装船机自动控制提前上料关键技术分析

王 宁

（国能黄骅港务有限责任公司，河北沧州 061113）

0 引言

装船机是一种具有整机行走、臂架伸缩、臂架俯仰、悬皮机构、溜筒调平及回转等功能的大型、高效连续装船机械[1]，是装船流程中的头部设备，与流程中的皮带线、取料机等设备存在联锁控制。随着港口煤炭目标运量的逐年增加，作业密度不断加大，对提高装船流程效率的需求越来越大。

当装船机移舱移泊对舱后，取料机才会开始上料，料头最多需要8 min 左右才能到达装船机尾车，最短也需要2 min。因此取料机上料后，装船机存在较长空闲等待时间。如果对舱完成后再流程启动，则等待时间更长。因此，存在严重的流程空耗问题。

针对上述问题，提出在装船机对舱的过程中实现取料机提前上料，在装船机对舱后完毕，料头即可到达装船机尾车，最大限度地节约流程时间，提高流程效率。

1 取装上料流程分析

为保证取装流程的安全性，装船机悬皮启动/停止状态与上游关联皮带机及取料机存在程序联锁：

（1）在非移舱请求状态下，装船机悬皮停止后，则上游关联皮带机及取料机悬皮、斗轮都会立即停机。

（2）装船机打移舱请求情况下，装船机停悬皮，地面皮带机不停机，但上游关联取料机斗轮停转。

为保证伸缩驱动的安全及使用寿命，装船机俯仰机构与伸缩机构存在程序联锁：

（1）俯仰35°模式：当俯仰角度大于35°时，臂架伸缩驱动无法激活，不能执行伸缩动作；俯仰角度小于等于35°时，臂架可以伸缩。

（2）俯仰45°模式：当遇到特殊情况时，如受潮水原因影响或船舶刚靠泊，船舶比较高，臂架俯仰角度无法降到35°完成对舱时，可以采用45°模式。

为了保证悬皮驱动及悬皮上料时不发生打滑回溜现象，悬皮启动与俯仰角度存在程序联锁：当俯仰角度小于10°时，悬皮才允许启动。

2 自动控制提前上料技术研究

2.1 装船机提前上料技术路线

该港口已实现远程装船[2]、智能装船。在此基础上，本文主要通过计算取料机料头到达装船机尾车的时间，与装船机移舱剩余时间进行比较，实现提前控制取料机上料。

根据取料机GPS（Global Positioning System，全球定位系统）设备的行走数据，可以计算出BQ 线料流的长度X，带速v1；BC线长度Y，带速v2；通过装船机行走数据计算BM 线料流长度Z，带速v3。料头在沿线皮带经过的时间为T1=X/v1+Y/v2+Z/v3。T1忽略了取料机悬皮、斗轮启动时间，悬皮料流时间及沿线转接塔漏斗下料时间，实际料头到达装船机尾车时间要大于T1。

装船机所在位置到目标舱位具备装舱条件时间记为T2。分别计算行走剩余时间T21和俯仰剩余时间T22，则T2=T21+T22。

在理想状态下，当T1大于等于T2时，取料机开始取料。装船机对舱完毕时，料头正好到达尾车，可以最大限度地节省流程时间。

2.1.1 提前上料程序设定

为了保障提前上料的安全性，设计当T1≥T2+60 s 时，取料机开始取料，在装船机对舱时间T2的基础上增加60 s 裕量，为装船机增加安全保障。T1在计算时已经留有裕量，因此更能保证料头到达尾车时已满足装舱条件。

2.1.2 程序联锁优化

提前上料模式下，因存在臂架俯仰角度不满足悬皮启动的条件。需对设备的联锁逻辑进行优化，取消装船机移舱请求信号与流程上取料机斗轮之间的联锁。即装船机打移舱请求情况下，流程上取料机斗轮可正常运转。

