浅析“智慧港口”背景下散货堆场的自动堆取料系统

浅析“智慧港口”背景下散货堆场的自动堆取料系统
堆装队高玉军
随着自动化控制和通讯技术的不断发展，各个行业的自动化程度也越来越高，运输物流业激烈的市场竞争要求企业本身不断提高自身的综合竞争力，一方面是通过企业流程再造规范化管理，另一方面就是改变传统工艺模式，提高自动化的程度，降低人力劳动成本，提高企业的效率与效益。

集团在“智慧港口”建设发展规划中的“智能化干散货码头建设板块”中，实现干散货码头设备的运行自动化是关键一环。

下面分三部分浅要分析自动化堆取料系统的初步构建设想。

一、与国内外发展情况对比的现状分析
斗轮堆取料机是一种新型的高效、连续装卸机械，国内生产的堆取料机的控制方式主要还是在手动及半自动化控制阶段，主要是基于PLC的单机控制工作，主要的控制需要操作人员手动操作来完成，青岛港董家口10500/6000t/h型斗轮堆取料机是由青岛港机公司研究制造，操作模式也仅是靠人工对斗轮堆取料机进行准备、操作、监视等来完成矿石的堆料、取料任务。

同发达国家相比，存在一定差距。

国内外已有全自动控制系统的散料运转设备的应用案例与系统的解决方案。

国外案例：2007年在鹿特丹码头使用了6台全自动控制的堆取料机，对于码头管理人员只需要输入散料的进出信息，所有工作将由控制系统高可靠的顺利完成。

2011年汉堡港中的煤炭、铁矿石的卸船作业中，借助德国iSAM公司中的抓斗卸船机自动化系统，用三维激光扫描仪识别船只、舱口、散料，率先实现世界上首个散料卸船作业的全自动化操作。

德国LASE公司提供基于三维扫描仪加LASE CEWS应用软件的料堆测量系统解决方案，其测量速度快，可知15分钟内完成一个大型散货堆、煤堆（100米）的测量，测量精度高，系统相对误差＜0.3%。

国内案例：国内近十年来也有不少关于堆取料机单机自动化、全自动散货堆场堆取工艺方法的发明专利、科研论文等，但是真正应用到实际生产中的寥寥无几。

其中2007年上海罗泾港区在ABB本土定制的自动化解决方案下，通过在卸船机上安装ABB三维激光扫描仪，自动完成物料从卸船、堆取和装船，实现了物料自动散货码头，目前应用情况不详。

2015年由振华港机总包建造的日照岚桥30万吨级矿石码头的堆料机、取料机也初步实现了自动化作业的调试工作。

董家口港区拥有世界上最大的矿石接卸码头，保持着矿石接卸效率的世界纪录，随着“智慧港口”建设的深入以及大船时代的到来，我们要继续走在港口发展的前列，就必须认清未来发展趋势，提前开发改造，通过信息化升级，尽早实现散杂货堆场的自动堆取作业。

二、散货堆场自动堆取料系统的解决方案
2.1 散货堆场自动堆取料系统实现的具体步骤如下：
第一步，首先将现有的信息建立数据库，包括堆场编号及坐标、堆场物料的电子数据地图、堆取料机设备参数、作业货种情况、堆料策略和取料策略，堆料或取料皮带秤信息等。

第二步，将包含作业货种、计划作业量的相关作业内容送入中控处理单元，中控处理单元根据存储在数据库中的堆料策略和取料策略生成作业指令，并自动选择作业流程。

第三步，由中控PLC 经工业网络将指令传递给对应本地堆取料机PLC，并进行数据交换，自动启动作业流程。

第四步，堆取料机通过料堆激光扫描装置对料场状况进行实时扫描，将料堆信息经工业网络传输至中控处理单元PLC 及单机自动化控制PLC，单机自动化控制PLC可以根据生产信息、堆场扫描信息形成控制堆取料机动作的指令，从而通过回转动作、俯仰俯仰、行走动作完成本地作业控制；同时，堆取料机还装有工业视频监控装置和各类传感设备，采集堆取料机各机构状态和故障信息，将信息送入远程中控处理单元。

第五步，中控处理单元对各堆取料机传回的堆型扫描数据的处理，生成整个堆场的电子图形数据、对全堆场堆取作业进行优化计算及堆场作业的过程监控；
第六步，中控处理单元接收各堆取料机主要状态、故障信息，并发出过程控制指令控制各堆取料机和发出相关警示；同时堆取料机也能共享中控的全堆场信息。

第七步，中控室设置的模拟控制台，通过视频监控、人机界面、操作手柄等手段远程控制堆取料机，应用在堆取料机特殊情况下的必要干预。

第八步，生产作业完毕后，堆取料机能按照既定指令就位锚固，新的堆场电子地图信息更新完毕，归入数据库。

2.2 应用实践中的关键技术问题
一个是电子数据地图的建立。

目前振华在岚桥安装使用的轮廓扫描系统中，使用了两台2D扫描仪，一台3D扫描仪，扫描的数据与生产信息通过一台B&R PLC 进行数据运算产生的作业指令与大机主PLC通讯，由大机主PLC控制现场设备进行自动化的作业，振华港机的电子地图存在着数据误差较大（X/Y系统≤30cm，高度≤20cm），数据不全面（料堆背面无法扫描，是通过安息角进行的数据拟合）等问题。

