港口储配煤基地自动化控制系统的探索与应用

2022-05-12宋英麟张树元

港工技术 2022年2期

宋英麟，孙鲁，张树元

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

在煤焦钢产业链上，围绕炼焦煤使用，有两对矛盾已非常突出。第一对矛盾是环保要求趋严和国内优质炼焦煤的硫份含量走高，第二对矛盾是依赖性和稀缺性的矛盾。以前钢铁工业布局的思路是：内地控制、沿江适度、沿海放开[1-2]。现在，在供给侧改革的大背景下，内地小型钢铁企业大量拆除，新的长江三公里经济带的理念是要把工业逐步退出，大型钢铁企业、大型炼铁高炉在沿海布局的数量在增加，速度在加快，对优质炼焦煤的依赖度在逐步提升。同时，优质炼焦煤在本来很有限的基础上更加稀缺。这两对矛盾的四个要素，客观存在，持续显现，已经影响到了煤焦钢产业链的平稳运行，需通过在沿海港口新建配煤基地适度缓减[3-5]。

1 配煤基地项目概述

本文以山西焦煤煤焦销售有限公司日照配煤基地项目为依托，该工程为国内首个沿海港口焦煤储配煤基地项目。项目满足国家环保政策的要求，符合国家在沿海布局钢铁企业的整体规划，抓住了国家铁路增量和日照港东煤南移的良机，对稀缺资源有积极的保护作用，有利于煤焦钢产业链的平稳运行，促进煤、港、钢的深度融合[6-8]。

本项目围绕实施单一煤种精确混配作业进行设计，焦煤配煤产品主要定位为中低硫焦肥煤为主。工艺系统要求配煤精准、质量稳定，配置新产品的精确度质量不低于炼焦厂内配煤精确度，可以满足启用全新产品标识进入市场的需要。其装卸及配煤工艺系统由铁路卸车系统、码头卸船系统、码头装船系统、配煤系统、配前煤及配后煤堆场堆存系统和成品煤炭全分析系统组成。其中铁路卸车系统、码头装船系统利用日照港东煤南移工程设施；码头卸船系统利用14#-15#泊位卸船设施；配前煤堆场堆存系统利用日照港东煤南移工程设施。装卸及配煤工艺系统设计与日照港东煤南移工程的铁路卸车堆存系统、船舶装卸系统、堆场系统相协调。其装卸及配煤工艺设计满足了项目要求的3个重要功能，即炼焦煤配制功能（生产系列化标准产品，同时满足个性化定制，达到用户最终原料煤要求，系统按年配煤量1 000万t进行设计）、成品煤堆存功能以及成品煤质检分析功能。

本项目焦煤配煤采用配煤筒仓方式。根据配煤采用的品种数量及比例的需求，设配煤仓共6座，每座筒仓容量5 000 t，排成一列。按照每批次配煤总量要求，各规格原料焦煤分别装入配煤筒仓，根据焦煤配煤比例同时出仓，落料至筒仓下面的称量皮带机，根据称量皮带机流量的实时反馈，调整给料机的出料速度，单种焦煤通过称量皮带落下汇集到主系统带式输送机上，配合好的混煤在带式输送机多次转接过程和堆入堆场过程中实现混合均匀。每批次配煤每个筒仓所存储原料煤一般不同，则需要将上一批次配煤后剩余原料煤排出，以确保下一批次配煤的精度。每次配煤结束后，分别将若干座筒仓内的剩余原料煤排出，并暂分垛堆在成品煤堆场内，然后采用单斗装载机配合自卸汽车将剩余煤炭转运至现有日照港东煤南移工程堆场堆存。

2 港口自动化配煤控制系统

自动化配煤控制系统由PLC、控制系统服务器、工业以太网交换机、监控工作站及数据库软件和配煤系统软件组成，实现不同煤质经数字化配煤系统运行后而达到性价比最优的配置。根据工艺流程控制要求，本系统主要完成原料焦煤进仓配煤流程、堆场自动堆取料流程、成品焦煤出堆场装船流程及与依托项目的流程连锁控制等内容的设计。

