礦石碼頭續(xù)建工程裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計

謝文寧 李瀟峰 施 晶 樊 攀

中交機電工程局有限公司

1 引言

黃驊港散貨港區(qū)礦石碼頭一期工程已完成2個20萬t級鐵礦石卸船泊位(水工結(jié)構(gòu)按25萬t級設(shè)計)及相應(yīng)配套設(shè)施建設(shè)，碼頭長736 m，設(shè)計年通過能力3 000萬t，2020年實際通過能力3 500萬t。一期(續(xù)建)工程建設(shè)在黃驊港散貨港區(qū)航道南岸線，規(guī)劃的大型干散貨作業(yè)區(qū)中部，緊臨礦石碼頭一期工程向東建設(shè)2個20萬t級專業(yè)化礦石泊位(水工結(jié)構(gòu)按25萬t級設(shè)計)，碼頭長度為682 m，設(shè)計吞吐量為2 000萬t/年。

一期(續(xù)建)工程工程量包括：6臺抓斗卸船機，1臺堆料機，2臺取料機，4#變電所新建變頻器室內(nèi)的變頻器設(shè)備、空調(diào)設(shè)備，堆場灑水除塵噴槍站，10臺汽車衡設(shè)備，19條帶式輸送機，2條帶式輸送機延長線，12條帶式輸送機鋼結(jié)構(gòu)、4條帶式輸送機鋼結(jié)構(gòu)延長線、4座轉(zhuǎn)接機房，19條帶式輸送機及2條帶式輸送機延長線及4座轉(zhuǎn)接機房的供水、消防、除塵系統(tǒng)，2套商檢自動化取制樣設(shè)備，整個控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括變電所除塵泵房控制室和信息機房等在內(nèi)的必要新增控制設(shè)備、計算機管理系統(tǒng)、自動疏港系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、無線以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)、UPS電源裝置、PLC設(shè)備和點檢設(shè)備、廠內(nèi)GPS系統(tǒng)、無線網(wǎng)橋系統(tǒng)、RCMS(實現(xiàn)設(shè)備運行狀況的在線監(jiān)測)、流程廣播系統(tǒng)、無線調(diào)度通信系統(tǒng)、控制室內(nèi)設(shè)備系統(tǒng)及室外全部控制系統(tǒng)。

2 裝卸工藝布置

本工程主要有卸船堆料、取料疏港2個工藝流程。卸船堆料線的帶式輸送機系統(tǒng)，含19條帶式輸送機：BM1/2延長部分、BM3/4、BH3/4-1、BH3/4-2、BH3/4-3、BH1/2/3/4-4、BH1/2/3/4-5、BD4；取料疏港線皮帶機系統(tǒng)，含2條帶式輸送機：BQ4/5，預(yù)留BH1/2/3/4-6出口。工藝流程見圖1，卸船堆料主要流程見圖2，取料疏港主要流程見圖3。圖中，SU為橋式抓斗卸船機；S為堆料機；R為取料機；BM為碼頭帶式輸送機；BH為碼頭至堆場帶式輸送機；BD為堆場堆料線帶式輸送機；BQ為堆場取料線帶式輸送機。

圖2 黃驊港散貨港區(qū)礦石碼頭一期(續(xù)建)工程卸船堆料流程

圖3 黃驊港散貨港區(qū)礦石碼頭一期(續(xù)建)工程取料疏港流程

3 裝卸設(shè)備

3.1 橋式抓斗卸船機

3.1.1 橋式抓斗卸船機主要技術(shù)參數(shù)

