煤炭港口皮帶機料流追蹤系統設計

姜來福

(神華黃驊港務公司，河北 滄州 061113)

神華黃驊港煤炭堆場分布著許多皮帶機和轉接機房，承擔煤炭堆料、取料和裝船輸送作業的重任。在生產過程中，由于缺乏必要的檢測手段，難以精確地把握輸送帶上物料的位置。在散料港口行業把創新重點放在堆場單機和裝船機自動化技術開發時，關于皮帶機料流特性及其與其他作業環節制約關系研究的較少。目前行業多應用振動傳感器、加速度振動傳感器、超聲料流檢測儀、變頻器控制等方式來檢測和判斷料流[1-2]，但無論是檢測設備的穩定性、皮帶高速運行時的檢測精度都無法達到對料頭料尾和煤量較少時的檢測需求。相關文獻僅對料流的檢測手段進行研究，未對整條皮帶線煤流在不同情況下的動態分布情況、料頭料尾的判定跟蹤、料流檢測錯誤信號的優化、皮帶速度和物料傳送規律、皮帶機料流傳輸控制、皮帶機的實時載煤量以及在指導取裝作業、清潔生產中的應用等方面進行深入研究。

在裝船作業第一次上料及換倉過程中，難以掌控取料機開始取料的時間，從安全角度出發，需要在裝船機完全對接好艙后才可開始上料，具體流程如圖1所示。這樣的啟動順序往往會造成在上料前的一段時間下游皮帶處于空載運轉狀態，并且裝船機皮帶啟動的時間越早，空轉的時間就越長，當流程啟動次數較多時，就造成了生產效率的損失[3]。在裝船作業最后一個流程中，裝船機操作員只能通過攝像頭或白天的視野來判斷裝船機后方最后一段煤的行走軌跡和斷流情況，但在夜晚視野不好以及遠程操控作業過程中無法做出精確判斷；解決的方法是靠經驗測算出取料機停取后，煤炭經過皮帶運輸到裝船機的大致時間，通過倒計時來指導停止懸皮和移倉動作，在效率和安全性上都有很大的缺陷。皮帶的速度是一個變化值，取料機到裝船機的距離也隨著不同煤種和場次有所不同，給倒計時時間的測算帶來不確定性。

注：BM為與裝船機對接的皮帶機類別；BC為中轉的皮帶機類別；BQ為取料的皮帶機類別。

圖1取裝線工藝流程

因此，本文對黃驊港二期裝船線進行系統構建，針對行業內存在的問題并結合黃驊港的實踐需求，對料流追蹤系統各關鍵技術進行探索，既可指導煤炭港口實現皮帶機流程的優化控制，也為料流追蹤技術在智慧港口建設領域的應用提供技術支持。

1 料流追蹤系統設計

1.1 總體框架

根據現場皮帶機的運行特點，為實現節能增效目標，以黃驊港二期8條皮帶機為基礎，建立一套料流追蹤系統，其技術框架如圖2所示。在皮帶機的轉接塔設置遠程站，負責采集現場的皮帶機速度和料流檢測信號。為獲取皮帶機的運轉速度和準確地對料頭通過的時間進行判定，在增加現場采集設備的同時，定制化開發適應于現場實際需求的時間估計算法，將料流信息實時動態地顯示在遠程操控人員的人機界面上。該系統能為流程的啟停、上料提供準確的預估時間參考。并結合升級后的裝船機定位系統，能較準確地計算出料流到達裝船機的時間，能在裝船機沒有準備就緒的情況下，及時停止各流程皮帶機上料。與中控系統建立接口，根據流程命令，綜合考慮流程兩端設備狀態，在最大化縮短流程空轉時間的基礎上，合理安排流程中各環節啟停時間及順序，在檢測料流到達的同時，能夠有序停止流程設備。設計了能夠在中控流程和裝船機操作界面上動態顯示的人機界面(human machine interface,HMI)，為生產人員提供流程倒計時和載煤質量等信息，并在系統發生故障時能夠進行報警提示。

