淺析“智慧港口”背景下散貨堆場(chǎng)的自動(dòng)堆取料系統(tǒng)

淺析“智慧港口”背景下散貨堆場(chǎng)的自動(dòng)堆取料系統(tǒng)堆裝隊(duì)高玉軍隨著自動(dòng)化控制和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，運(yùn)輸物流業(yè)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求企業(yè)本身不斷提高自身的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，一方面是通過(guò)企業(yè)流程再造規(guī)范化管理，另一方面就是改變傳統(tǒng)工藝模式，提高自動(dòng)化的程度，降低人力勞動(dòng)成本，提高企業(yè)的效率與效益。集團(tuán)在“智慧港口”建設(shè)發(fā)展規(guī)劃中的“智能化干散貨碼頭建設(shè)板塊”中，實(shí)現(xiàn)干散貨碼頭設(shè)備的運(yùn)行自動(dòng)化是關(guān)鍵一環(huán)。下面分三部分淺要分析自動(dòng)化堆取料系統(tǒng)的初步構(gòu)建設(shè)想。一、與國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況對(duì)比的現(xiàn)狀分析斗輪堆取料機(jī)是一種新型的高效、連續(xù)裝卸機(jī)械，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的堆取料機(jī)的控制方式主要還是在手動(dòng)及半自動(dòng)化控制階段，主要是基于PLC的單機(jī)控制工作，主要的控制需要操作人員手動(dòng)操作來(lái)完成，青島港董家口10500/6000t/h型斗輪堆取料機(jī)是由青島港機(jī)公司研究制造，操作模式也僅是靠人工對(duì)斗輪堆取料機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)備、操作、監(jiān)視等來(lái)完成礦石的堆料、取料任務(wù)。同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在一定差距。國(guó)內(nèi)外已有全自動(dòng)控制系統(tǒng)的散料運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的應(yīng)用案例與系統(tǒng)的解決方案。國(guó)外案例：2007年在鹿特丹碼頭使用了6臺(tái)全自動(dòng)控制的堆取料機(jī)，對(duì)于碼頭管理人員只需要輸入散料的進(jìn)出信息，所有工作將由控制系統(tǒng)高可靠的順利完成。2011年漢堡港中的煤炭、鐵礦石的卸船作業(yè)中，借助德國(guó)iSAM公司中的抓斗卸船機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，用三維激光掃描儀識(shí)別船只、艙口、散料，率先實(shí)現(xiàn)世界上首個(gè)散料卸船作業(yè)的全自動(dòng)化操作。德國(guó)LASE公司提供基于三維掃描儀加LASECEWS應(yīng)用軟件的料堆測(cè)量系統(tǒng)解決方案，其測(cè)量速度快，可知15分鐘內(nèi)完成一個(gè)大型散貨堆、煤堆（100米）的測(cè)量，測(cè)量精度高，系統(tǒng)相對(duì)誤差＜0.3%。國(guó)內(nèi)案例：國(guó)內(nèi)近十年來(lái)也有不少關(guān)于堆取料機(jī)單機(jī)自動(dòng)化、全自動(dòng)散貨堆場(chǎng)堆取工藝方法的發(fā)明專利、科研論文等，但是真正應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的寥寥無(wú)幾。其中2007年上海羅涇港區(qū)在ABB本土定制的自動(dòng)化解決方案下，通過(guò)在卸船機(jī)上安裝ABB三維激光掃描儀，自動(dòng)完成物料從卸船、堆取和裝船，實(shí)現(xiàn)了物料自動(dòng)散貨碼頭，目前應(yīng)用情況不詳。2015年由振華港機(jī)總包建造的日照嵐橋30萬(wàn)噸級(jí)礦石碼頭的堆料機(jī)、取料機(jī)也初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)的調(diào)試工作。董家口港區(qū)擁有世界上最大的礦石接卸碼頭，保持著礦石接卸效率的世界紀(jì)錄，隨著“智慧港口”建設(shè)的深入以及大船時(shí)代的到來(lái)，我們要繼續(xù)走在港口發(fā)展的前列，就必須認(rèn)清未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提前開(kāi)發(fā)改造，通過(guò)信息化升級(jí)，盡早實(shí)現(xiàn)散雜貨堆場(chǎng)的自動(dòng)堆取作業(yè)。二、散貨堆場(chǎng)自動(dòng)堆取料系統(tǒng)的解決方案2.1散貨堆場(chǎng)自動(dòng)堆取料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：第一步，首先將現(xiàn)有的信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)，包括堆場(chǎng)編號(hào)及坐標(biāo)、堆場(chǎng)物料的電子數(shù)據(jù)地圖、堆取料機(jī)設(shè)備參數(shù)、作業(yè)貨種情況、堆料策略和取料策略，堆料或取料皮帶秤信息等。第二步，將包含作業(yè)貨種、計(jì)劃作業(yè)量的相關(guān)作業(yè)內(nèi)容送入中控處理單元，中控處理單元根據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的堆料策略和取料策略生成作業(yè)指令，并自動(dòng)選擇作業(yè)流程。