橋式抓斗卸船機通過機下移動分叉溜槽向碼頭帶式輸送機輸料，每臺卸船機均能給3條碼頭帶式輸送機供料，每條帶式輸送機的額定能力為7 500 t/h。整個卸料過程可通過手動操作、半自動控制操作兩種方式實現(xiàn)。橋式抓斗卸船機料斗口及碼頭帶式輸送機受料處安裝干霧抑塵裝置。整機可沿碼頭軌道運行至相鄰泊位的任意位置進行卸船作業(yè)。作業(yè)完畢后，整機行至錨定位置處錨定。需要時前大梁可以仰起至固定位置，并用安全鉤(安全鉤為帶配重形式，在推桿損壞時可以手動打開)將其鉤住固定。俯仰正常操作允許風(fēng)速達到20 m/s。橋式抓斗卸船機設(shè)置防風(fēng)系纜及錨定裝置，具有抵抗55 m/s風(fēng)速的能力[1]。此外，具有不拆卸抓斗把清艙機械從碼頭上吊入船艙的能力。橋式抓斗卸船機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 橋式抓斗卸船機主要技術(shù)參數(shù)

3.1.2 橋式抓斗卸船機計算機管理系統(tǒng)CMS

CMS系統(tǒng)可實現(xiàn)卸船機各個關(guān)鍵部位的實時在線監(jiān)測功能，監(jiān)測設(shè)備及通訊協(xié)議與整個工程設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效兼容，并最終匯總至整個工程設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)；CMS系統(tǒng)與整個工程設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)具備完善的通訊功能，對開關(guān)量及模擬量均可實現(xiàn)有效傳輸；CMS系統(tǒng)有足夠冗余，以備后續(xù)監(jiān)測功能的擴展。該系統(tǒng)的具體功能如下：故障診斷與顯示；外部環(huán)境狀態(tài)監(jiān)視；運行參數(shù)顯示；各工作機構(gòu)狀態(tài)顯示；作業(yè)統(tǒng)計；生產(chǎn)報表；主要配套機械、電氣設(shè)備的保養(yǎng)、維修系統(tǒng)顯示，并具有提示功能；起升開閉、小車、大車、俯仰、給料機構(gòu)及控制電源等工作時間統(tǒng)計；歷史故障分析、相關(guān)數(shù)據(jù)庫；信號波形分析(設(shè)有故障斷電保護功能，可存儲故障發(fā)生前后數(shù)秒內(nèi)各有關(guān)波形圖，作為故障分析、排除的依據(jù))。

3.1.3 橋式抓斗卸船機遠程計算機管理系統(tǒng)RCMS

RCMS系統(tǒng)安裝在后方辦公區(qū)域，以無線以太網(wǎng)和光纜兩種通訊方式與卸船機CMS系統(tǒng)連接，用于監(jiān)控卸船機的運行情況。該系統(tǒng)的具體功能如下：CMS相關(guān)功能；數(shù)據(jù)備份；所有收集到的數(shù)據(jù)均可以下載或輸出到其他商業(yè)軟件中；完全狀態(tài)的實時畫面回放功能；狀態(tài)仿真監(jiān)控；融合CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻監(jiān)視功能。

3.2堆料機

3.2.1 堆料機主要技術(shù)參數(shù)

堆料機為軌道移動式的單懸臂堆料機，具有行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、臂架皮帶機等機構(gòu)，可以按照一定規(guī)則，向軌道兩側(cè)的料場堆料，具有4種操作方式：機側(cè)操作、司機室手動操作、司機室半自動操作及遠程全自動操作。各機構(gòu)設(shè)置足夠的安全檢測及保護裝置，保證作業(yè)安全。物料轉(zhuǎn)接處設(shè)置干霧抑塵裝置，必要的地方設(shè)置橡膠密封簾，以減少粉塵對環(huán)境的污染[2]。堆料機主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 堆料機主要技術(shù)參數(shù)

3.2.2 堆料操作與控制

3.2.2.1 機側(cè)操作

機側(cè)操作用于設(shè)備的維修和試運轉(zhuǎn)。所有驅(qū)動裝置如回轉(zhuǎn)、俯仰、行走、臂架帶式輸送機等都設(shè)機側(cè)操作。機側(cè)操作方式通過PLC控制，優(yōu)先于手動、半自動和自動操作方式。為了確保人身安全，提供急停開關(guān)和拉線開關(guān)等必要的聯(lián)鎖控制。

