态电子称重系统和能耗计量系统，将各门机的称重系统通过无线传输的方式组成称重网络，实现称重数据的有效采集，确保称重数据不漏、不重复、无错误，并对数据进行集中监管、处理、分析、备份、共享，为司机绩效考核和设备重要部件管理提供基础数据，满足要素系统、生产系统、技术系统的管理要求。

系统称重采用称重传感器与电量相结合的方式对起升载荷量进行计算处理。称重传感器对门机超载信息进行处理判断，起升电机能耗数据对起升载荷量进行计算处理，作为实际作业量统计数据，数据误差控制在±3%以内[3]。

3.4 智能照明控制系统

照明控制主机设置在中控室，控制对象为码头、堆场高杆灯塔照明灯具及路灯。监控计算机为本照明控制系统的人机界面，根据照度、时间、工作时段和非工作时段对照度的要求，分别实现对照明灯具的状态监视及控制，做到区域照明部分的开关功能，并监测区域照明灯的工作状况。照明控制系统采用中控室集中控制和现场控制2种方式，目的是方便操作及节能。

3.5 智能喷淋控制系统

堆场喷淋控制系统可对堆场喷枪电磁阀的运行状况进行实时监测与控制。喷淋控制系统控制方式为远程单动、联动和现场手动。喷淋监控系统监控画面具备喷淋系统运行和故障显示功能，动态画面显示有堆场喷水模拟画面、喷头通断状态、加压泵启停状态。喷淋控制系统控制可事先预设定启动时间，并且到时自动启停，自动记录洒水时间及喷枪编号，每支水枪喷洒时间可调。

3.6 开闭斗自动放斗系统

码头散货作业使用的开闭大漏斗，其斗门打开、关闭原本采用的是本地按钮和手持遥控器2种方式。为了更精准、安全、节省人力，将原来专人使用遥控器打开、关闭控制斗门方式，改造成无人智能操作的方式控制料斗斗门打开和关闭。

在不破坏原来控制方式基础上，在料斗下方放料区域增加监测有无卡车的光电传感器、卡车斗位置监测光电传感器、卡车斗内料位光监测电传感器，以及明显的声光警示提醒信号。所有传感器、声光报警以及斗门关闭、打开都是由西门子S7-200 SMART PLC处理。

改造完成后的开闭大料斗经过多次调试，可以实现自动开斗、自动闭斗、自动报警的功能，且每个动作能够精准完成，真正达到智能放料的预期目标，同时节省操作人员，实现精准控制，发挥技术经济的提升空间。

4 信息管理模块

4.1 数字化堆场管理系统

数字化堆场管理系统借助“物联网+”技术对现场生产资源要素进行智能化管理，以便监控散杂货作业全过程，分析作业资源配置的合理性、生产环节衔接是否有序高效，根据反映的情况进行科学调度和指挥。

生产数据电子化和自动采集，实现港口生产作业信息的实时采集与交互，满足生产作业要求，并对全港货物、船舶作业、机械、管理人员、视频健康等进行实时、直观、全面的可视化、智能化管理。

4.2 技术、生产和安全管理系统

管理信息平台系统使用分页标签样式，将OA办公系统、生产管理系统、技术管理系统、安全信息管理平台、人事管理系统、决策管理系统、党群管理系统、传真及邮件服务、考核管理整合在一个平台内展示。通过该平台可帮助港口管理者运用先进的信息技术，快速准确地处理复杂的数据和事务，提高管理人员的工作效率和业务水平，规范港口内部管理的流程，优化和提高港口管理人员的管理水平。

5 结语

干散货码头智能化的应用与发展，提升了港口的技术水平，解决了实际生产中的诸多难题，港口智能化、数字化堆场管理和设备自动化为港口发展提供了充足的动力，助力散货码头的智能化提升。