2.1 原料焦煤进仓配煤流程

原料焦煤进仓配煤流程，通过日照港东煤南移工程的堆场带式输送机或翻车线带式输送机经转接机房接至带式输送机，再经转接机房转接至筒仓仓顶带式输送机由仓顶卸料小车按每批次配煤总量要求，不同规格原料煤分别卸入配煤筒仓，控制系统按工艺流程设定的配煤装仓量完成原料煤进筒仓流程作业。卸料小车可实现远程无人操作。控制室通过无线、有线以太网通讯及硬线连锁与卸料小车控制系统进行数据通讯和信号传输。卸料小车走行定位采用APON、编码器、位置限位开关等多种定位方式，实现对卸料小车的精确定位控制。

筒仓出料为4 个出料口，分别配置4 台双调节给料系统，两个出料口对应一条仓底皮带机，每个筒仓下布置两台皮带机，每台给料系统配置一台高精度皮带秤。为了保证计量的精度和可靠性，配料系统使用双通道电子配料秤。前后两个称重单元（通道）相互检测，可及时超差报警，故障时切换至任一通道仍能正常工作；称重传感器选用精度为0.02 级的高精度、高稳定性称重传感器，并带有传感器过载保护装置。

中央控制室依据系统设定的筒仓配煤方案及焦煤配制比例要求，自动控制各仓底配煤给料机的出料速度(出仓给定量)，保证筒仓出料量按配比要求精准出料。筒仓出料过程中，当有筒仓出料量大于或小于设定出料量时，控制系统通过仓底高精度皮带秤的实时称量信号反馈至控制系统，控制系统根据反馈自动调整给料机的给定频率和下料板角度的调节，使物料在非结堵状态下达到按要求随意调整出料力，保证给料机能实现最佳的出料量控制。实现仓底出料的实时闭环控制，保证配煤量的精准控制。按流程控制要求筒仓原料煤出仓落料至筒仓下部的称量皮带机，筒仓单种煤通过称量皮带落下汇集到主系统仓底带式输送机上，通过转接机房转接后进入成品堆场，完成原料煤进仓配煤流程作业(集港流程)。

配煤流程中在进仓线带式输送机设置进仓采制样装置，在出仓线带式输送机设置出仓采制样装置。两套采制样装置分别对进仓、出仓原料煤进行在线实时采样。采制样系统与进仓配煤流程系统连锁控制。

图1 筒仓配煤控制系统结构框图

由于煤具有自热自燃的特点，加上筒仓在工艺设计上的特点，使得筒仓储煤也存在着很大的安全隐患。筒仓靠近侧壁的位置容易造成煤的堆积造成死角，此处的积煤长期与空气接触后会产生自燃。自燃产生的热量会直接作用在筒仓侧壁，使得侧壁的强度降低，造成极大的安全隐患。为避免此种发生此种隐患，本项目设置一套筒仓安全监测系统，筒仓安全监测系统由现场检测设备、监测系统及联锁控制设备等部分组成。每个筒仓现场设有雷达料位计、高低料位计、筒仓储煤温度检测和仓内可燃及有毒气体(CO 及CH4 等)检测器等检测设备和检测仪表。本工程在仓顶房内设置独立的筒仓安全监测站全面监测筒仓状态，保证筒仓储煤安全。

配煤流程完成后，筒仓剩余原料煤排出至成品煤堆场，然后采用单斗装载机配合自卸汽车将剩余煤炭转运至原来的日照港东煤南移工程堆场堆存。

2.2 堆场自动堆取料流程

长期以来，国内堆、取料机都是由人工进行操作。在生产作业中，受限于人工操作水平限制，生产作业效率较低，而且作业过程中劳动强度高、工作环境差，人员成本较高。针对这一问题，本项目火车卸船、堆场堆存、码头装卸船作业所依托的日照港东煤南移工程已按照堆场堆、取料系统生产作业全自动化设计实施。本项目成品煤堆场堆、取料系统生产作业按照全自动化进行设计。

本项目堆场配置1 台堆料机、1 台取料机，大机上实现远程自动化控制后，可使项目投产后能大大提升生产作业稳定性，改善工作人员作业环境，提能增效，降低生产安全风险，保持建成后的煤码头在整体自动化作业管理水平具有国内先进水平。