圖2 料流追蹤系統總體框架

1.2 系統設計

黃驊港堆場主要包括儲煤堆場、斗輪取料機、堆場地面皮帶機、轉接機房、轉接皮帶機、裝船線皮帶機、裝船機等[4]。料流追蹤硬件系統主要包括：皮帶機測速傳感器、料流檢測傳感器、上位機、料流PLC(可編程邏輯控制器)主站、PLC遠程站、PLC通訊模塊、位置檢測模塊、光纖、交換機、皮帶秤、取料機PLC、中控PLC等，其主要硬件組成如圖3所示。

圖3 料流追蹤系統主要硬件組成

根據皮帶線設備結構特點，分別在 BQ3、BQ4、BQ5、BC3、BC4、BM4、BM5、BM6選取合適的位置安裝皮帶機速度檢測開關和料流檢測開關，遠程站與PLC 站通過以太網連接；在每臺裝船機的尾車附近安裝料流檢測開關，對料流進行校準，保證檢測可靠，單元布置工藝如圖4所示。

注：SL4、SL5、SL6為裝船機編號。圖4 傳感器位置及現場皮帶尺寸(單位： m)

2 皮帶機帶速檢測系統設計

長皮帶測速系統是料流定位系統的重要組成部分，也是皮帶保護的重要信號，它時刻監控皮帶的運行情況，一旦皮帶出現打滑、斷裂，通過程序控制停止皮帶運行，最大限度地保護皮帶，減少維修時間。對皮帶機速度進行精準檢測的同時，開發了相關算法，消除因皮帶啟停導致的皮帶打滑引起的速度差異，準確計算出料頭在皮帶機上移動的距離。

為快速檢測到皮帶輸送的速度，并給控制系統提供準確的信息，順利地完成設備的安裝調試，皮帶機帶速檢測系統采取M法測量方案：在皮帶從動輪安裝信號檢測裝置，根據接近開關單位時間內讀取的皮帶從動滾筒轉動的脈沖信號計算出皮帶的線速度，從而實現為控制系統提供精確的數據。

M法是指在固定時間內測量輸出脈沖的數量，該法適于高速皮帶測量。對于每轉有P個脈沖的轉速，在固定時間TC內計數值為m1，則轉速為：

(1)

相對誤差為：

(2)

通過接近開關檢測出滾筒的每分鐘轉速為n，滾筒的直徑為d，則皮帶機的速度為：

v=ndπ60

(3)

3 皮帶機料流檢測系統設計

料流檢測系統要既能檢測到皮帶機上是否有料流，又能根據檢測到料流的時間進行料流定位分析，還能對通過各轉接塔的通過時間進行預估。為對料流進行準確檢測，需要根據皮帶的特點，選取合適的位置安裝超聲波傳感器作為料流檢測開關。

超聲波傳感器動作信號是開關量信號，需要確保在PLC系統采集的開關量信號的可靠性。在采樣瞬間，輸入信號一旦出現就將其讀入輸入鎖存器供程序使用，干擾信號也有被采用的可能，故必須對這類信號進行必要的處理。

本文提出一種用軟件實現開關量信號濾波的方法：當某一信號出現時將其記錄，經合理的時間延遲后，再次對該信號進行核對，如果該信號仍然存在，則確認信號為真，否則認定為假信號，這樣就避免了毛刺信號，從而實現開關量輸入信號的濾波。系統采用延遲接通定時器的編程方法，如圖5所示。

圖5 開關量定時器濾波

輸入開關量為R_101I.2，進行500 ms判斷，接通500 ms后認為是料流信號，此定時器信號作為下一步4 s延遲定時器輸入，當該輸入信號出現在定時器輸入端時，定時器不輸出，延遲設定的時間后，如果輸入信號仍然存在，則定時器輸出，否則定時器沒有輸出，可實現對信號的濾波，且濾波的寬度通過定時器的時間參數可以方便設定。用MSG指令從中控PLC讀取皮帶運行信號與料流PLC的皮帶啟動計時信號、測速開關信號一起來判斷皮帶是否運行，最后加入料流檢測信號對皮帶運行狀態及料流情況做出初步判斷。