第三步，由中控PLC經(jīng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將指令傳遞給對(duì)應(yīng)本地堆取料機(jī)PLC，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，自動(dòng)啟動(dòng)作業(yè)流程。第四步，堆取料機(jī)通過(guò)料堆激光掃描裝置對(duì)料場(chǎng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，將料堆信息經(jīng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸至中控處理單元PLC及單機(jī)自動(dòng)化控制PLC，單機(jī)自動(dòng)化控制PLC可以根據(jù)生產(chǎn)信息、堆場(chǎng)掃描信息形成控制堆取料機(jī)動(dòng)作的指令，從而通過(guò)回轉(zhuǎn)動(dòng)作、俯仰俯仰、行走動(dòng)作完成本地作業(yè)控制；同時(shí)，堆取料機(jī)還裝有工業(yè)視頻監(jiān)控裝置和各類傳感設(shè)備，采集堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)狀態(tài)和故障信息，將信息送入遠(yuǎn)程中控處理單元。第五步，中控處理單元對(duì)各堆取料機(jī)傳回的堆型掃描數(shù)據(jù)的處理，生成整個(gè)堆場(chǎng)的電子圖形數(shù)據(jù)、對(duì)全堆場(chǎng)堆取作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算及堆場(chǎng)作業(yè)的過(guò)程監(jiān)控；第六步，中控處理單元接收各堆取料機(jī)主要狀態(tài)、故障信息，并發(fā)出過(guò)程控制指令控制各堆取料機(jī)和發(fā)出相關(guān)警示；同時(shí)堆取料機(jī)也能共享中控的全堆場(chǎng)信息。第七步，中控室設(shè)置的模擬控制臺(tái)，通過(guò)視頻監(jiān)控、人機(jī)界面、操作手柄等手段遠(yuǎn)程控制堆取料機(jī)，應(yīng)用在堆取料機(jī)特殊情況下的必要干預(yù)。第八步，生產(chǎn)作業(yè)完畢后，堆取料機(jī)能按照既定指令就位錨固，新的堆場(chǎng)電子地圖信息更新完畢，歸入數(shù)據(jù)庫(kù)。2.2應(yīng)用實(shí)踐中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題一個(gè)是電子數(shù)據(jù)地圖的建立。目前振華在嵐橋安裝使用的輪廓掃描系統(tǒng)中，使用了兩臺(tái)2D掃描儀，一臺(tái)3D掃描儀，掃描的數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息通過(guò)一臺(tái)B&RPLC進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算產(chǎn)生的作業(yè)指令與大機(jī)主PLC通訊，由大機(jī)主PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的作業(yè)，振華港機(jī)的電子地圖存在著數(shù)據(jù)誤差較大（X/Y系統(tǒng)≤30cm，高度≤20cm），數(shù)據(jù)不全面（料堆背面無(wú)法掃描，是通過(guò)安息角進(jìn)行的數(shù)據(jù)擬合）等問(wèn)題。解決方案：FLSmidth公司LiDAR系統(tǒng)的專用激光掃描儀提供了廣泛的視角，垂直角度達(dá)95°，水平角度為360°，掃描范圍至少為150m-400m，結(jié)合已安裝的掃描儀，能夠提供幾乎完整的堆場(chǎng)存貨概觀圖，此3D激光掃描儀安裝在設(shè)備頂端上，還有一個(gè)實(shí)時(shí)的相位差GPS接收器（RTK-GPS）。RTK-GPS系統(tǒng)會(huì)提供三維的設(shè)備位置信息，精度為2-4cm。激光掃描儀可以為500x1500米左右的堆場(chǎng)提供分辨率為10x10cm的全地形模型。另外，可以通過(guò)上述第六步講到的數(shù)據(jù)共享，單臺(tái)堆取料機(jī)掃描信息與相鄰堆取料機(jī)掃描信息進(jìn)行融合，從而使電子地圖數(shù)據(jù)更精確。二是堆取料機(jī)的作業(yè)位置定位問(wèn)題。僅靠安裝在懸臂俯仰機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)上的絕對(duì)值編碼器進(jìn)行定位的方法受現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)、粉塵等環(huán)境因素影響較大，時(shí)間長(zhǎng)了容易產(chǎn)生累積誤差和數(shù)據(jù)突變，從而造成對(duì)堆取料機(jī)行走、回轉(zhuǎn)及俯仰定位的失準(zhǔn)，進(jìn)而影響激光掃描數(shù)據(jù)的處理和三維坐標(biāo)的計(jì)算。解決方案：安裝雙編碼器確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、避免誤差；或者是編碼器與高精度GPS定位系統(tǒng)結(jié)合的方法；再就是規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)堆場(chǎng)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)堆場(chǎng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，堆取料機(jī)進(jìn)入堆場(chǎng)作業(yè)會(huì)自動(dòng)校正自己的位置坐標(biāo)。