本项目利用现代通讯技术，采用有线与无线通信结合的方式，建立中控与地面大机设备之间的网络链路，完成中控室与现场大型设备之间的数据交换信息共享，实现PLC 控制指令的下发等功能。堆/取料机通过在斗轮左右两侧安装激光扫描装置的方式获取堆场料堆点云数据，通过通信接口将数据发送到中控无人化图像服务器中,并通过中控室处理器运算处理后建立三维堆场模型，实现料堆的三维成像。堆场自动化系统依靠准确的三维模型数据，计算出料堆作业切入点，控制堆取料机进行作业。

自动堆料作业时，堆料机收到中控下达的自动堆料命令，机上PLC 控制堆料机自动完成作业定位并自动进行堆料作业。自动取料作业前，操作人员需手动驾驶取料机对料堆进行表面的测距数据采集，完成料堆三维模型数据更新。自动取料作业时，取料机收到中控下达的自动取料指令，机上PLC 控制取料机自动完成作业定位并自动进行取料作业。系统还具有取料流量的恒定控制功能，通过实时采集取料驱动电机的电流，利用电流与流量间的关系控制堆取料机的机构动作速度，达到控制取料流量的目的。此外，为防止大型堆取料设备作业时发生碰撞，在大机悬臂两侧安装防碰撞激光扫描装置，激光扫描装置的控制信号直接传入本地PLC。本项目在中控室中设置远程操作手柄，操作人员通过手柄可远程直接操作堆、取料车的动作。

2.3 成品煤装船流程

中控室根据装船计划制定装船流程，成品煤堆场已配好的原料煤经堆场取料机取料至BD1 带式输送机，通过TP2 转接机房转接至BJ6 带式输送机，在TP1 转接机房经3 工位伸缩头根据已设定的流程分配至装船线2-1、2-2、2-4 带式输送机，经JF1转接机房分别转接至码头1-1、1-2、1-3 带式输送机后通过SL1、SL2、SL3 装船机完成成品煤装船流程作业。流程中带式输送机2-4、1-3、SL3 装船机的装船流程为预留流程。

图2 配煤基地项目工艺流程图

2.4 项目的连锁控制

1)配煤流程与东煤南移带式输送机的连锁控制

按照配煤作业流程计划，配煤流程设备按逆料流设备启动，流程启动完成后输出流程启动备妥信号给东煤南移控制系统，东煤南移带式输送机启动，并按工艺流程逆料流启动相应工艺设备，配煤流程开始作业。

配煤流程结束时，控制系统发出流程结束信号，东煤南移控制系统按流程控制要求顺料流停止流程工艺设备及带式输送机，并发出带式输送机停机信号，此时，配煤流程工艺设备按顺料流方向顺序停止设备。

2)配煤流程与东煤南移装船系统连锁控制

按照配煤作业装船流程计划，根据装船计划按逆料流启动装船线工艺设备，待配煤装船流程的下游装船机、带式输送机2-1 或2-2(2-4 预留)启动后，配煤控制系统接收到东煤南移工艺系统下游带式输送机的启动备妥信号后开始启动配煤装船流程工艺设备，设备启动前设于BJ1 转接机房的3 工位伸缩头需运行至所选装船流程带式输送机的位置。配煤装船流程逆煤流启动，流程设备BJ6、BQ1 带式输送机、取料机顺序启动，此时，完成配煤装船流程作业。

配煤装船流程运行结束时，配煤控制系统发出装船流程结束指令给东煤南移控制系统，配煤装船流程设备待排清带式输送机的物料后，顺料流方向停止取料机的取料作业、顺序停止BQ1 带式输送机、BJ6 带式输送机。同时给东煤南移控制系统发出BJ6 带式输送机停止运行信号(或装船流程设备停止运行信号)后，装船线2-1 或2-2(2-4 预留)、1-2或1-1(1-3 预留)带式输送机、SL2 或SL1(SL3 预留)装船机等设备顺序停止，装船流程作业结束。