解决方案：FLSmidth 公司LiDAR系统的专用激光扫描仪提供了广泛的视角，垂直角度达95°，水平角度为360°，扫描范围至少为150m-400m，结合已安装的扫描仪，能够提供几乎完整的堆场存货概观图，此3D激光扫描仪安装在设备顶端上，还有一个实时的相位差GPS 接收器（RTK-GPS）。

RTK-GPS 系统会提供三维的设备位置信息，精度为2-4 cm。

激光扫描仪可以为500x 1500 米左右的堆场提供分辨率为10 x 10 cm 的全地形模型。

另外，可以通过上述第六步讲到的数据共享，单台堆取料机扫描信息与相邻堆取料机扫描信息进行融合，从而使电子地图数据更精确。

二是堆取料机的作业位置定位问题。

仅靠安装在悬臂俯仰机构、回转机构、行走机构上的绝对值编码器进行定位的方法受现场机械振动、粉尘等环境因素影响较大，时间长了容易产生累积误差和数据突变，从而造成对堆取料机行走、回转及俯仰定位的失准，进而影响激光扫描数据的处理和三维坐标的计算。

解决方案：安装双编码器确保数据精准、避免误差；或者是编码器与高精度GPS定位系统结合的方法；再就是规划标准堆场，每个标准堆场建立自己的标准坐标，堆取料机进入堆场作业会自动校正自己的位置坐标。

三是自动化作业的工艺如何实现“人工智能”。

自动化的机器也很难达到像人脑一样的思维，智能借助编译好的程序执行动作。

堆料作业相对简单，激光扫描装置检测到堆料高度达到设定堆积的高度时，利用已置于数据库内的自动堆料程序计算出各机构下一步的动作方向即可，堆料完成，自动堆料作业，激光扫描装置实时记录料堆堆型的变化，并保存于远程数据库；取料作业相对复杂，要控制取料流量的恒定，要根据不同货种比重确定斗轮切入物料的距离，以及旋转的速度，旋转速度的控制可以接入斗轮电流反馈值，通过电流大小判定取料料流的大小，自动改变旋转速度。

另外，要实现堆取料机单机的自动化，除了激光扫描系统外，还要进行一系列软硬件的改造：硬件包括1）把上电气室通断总电源断路器的接线接入PLC，利用PLC输出控制总断路器通断；2）安装滚筒轴承测温、电机测温、皮带断带检测、滚筒检测、减速机振动、电机振动等传感器，报警信号可直接传递到控制室；3）增加现场的监控，要全面无任何死角（包括电气室、落料点、臂架头部堆料，取料、驱动部位等），保障设备的安全，并且在司机室玻璃窗位置安装摄像头，司机在远程操作台可以模拟观察现场情景；4）大机各机构的运行需要编码器采用双编码器以及与高精度GPS定位技术结合；5）大机旋转锚固器、行走锚固器、防风拉索改为电动，能自动锚定与解锚定，自动纠偏装置，漏斗防堵装置；6）在中控室建立模拟操作平台。

软件包括：单机的堆场、物料的三维数据采集程序及计算程序；远程计算机数据后台处理程序；远程操作控制程序及上位机组态程序等。

三、自动堆取料系统的应用前景与预期效益
散货装卸流程的效率高低，是直接制约港口装船疏港效率的主要环节，自动堆取料系统的研究与应用，就是针对堆取料机现有的作业模式和工艺进行研究，通过硬件的升级改造，软件的合理优化和二次开发，借助先进的设备和技术手段以实现散货堆场的堆取料自动化，来提高作业效率，并兼顾人力成本的节省。

系统应用后将会带来以下效益：
3.1改善劳动环境和降低劳动强度，以人为本始终是青岛港的管理理念，将一线工人摆脱脏、累、苦、险的作业环境，从而保障了人身安全，杜绝人员伤亡是最大的收益；
3.2减少人为因素的影响和人力投入，对于操作司机工作状态、技术水平的不可控性，人力成本的不断提高，采用自动化的堆取料系统可以减少人为影响，大大削减人力资源成本；
3.3，自动化的堆取料系统具有可控性，标准化、智能化，能够提高堆、取料机的自动化作业程度并稳定生产运行；
3.4自动化的堆取料系统，是与智能生产调度系统结合、与设备智能运维系统结合、与人力资源管理结合的，能够提高码头整体智能化作业管理水平；
3.5保持行业技术先进性，随着大船时代的到来，建立先进的散货自动堆取
料系统，不断创造新的效率掌握发展的主动权。

参考资料：
专利号：200610028966.1《散货料场无人化堆取工艺》，胡玉良
专利号：201510176091.9《一种用于散货堆场的自动堆取料系统》，赵湘前专利号：201010237137.0《全自动散货堆场堆取方法》，王智
论文：《矿石堆取料机的自动堆取作业研究和应用》，张子才，2008
论文：《斗轮堆取料机单机全自动化系统的研究与设计》，雷斌，2013
《关于FLSmidth 的自动化解决方案》。