三是自動(dòng)化作業(yè)的工藝如何實(shí)現(xiàn)“人工智能”。自動(dòng)化的機(jī)器也很難達(dá)到像人腦一樣的思維，智能借助編譯好的程序執(zhí)行動(dòng)作。堆料作業(yè)相對(duì)簡(jiǎn)單，激光掃描裝置檢測(cè)到堆料高度達(dá)到設(shè)定堆積的高度時(shí)，利用已置于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的自動(dòng)堆料程序計(jì)算出各機(jī)構(gòu)下一步的動(dòng)作方向即可，堆料完成，自動(dòng)堆料作業(yè)，激光掃描裝置實(shí)時(shí)記錄料堆堆型的變化，并保存于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)；取料作業(yè)相對(duì)復(fù)雜，要控制取料流量的恒定，要根據(jù)不同貨種比重確定斗輪切入物料的距離，以及旋轉(zhuǎn)的速度，旋轉(zhuǎn)速度的控制可以接入斗輪電流反饋值，通過(guò)電流大小判定取料料流的大小，自動(dòng)改變旋轉(zhuǎn)速度。另外，要實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)單機(jī)的自動(dòng)化，除了激光掃描系統(tǒng)外，還要進(jìn)行一系列軟硬件的改造：硬件包括1）把上電氣室通斷總電源斷路器的接線接入PLC，利用PLC輸出控制總斷路器通斷；2）安裝滾筒軸承測(cè)溫、電機(jī)測(cè)溫、皮帶斷帶檢測(cè)、滾筒檢測(cè)、減速機(jī)振動(dòng)、電機(jī)振動(dòng)等傳感器，報(bào)警信號(hào)可直接傳遞到控制室；3）增加現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，要全面無(wú)任何死角（包括電氣室、落料點(diǎn)、臂架頭部堆料，取料、驅(qū)動(dòng)部位等），保障設(shè)備的安全，并且在司機(jī)室玻璃窗位置安裝攝像頭，司機(jī)在遠(yuǎn)程操作臺(tái)可以模擬觀察現(xiàn)場(chǎng)情景；4）大機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行需要編碼器采用雙編碼器以及與高精度GPS定位技術(shù)結(jié)合；5）大機(jī)旋轉(zhuǎn)錨固器、行走錨固器、防風(fēng)拉索改為電動(dòng)，能自動(dòng)錨定與解錨定，自動(dòng)糾偏裝置，漏斗防堵裝置；6）在中控室建立模擬操作平臺(tái)。軟件包括：?jiǎn)螜C(jī)的堆場(chǎng)、物料的三維數(shù)據(jù)采集程序及計(jì)算程序；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)后臺(tái)處理程序；遠(yuǎn)程操作控制程序及上位機(jī)組態(tài)程序等。三、自動(dòng)堆取料系統(tǒng)的應(yīng)用前景與預(yù)期效益散貨裝卸流程的效率高低，是直接制約港口裝船疏港效率的主要環(huán)節(jié)，自動(dòng)堆取料系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，就是針對(duì)堆取料機(jī)現(xiàn)有的作業(yè)模式和工藝進(jìn)行研究，通過(guò)硬件的升級(jí)改造，軟件的合理優(yōu)化和二次開(kāi)發(fā)，借助先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)手段以實(shí)現(xiàn)散貨堆場(chǎng)的堆取料自動(dòng)化，來(lái)提高作業(yè)效率，并兼顧人力成本的節(jié)省。系統(tǒng)應(yīng)用后將會(huì)帶來(lái)以下效益：3.1改善勞動(dòng)環(huán)境和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，以人為本始終是青島港的管理理念，將一線工人擺脫臟、累、苦、險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境，從而保障了人身安全，杜絕人員傷亡是最大的收益；3.2減少人為因素的影響和人力投入，對(duì)于操作司機(jī)工作狀態(tài)、技術(shù)水平的不可控性，人力成本的不斷提高，采用自動(dòng)化的堆取料系統(tǒng)可以減少人為影響，大大削減人力資源成本；3.3，自動(dòng)化的堆取料系統(tǒng)具有可控性，標(biāo)準(zhǔn)化、智能化，能夠提高堆、取料機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)程度并穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行；3.4自動(dòng)化的堆取料系統(tǒng)，是與智能生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合、與設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)合、與人力資源管理結(jié)合的，能夠提高碼頭整體智能化作業(yè)管理水平；3.5保持行業(yè)技術(shù)先進(jìn)性，隨著大船時(shí)代的到來(lái)，建立先進(jìn)的散貨自動(dòng)堆取料系統(tǒng)，不斷創(chuàng)造新的效率掌握發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。參考資料：專利號(hào)：2