干散货码头全自动化作业流程

港口科技•智慧港口干散货码头全自动化作业流程

孙付春I,张学炜2

（1.烟台港集团有限公司，山东烟台264000；

2.中国交通信息中心有限公司，北京100088）

摘要：为提高干散货码头的作业智能化水平，对干散货码头卸船自动化、装船自动化、装

车自动化、码头生产管控数字化、流程全自动化等技术体系进行研究。基于作业流程全

自动化的思路，利用三维激光扫描技术、仿真处理技术、高精度定位技术、PLC控制技

术、计算机软件等，以作业流程的单设备自动化为抓手，结合3D数字化码头生产管控系

统，建立设备联锁控制模型，开发矿石码头作业流程全自动化控制系统，实现码头卸船、

水平运输、堆取料、装车、混配、装船等全过程的作业自动化和集中管控。研究成果将为

推动我国干散货码头的智能化、智慧化建设提供技术支撑和实践参考依据。

关键词：港口；干散货码头；激光扫描技术；自动抓料;数字化码头；自动化

0引言

当前，世界经济处于深度调整期，国内经济发展进入新常态，港口运输需求增速放缓，我国港口正处于新的发展阶段，面临新的发展形势。面对经济增长放缓的新常态以及社会对环保、安全等方面的新要求,诸多港口开始借助新技术实现转型，形成新的利益增长点和新的竞争优势。目前，我国港口的智能化主要集中在集装箱码头，干散货码头的智能化发展起步较晚，相关设备设施以及装卸储运水平还比较落后，相较国际先进水平存在效率低、能耗高、环保性差的缺点，因此,有必要加强干散货码头的自动化和智能化的研究和建设。

2019年1月170,习近平总书记视察天津港时强调：“经济要发展，国家要强大，交通特别是海运要首先强起来。要志在万里，努力打造世界一流的智慧港口、绿色港口。”这不仅是对天津港的要求，也是对全国港口的要求。针对矿石码头智能化水平较低的现状,本文研究码头装卸工艺流程，对卸船自动化、装船自动化、装车自动化、码头生产管控数字化、流程全自动化等技术体系进行研究，并将相应技术方法应用于实际进行验证，提高码头管理水平，推动干散货码头的智能化发展。

1国内研究现状

近年来，港口企业在智慧港口领域的研究应用逐渐转向干散货码头的自动化，在装卸工艺、关键技术等方面取得一些研究成果并成功应用。针对国内干散货码头堆场单机人工作业存在的生产效率不稳定、人员劳动强度大、工作环境恶劣、人员数量配置较多等问题，神华天津港煤码头在堆取料机自动化方面进行研究，实现堆场单机远程无人操控。在码头管控一体化领域，专业化干散货码头普遍通过将生产现场的工业控制网络、生产管理系统网络和通信网络等数据进行整合并统一处理，建立覆盖生产系统、管理系统、控制系统的一体化综合系统，实现信息共享。

此外，我国的干散货码头在无人化堆取料系统的研究应用方面取得一定的社会效益和经济效益，在减轻劳动强度、改善作业环境和减少司机人力成本方面取得一定效果，但在卸船机等全

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自动化技术方面尚处于探索阶段，关键技术仍受到抓斗控制、船舶安全、作业效率等因素制约。与此同时，基于干散货专业码头全作业流程自动化的研究和应用较少,制约干散货码头自动化功能的建设。

烟台港是中国沿海较大的化肥、铝矶土、石油接卸港和对非出口贸易口岸，是渤海湾南岸的矿石、散粮中转港以及石油化工品储运中转基地和北方重要的煤炭装船港，主要经营客运滚装物流、集装箱、管道运输、液化油品、散杂货等业务。2015年，响应国家“一带一路”倡议，烟台港集团有限公司与新加坡韦立国际集团、山东魏桥创业集团旗下的中国宏桥集团和几内亚UMS(United Mining Supply)组成3国4方的"赢联盟”，在几内亚博凯地区建设全新的铝土矿供应基地。几内亚博凯矿区2015年向中国宏桥集团输出铝土矿100万t,2016年达到1150万t, 2017年达到3150万t,博凯矿区已经成为全球第1大铝土矿开采和出口基地。

干散货是烟台港的支柱性货类，其中铁矿石和铝矶土是支柱中的重点。2018年，烟台港铝矶土吞吐量已超过1亿t。随着船舶大型化的发展，烟台港深水泊位较少的矛盾日益突出，部分泊位利用率已超80%,如何提高专业化矿石码头的装卸效率，如何保证船舶在泊位的高效、高质量、安全的装卸和企业运营管理，是烟台港迫切的需求。

2全自动控制技术

2.1总体架构

大型专业化矿石码头作业流程主要包括卸船流程、装船流程、装车流程等。

(1)卸船流程是指矿物从卸船机到堆场的过程。流程设备主要包括皮带机、移动漏斗、堆取料机、卸船机等；流程操作包括流程选择、取消选择、流程广播、流程启动、取消启动、流程停止、取消停止、流程紧停等。

(2)装船流程是指矿物从堆场输送到装船机的过程。流程设备主要包括皮带机、移动漏斗、提升导料槽、堆取料机、装船机等；流程操作包括流程选择、取消选择、流程广播、流程启动、取消启动、流程停止、取消停止、流程紧停等。

(3)装车流程是指矿物从堆场输送到装车机的过程。流程设备主要包括皮带机、移动漏斗、提升导料槽、堆取料机、装车机等;流程操作包括流程选择、取消选择、流程广播、流程启动、取消启动、流程停止、取消停止、流程紧停等。

在作业流程中利用三维激光扫描技术、仿真处理技术、高精度定位技术、PLC控制技术、计算机软件等，在实现抓斗式卸船机自动化卸料作业控制、装船机自动化装船作业控制、装车机自动化装车作业控制和数字化码头的基础上，按照装卸流程作业线建立设备连锁控制模型和矿石码头作业流程全自动化控制系统，对作业线流程进行整体管控，实现卸船流程、混配流程、装船流程和装车流程的全流程自动化作业，实现干散货码头全过程作业自动化和集中管控,提高码头管理水平。全自动控制总体技术架构见图lo

2.2关键技术

(1)三维激光扫描技术。对卸船、装船、装车过程中的料堆情况进行实时扫描，形成三维料堆模型并展现在操作界面。将激光扫描仪所采集的一系列料堆、舱口等表面数据进行整合、计算，通过专业计算公式将这些数据转化为直观的料堆三维图像，并提取自动卸船、装船、装车自动化所需的控制数据。

(2)GPS定位技术。在卸船机自动化控制系统中，利用GPS技术精准定位抓取位置，提高卸船效率。在装船机自动化控制系统中，利用GPS 技术精确判断悬臂俯仰、悬臂伸缩、悬臂回转、大车行走等起始位置信息，提高装船安全性。在装车机控制系统中，利用GPS技术提升装车机的定位精度。

(3)仿真处理技术。在3D数字化干散货码头生产管控中，利用仿真技术对作业过程中的设备动态进行仿真，对码头辅助设施进行还原，构建界面化的三维仿真图像。对仿真数据进行处理，实现对堆取料机及料堆作业动态的实时监控。

(4)智能计算技术。基于三维扫描、GPS定位、仿真等技术采集到的数据，通过数据处理，自动计算卸船、装船、装车等作业过程中的最佳作业位置和作业点。

(5)PLC控制技术。利用计算机主控软件模块，实现激光扫描系统与人机操作界面软件之间

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