自動(dòng)化環(huán)保型伸縮變幅裝船機(jī)控制系統(tǒng)及裝置研發(fā)

陳 偉

（揚(yáng)州市江隆礦業(yè)設(shè)備有限公司，江蘇揚(yáng)州225000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)由粗放型增長向著集約型增長方向發(fā)展，港口機(jī)械的發(fā)展模式也在發(fā)生變化，港口裝卸設(shè)備正在向著定制化、全自動(dòng)化、環(huán)保化以及智能化方向發(fā)展。因此，提高港口散貨裝卸設(shè)備的功用，降低散貨裝卸對環(huán)境造成的污染，推動(dòng)港口散貨裝卸的自動(dòng)化、智能化、綠色環(huán)保發(fā)展勢在必行。當(dāng)前，受到地理環(huán)境與人口分布等因素的影響，我國內(nèi)河散貨裝船機(jī)在整個(gè)航運(yùn)體系中占據(jù)主導(dǎo)地位。而國際上裝船機(jī)的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)廠商的核心產(chǎn)品大都適用于沿海港口。內(nèi)河港口與海港的散貨裝卸特點(diǎn)存在較大不同，海港占地面積大，貨物大都采用堆場式存放，裝船機(jī)位置固定，通常以裝卸效率作為評價(jià)其性能的指標(biāo)參數(shù)，如德國克虜伯研發(fā)的最大的礦石裝船機(jī)設(shè)備生產(chǎn)率達(dá)20 000 t/h，適用于32萬t船型的外伸距。內(nèi)河港口往往建設(shè)于城市腹地，占地面積有限，貨物以車載或箱儲(chǔ)式為主，對裝船機(jī)的體積與靈活性有著嚴(yán)格的要求，且內(nèi)河港口周邊的人口密度大，裝船過程中的除塵降塵等環(huán)保功能也是內(nèi)河裝船機(jī)的重要指標(biāo)參數(shù)之一。

我國裝船機(jī)生產(chǎn)研發(fā)起步較晚，產(chǎn)品分布以海港大功率裝船機(jī)為主，內(nèi)河裝船機(jī)產(chǎn)品只是在既有產(chǎn)品上進(jìn)行改裝，兼容性不強(qiáng)，受內(nèi)河港口復(fù)雜環(huán)境的限制，裝卸性能大打折扣，適用性差。當(dāng)前國內(nèi)針對內(nèi)河港口特點(diǎn)，定制化設(shè)計(jì)的裝船機(jī)產(chǎn)品極為稀缺，仍需開展大量的研究工作，填補(bǔ)該領(lǐng)域自動(dòng)化、智能化、環(huán)保等關(guān)鍵技術(shù)的空白，從而提高內(nèi)河港口運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益。

本文研發(fā)的目標(biāo)產(chǎn)品自動(dòng)化環(huán)保型伸縮變幅裝船機(jī)是用于碼頭裝卸散貨的環(huán)保型自動(dòng)化產(chǎn)品，可加速我國裝船機(jī)產(chǎn)品的升級換代及2 000～5 000 t內(nèi)河裝船機(jī)市場的重新定位，加速我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，解決內(nèi)河港口人工裝卸貨物效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，智能化程度低，而進(jìn)口裝備兼容性差、售價(jià)貴、維護(hù)成本高等問題，填補(bǔ)國內(nèi)該領(lǐng)域高端裝備稀缺的空白，符合國家環(huán)保和智能發(fā)展戰(zhàn)略要求，為港口機(jī)械設(shè)計(jì)提供了新思路。

1 主要的研發(fā)內(nèi)容

1.1 基于視覺與激光雷達(dá)檢測的船體自動(dòng)定位與裝卸軌跡優(yōu)化

待作業(yè)船艙在靠港過程中，如何進(jìn)行自動(dòng)定位與裝卸過程中的移動(dòng)路徑規(guī)劃是自動(dòng)化裝船過程的核心內(nèi)容。本項(xiàng)目擬利用視覺與激光雷達(dá)相結(jié)合的檢測手段，以裝船機(jī)為基站，對靠港船只的位姿信息進(jìn)行監(jiān)測，通過感知貨物堆疊過程中的動(dòng)態(tài)輪廓特征信息，實(shí)現(xiàn)船體位姿信息估計(jì)，并以此為系統(tǒng)輸入，結(jié)合物料傳輸速率參數(shù)，構(gòu)建并求解代價(jià)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)船體移動(dòng)軌跡優(yōu)化。