4 料流定位系統設計

在對現場速度檢測開關及料流檢測開關，及PLC時間數據軸進行綜合分析基礎上，給出料流定位流程如圖6所示。

圖6 料流定位流程

經過料流檢測的初步判斷后，在料流追蹤定位過程中，需要將料流信息保存在PLC數組中。系統采取料流、帶速檢測采樣信號同步處理的方式保存料流定位信息。具體方案為：利用測速開關的脈沖信號進行有料測速計數操作，如圖7中計數器Counter_Vel[8]，設定測速開關計數器預置值為N1，滾筒直徑為d，當N1個點計數完成時，皮帶運行距離約為N1πd。同時料流判定加入初次判定信號及濾波信號，在此基礎上進行料流開關計數操作，如圖7中計數器Counter_Flow[10]，設定預置值為N2，當計數器Counter_Vel[8]的計數值達到N1時，則讀取Counter_Flow[10]的計數值為N3，如果N3>N22，則判定該料流信號為真，將該數據保存在數組中。根據皮帶線長度及每個數據對應皮帶長度計算所需數組長度，根據料流檢測系統判定料流的位置信息，將數組中料流按照皮帶運行的速度及周期進行移位，同時上位人機界面實時讀取數組中信息并顯示，以此實現料流實時位置跟蹤。

圖7 料流定位部分算法

5 料流傳輸時間估算

該系統料流傳輸時間計算分為料流從取料機到轉接塔傳輸時間和料流從轉接塔到裝船機傳輸時間兩部分。

開始取料時根據懸皮和斗輪運行信號判斷料頭，以取料機皮帶秤的數值計算開始上料的時間，采集取料機懸皮的實時速度，根據現場安裝的BQ皮帶的測速開關可得地面皮帶的速度；在到達BQ皮帶的料流檢測開關之前，對料流的顯示按照建立的數學模型如圖8所示，計算料頭的移動距離；當經過BQ皮帶的料流開關時，對料流的移動距離進行校準，并且判斷下一級皮帶是否已經運行，若下一級皮帶已經運行，則以當前料流開關校準的時間為起始時間，估計下一級皮帶開始出現料流的時間及顯示相應的位置；若下一級皮帶沒有運行，則按照流程工藝停機。

圖8 料流傳輸時間計算模型

經過轉接塔后料流在BM皮帶上向裝船機開始輸送，根據上一級皮帶運行狀態及料流開關信號判斷料頭，經過BM料流開關開始計時，由現場獲知地面皮帶的速度，根據現場安裝的BM皮帶的測速開關可得地面皮帶的速度；根據單機定位系統獲取裝船機位置信息，在到達裝船機之前，按照建立的數學模型，計算料頭的移動距離；分別判斷及計算各流程皮帶上料流的料頭到達時間及料尾到達時間，從而為各流程皮帶的控制提供時間上的依據。

6 裝船線皮帶機載煤量實時檢測系統

裝船機遠程操作需要裝船操作員和裝船指導員實時掌握皮帶線特別是BM皮帶上煤流的信息，為裝船機操作員及時啟停裝船機懸皮，防止因過早停懸皮造成漏斗堵料，或移倉不及時造成灑漏煤等事故的發生。

本文提出一種載煤量實時檢測方法，能實時精確地獲取BM線皮帶上的載煤質量，并把相關信息傳輸到裝船機和集控室界面，為裝船作業提供實時信息參考，載煤量實時監測系統硬件架構和BM線位置分布如圖9、10所示。