2.1.3 增加倒计时监控功能

方便取装操作员更加直观使用提前上料模式，在HMI（Human Machine Interface，人机接口）界面增加T1、T2时间的显示功能。

2.1.3.1 料头到达装船机尾车倒计时显示功能

利用取料机斗轮启动命令、取料机位置数据计算料头到达装船机尾车时间，并根据皮带机速度进行倒计时，提供较为精确的料头到达装船机尾车时间显示，为取装操作员提供参考。

2.1.3.2 增加移舱倒计时显示功能

手动装船模式下，以臂架抬至最高角度后行走命令触发，至装船机对舱完毕且臂架降至作业角度为移舱所需时间，并通过HMI 界面进行显示。

自动装船模式下，以自动移舱功能触发，至对完舱且臂架降至作业角度为移舱时间。系统自动计算移舱时间，并通过HMI界面进行显示。

2.1.4 提前上料模式自动限量控制

提前上料过程中，为了降低提前上料中断停机堵斗程度，在PLC 程序中增加联锁。PLC 控制系统判断装船机悬皮启动输出信号是否为0，对取料机进行联锁控制。当装船机悬皮未启动时，PLC接收信号为0，控制流程上取料机流量自动限制小于4000 t/h；当装船机悬皮正常启动后，PLC 接收信号为1，此限制自动取消。

2.1.5 悬皮启动控制优化

为保证提前上料的连贯性，启动提前上料功能后，PLC 实时检测俯仰角度，增加俯仰角度控制悬皮启动的功能。当臂架角度小于10°时，PLC 自动控制悬皮启动。

2.1.6 尾车料流检测改造

在原料流检测基础上，增加尾车料流检测装置，把好料头到达装船机尾车的最后一道关，防止料流埋尾车漏斗或在尾车漏斗处大量撒漏。

2.1.7 增加尾车料流预报警

取料机开始提前上料，料头到达尾车时间按照T1开始倒计时。当T1≤60 s 时，PLC 检测到装船机悬皮启动信号为0，此时HMI 界面报警，提前上料界面闪烁；当25 s＜T1≤60 s 时，PLC检测到装船机悬皮启动信号为1，提前上料界面闪烁停止，故障复位可清除报警；当T1≤25 s 或尾车料流检测信号为1 时，PLC检测到装船机悬皮启动信号为0，提前上料流程停止，控制上流沿线设备停机（图1）。

图1 尾车料流预报警逻辑

2.2 控制流程

当手动移舱、初始对舱时，可以开始提前上料控制模式，在HMI 界面点击启动移舱或对舱按钮，输入目标泊位号、舱号，判断俯仰角度是否满足移舱高度，当满足移舱高度开始做行走时开始计算移舱、对舱时间。当T1＞T2+60 s 时，触发提前上料指令，取料机可以根据控制中心要求开始取料。判断装船机悬皮启动信号，限制取料机自动上料流量。同时，HMI 界面显示料头到达尾车剩余时间及移舱剩余时间。

自动装船时，可以直接通过GPS 直接获取数据，如装船机位置坐标、俯仰角度、对舱终点坐标，可以准确地计算出移舱时间，从而控制流程同手动模式。具体控制流程如图2 所示，其中T1为料头到达装船机尾车时间，T2为当前移舱或首次对舱所剩时间。

图2 控制流程

3 自动控制提前上料实践应用

通过对装船机自动控制提前上料的关键技术研究分析，在某港口的装船机进行应用，首先以一条改造流程线R8（R9）—SL6 为例进行概率测算，从上游R8 到装船机SL6完整流程为R8（R9）—BQ5—BC4—BM6—SL6（表1）。

表1 R8（R9）—SL6 流程

因BQ5 作业时R9 单上概率很小，以R8 作业（R8 单上或R8/9 配煤作业）为例进行测算。按概率统计原理，R8在作业时位置期望为BQ5 皮带1/2 长度处。按概率统计原理，SL6 位置期望为202 泊位与203 泊位中间位置。基于以上两个条件，R8 煤料路径长度为1282×0.5+276+1000=1916 m。

料头到达SL6 位置所需时间为1282×0.5÷5.3+276÷5.3+1000÷5.3≈352 s。

为了保证安全，预留60 s 提前量，同时考虑提前上料时限量4000 t/h（标准作业6000 t/h 的2/3），则每次提前上料可节约流程时间为（352-60）×2/3=195 s，按船舶为5 个舱，移舱加对舱需要11 次，则作业1 条船可节约作业时间0.6 h。

基于概率统计，SL6 运用提前上料技术，提前上料过程限量为4000 t/h，理论上可为期望泊位节约作业时间0.6 h。

4 结束语

装船机自动控制提前上料功能已在该港口装船机上实际应用，节约作业时间效果良好，该功能设计原理及流程控制安全可靠，PLC 编程易于实现，具有较高推广价值。