1.2 裝船機(jī)底層架構(gòu)控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝船機(jī)的底層架構(gòu)工業(yè)控制部分，是保證其安全平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是后端實(shí)現(xiàn)功能拓展的先決條件。本項(xiàng)目將研發(fā)裝船機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)與PLC控制子系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)變頻軟件，根據(jù)實(shí)際需求在合理位置設(shè)計(jì)各類近似開關(guān)和傳感器，作為保護(hù)信號輸入源，PLC控制部分分為聯(lián)控、單控與就地3種模式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能連鎖功能，避免物料堵塞、爆炸等生產(chǎn)事故的產(chǎn)生。

1.3 裝船機(jī)多組態(tài)一體化集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝船機(jī)散貨裝卸集成了多個(gè)控制對象，是一個(gè)典型的工業(yè)過程控制系統(tǒng)。目前，各控制系統(tǒng)多采用“計(jì)算機(jī)監(jiān)測+人工控制”的操作模式，即根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)顯示信息手動(dòng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，維護(hù)難度大，控制精度不高。為此，本項(xiàng)目將利用集散控制技術(shù)，將中央計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、子控制系統(tǒng)統(tǒng)一融合集中，并設(shè)計(jì)具體的控制策略，解決目前裝船機(jī)功能單一、操作分散的問題。

1.4 面向散貨裝卸過程的工業(yè)大數(shù)據(jù)建模與挖掘

散貨裝卸過程包含多個(gè)動(dòng)態(tài)對象，在一體化集散控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)獲取被控對象數(shù)據(jù)的規(guī)模將大幅提升，這些高頻率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含非常有價(jià)值的工業(yè)過程信息，對保障裝船機(jī)的安全運(yùn)行、效率提升至關(guān)重要。本項(xiàng)目擬采用分布式并行結(jié)構(gòu)框架，對裝船過程的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，采用貝葉斯全概率融合算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，解析出有價(jià)值的高階信息，為進(jìn)一步的裝船質(zhì)量預(yù)報(bào)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建奠定基礎(chǔ)。

2 重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 雷達(dá)與視覺圖像時(shí)間序列同步與關(guān)鍵特征提取問題

激光雷達(dá)與視覺設(shè)備在工作方式、采樣效率、成像結(jié)構(gòu)方面存在較大差異，一種是以灰度值構(gòu)成的紋理圖像，另一種是由回波強(qiáng)度構(gòu)成的點(diǎn)云圖像。船體由于自身晃動(dòng)，散貨表面成像非結(jié)構(gòu)化會(huì)造成圖像畸變，特征提取困難。如何將兩種傳感器獲取的環(huán)境信息進(jìn)行時(shí)間序列同步，有效融合并提取關(guān)鍵的圖像特征信息，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)云，完成運(yùn)動(dòng)估計(jì)與路徑優(yōu)化是本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

2.2 裝船機(jī)控制系統(tǒng)在線建模與優(yōu)化控制問題

裝船機(jī)集散控制系統(tǒng)存在多節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)，在裝船過程中，由于工作情況不同，各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生形式存在較大差異，固定控制模型無法滿足其動(dòng)態(tài)變化需求。因此，如何根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)I/O接口中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)構(gòu)建子系統(tǒng)的控制模型，通過優(yōu)化控制方法計(jì)劃調(diào)度命令指標(biāo)，產(chǎn)生底層控制回路的反饋信息，以實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)高精度控制是本項(xiàng)目要解決的重要技術(shù)問題。

2.3 裝船機(jī)分布式并行數(shù)據(jù)建模框架設(shè)計(jì)

在散貨裝卸過程中，不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件會(huì)產(chǎn)生多樣化的龐大數(shù)據(jù)，需要通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法來挖掘大規(guī)模裝船數(shù)據(jù)集中的有用信息，以確定無法通過物理測量直接獲取的變量參數(shù)，如故障診斷信息、能耗系數(shù)信息。而隨著數(shù)據(jù)量的積累，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模面臨繁重的計(jì)算負(fù)擔(dān)，如何將沉重的計(jì)算負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)化為并行化的小規(guī)模任務(wù)進(jìn)行處理，是本項(xiàng)目必須解決的重要技術(shù)問題。