圖9 載煤量實時監測系統硬件架構

圖10 BM線位置分布

該方法的具體實現步驟為：

1) BM線皮帶秤為精度不小于3‰的陣列式皮帶秤，把獲取的皮帶輸煤瞬時量傳入中控PLC。

2)中控PLC與料流PLC之間用以太網模塊進行通訊，料流PLC通過MSG指令從中控PLC獲取BM皮帶秤的瞬時量、BM皮帶啟停等數據。

3)裝船機回轉中心到BM皮帶秤之間的距離為L，包含固定距離和變化距離兩部分之和。其中固定BM皮帶秤與碼頭西側起始點的距離為L2，當前裝船機回轉中心距碼頭西側起始點的距離為L1，且L=L1+L2。裝船機回轉中心的位置定位由裝船機行走編碼器獲得，根據裝船機行走位置實時計算得出。

4)根據皮帶機帶速檢測系統計算出BM皮帶的運行速度v。

5)由于陣列式皮帶秤的瞬時量的分辨率為2 Hz，因此在PLC程序中設計一個0.5 s的計時器，當BM皮帶啟動后，PLC每隔0.5 s采集一次皮帶秤的瞬時量數據，并把每次采集的數值依次存放在PLC寄存器的一個可存300個數據的數組Data[300]中，最新的數值存放在Data[0]單元中，之前的數據依次向高位數組單元移位。因為BM線的最大有效長度為1 400 m，BM皮帶的速度均值為4.8 ms，則需要約292個數組單元，所以300個數組單元完全滿足瞬時量的有效存儲。

6)根據當前距離L計算BM的累積量。料流通過BM的時間t′=Lv；分布在BM線的瞬時量個數N=t′0.5；則當前皮帶的累計質量[t])。

7 裝船機定位系統

整套料流追蹤系統中，只有裝船機的位置會隨著作業情況發生變化，無論是獲取料流到裝船機的時間信息還是皮帶線上的實時載煤量，都離不開裝船機的位置數據，須對原有的矯正塊式的定位系統進行升級。

為更加準確地獲取裝船機的實時位置，SL4、SL5、SL6 裝船機行走從動輪上各安裝1個以太網絕對值編碼器，并為其構建RFID(radio frequency identification，射頻識別)行走檢驗。二期3臺裝船機，每隔10 m安裝1個RFID標簽，每個標簽內部配置成固定的位置數據，同一條軌道上的3臺裝船機共用1套 RFID標簽，每臺裝船機安裝1套探頭及網關設備，搭建RFID位置校正系統。通過RFID與絕對值編碼器的配合，探頭經過標簽時快速讀出當前的位置，與絕對值編碼器的數據進行對比，如果偏差較小將對絕對值編碼器進行自動矯正，如果偏差大于一定值，系統會通過PLC系統給出故障報警，從而保障裝船機的位置精度。經測試，行走精度可達到厘米級。

8 試驗及應用

以BQ3-BM6-SL6線為例對料流系統性能進行試驗，得出的主要數據見表1。

料流定位系統的用戶界面如圖11所示，能顯示皮帶機上料流實時位置、煤流到達裝船機倒計時、料頭料尾時間以及BM皮帶的實時載煤量信息。

圖11 料流定位系統的使用界面

通過在黃驊港二期工程3條取裝線半年的測試和應用，該系統檢測結果與真實料流分布位置在20 m以內，其性能可靠、實用性強、工作穩定易推廣。

9 結語

1)煤炭港口皮帶機料流追蹤系統能準確檢測出料流在輸送帶上的分布位置，與真實的料流分布位置誤差在20 m以內，滿足現場應用需求。

2)皮帶機速度檢測裝置能準確檢測不同載荷下的實時帶速，誤差控制在5%以內，滿足使用要求。

3)使用高性能的料流檢測傳感器，濾波處理后的料流檢測準確率在99%以上。

4)能預先為流程啟停、上料提供準確預估時間，能在檢測到料流可能提前到達時，有次序地停止流程設備，不引起轉接處的堵料、灑落煤等情況。

5)人性化的人機界面設計，能全面反映取裝線的各種關鍵信息。