3 項(xiàng)目特色及創(chuàng)新

3.1 通用型自動(dòng)化可變導(dǎo)料裝置模塊設(shè)計(jì)研發(fā)

在裝船機(jī)裝卸料過程中，需要根據(jù)物料特征調(diào)整倒料板傾角，傳統(tǒng)方式是通過人工調(diào)整倒料板傾角并重復(fù)安裝倒料板，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本項(xiàng)目通過計(jì)算機(jī)建模數(shù)值分析技術(shù)，將用于引導(dǎo)卸料的導(dǎo)料板兩端分別鉸接在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，且可豎直翻轉(zhuǎn)，解決了導(dǎo)料板傾斜角度固定無法滿足不同物料的卸料需求的問題。同時(shí)，設(shè)置了輔助卸料裝置進(jìn)一步提高卸料效率，降低堵塞的可能性，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)料裝置的模塊化管理。

3.2 基于PLC變頻與計(jì)算機(jī)集散控制的裝船機(jī)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

在裝船過程中，系統(tǒng)執(zhí)行對象有皮帶輪、導(dǎo)料裝置、裝船機(jī)本體等多個(gè)設(shè)備機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)作業(yè)過程中，各個(gè)設(shè)備的控制往往獨(dú)立運(yùn)行，協(xié)作效率低，不能實(shí)現(xiàn)相互配合。本項(xiàng)目以單片機(jī)作為測控中心的控制系統(tǒng)和數(shù)字PID控制策略，利用可編程控制器（PLC）和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)帶式輸送設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。利用計(jì)算機(jī)集散控制技術(shù)，以可編程控制器作為下位機(jī)，進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，在上位機(jī)中利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對帶式輸送設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)控制一體化功能。

3.3 基于系統(tǒng)能耗因素建模的自動(dòng)感應(yīng)式帶式輸送設(shè)備控制器設(shè)計(jì)

帶式輸送設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和啟停控制是保障物料不出現(xiàn)漏撒的關(guān)鍵，傳統(tǒng)開關(guān)式控制無法實(shí)現(xiàn)該裝置的平穩(wěn)啟停。本項(xiàng)目通過對影響帶式輸送設(shè)備系統(tǒng)能耗的因素建模，利用重力傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)測輸送量和速度數(shù)據(jù)，采用模糊控制算法構(gòu)建了輸送速度、負(fù)載模糊控制器模型，最終設(shè)計(jì)了帶式輸送設(shè)備智能調(diào)速控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送設(shè)備可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反饋的智能啟停、休眠等功能。

3.4 裝船機(jī)環(huán)保輔助裝飾設(shè)計(jì)與工藝研發(fā)

針對傳統(tǒng)散貨裝船過程中，散貨揚(yáng)塵、環(huán)境惡劣的問題，本項(xiàng)目通過在車輛卸料棚頂部和伸縮溜筒頂部增設(shè)除塵通道，將輸運(yùn)過程中的揚(yáng)塵通過除塵通道傳送至脈沖布袋除塵器中進(jìn)行除塵處理，并對車斗進(jìn)行封口，在封口過程中進(jìn)行初次噴淋，在卸料過程中進(jìn)行二次噴淋，實(shí)現(xiàn)了裝船過程中的除塵、降塵功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)廢料的回收功能。車輛卸料棚頂部和伸縮溜筒上的除塵機(jī)構(gòu)如圖1所示，車斗封口除塵及初次與二次噴淋除塵機(jī)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)語

本文研發(fā)的自動(dòng)化環(huán)保型伸縮變幅裝船機(jī)可加速我國裝船機(jī)產(chǎn)品升級換代以及2 000～5 000 t內(nèi)河裝船機(jī)市場的重新定位，加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，解決內(nèi)河港口裝卸貨物效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、智能化程度低，而進(jìn)口裝備兼容性差、售價(jià)高、維護(hù)成本高等問題，填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域高端裝備稀缺的空白，符合國家環(huán)保和智能發(fā)展戰(zhàn)略要求。

圖1 車輛卸料棚頂部和伸縮溜筒上的除塵機(jī)構(gòu)

圖2 車斗封口除塵及初次與二次噴淋除塵機(jī)構(gòu)