3.2.2.2 司機室手動操作

手動操作通過PLC控制。手動操作時，各驅(qū)動裝置之間、地面帶式輸送機和堆料機之間保持聯(lián)鎖關(guān)系。

3.2.2.3 司機室半自動操作

半自動操作通過PLC控制。半自動操作時，各驅(qū)動裝置之間、地面帶式輸送機和堆料機之間保持聯(lián)鎖關(guān)系。根據(jù)CCR傳送來的信息，司機用手動方式進行行走、回轉(zhuǎn)和俯仰等操作，將懸臂移到作業(yè)的起始點，然后通過控制臺面板上的數(shù)字開關(guān)設(shè)定堆料方式、料垛高度、堆積長度(行走長度)和寬度，點動行走距離，點動提升距離和回轉(zhuǎn)角度等參數(shù)。準備就緒之后，司機按下“準備好”按鈕通知CCR。接到CCR的起動命令后，司機起動半自動操作。此后，堆料機按所設(shè)定的數(shù)據(jù)自動進行堆料作業(yè)；在半自動操作中，司機可以改變每種操作方式的設(shè)定值。正常作業(yè)時，堆料機不能停止運轉(zhuǎn)，待地面帶式輸送機停機后，方可停機。發(fā)生故障時，本機能自動停機，同時輸出急停信號給CCR保證上游帶式輸送機能緊急停機，并由控制臺面板上的監(jiān)控屏顯示故障原因。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，司機可以通過控制臺上的緊急停機按鈕進行停機。料垛形狀可用手動堆料操作來進行修補，以使堆形規(guī)則化。堆料機有回轉(zhuǎn)定點堆料和行走定點堆料兩種堆料控制方式，并可通過控制臺上的選擇開關(guān)選用。

3.2.2.4 遠程全自動操作

(1)計劃接收與編制功能。該功能既能夠通過數(shù)據(jù)接口從調(diào)度指揮管理系統(tǒng)接收作業(yè)指令，也能夠在本系統(tǒng)畫面上編制生成一條新的作業(yè)指令，作業(yè)指令包括料場號、起止位置、礦種、堆料高度等信息。

(2)作業(yè)指令自動生成功能。中控人員根據(jù)系統(tǒng)顯示的各堆料機狀態(tài)及調(diào)度指令，合理選擇指令并下發(fā)系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的作業(yè)模塊，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的自動堆料工藝，選擇最經(jīng)濟、安全、可靠、高效的作業(yè)方式，并自動將作業(yè)指令轉(zhuǎn)化為堆料機PLC可接收的控制命令，例如堆料機各機構(gòu)目標位置，堆料方式設(shè)定等，并在遠程操作監(jiān)控畫面上顯示。中控人員可選擇直接下發(fā)，或者根據(jù)現(xiàn)場實際狀態(tài)作一些必要的參數(shù)修改。

(3)作業(yè)過程監(jiān)控功能。中控人員下發(fā)作業(yè)指令后，可根據(jù)流程啟停信息，選擇堆料機啟動或停止。選擇啟動后堆料機操作電源合閘，進入指定的作業(yè)地址。自動調(diào)整回轉(zhuǎn)、俯仰位置，開始進行自動堆料作業(yè)。作業(yè)過程中的各種狀態(tài)及故障信息實時顯示在中控監(jiān)控畫面上。作業(yè)過程監(jiān)控功能包括監(jiān)視機上的PLC控制系統(tǒng)狀態(tài)、行走系統(tǒng)狀態(tài)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)狀態(tài)、液壓站系統(tǒng)狀態(tài)、懸臂帶式輸送機狀態(tài)、潤滑系統(tǒng)狀態(tài)；、除塵系統(tǒng)狀態(tài)、電氣系統(tǒng)狀態(tài)、安全系統(tǒng)狀態(tài)、各類參數(shù)顯示、稱量系統(tǒng)參數(shù)、能耗數(shù)據(jù)以及風(fēng)速、火警信號。

(4)遠程手動操作功能是為了在特殊情況下，如自動系統(tǒng)故障情況時，能夠短時手動操作，設(shè)置大車、俯仰、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等操作功能，以及模式切換、操作電源on/off、緊停開關(guān)等一些重要的操作功能。而一些輔助操作，如干霧、照明、報警器等設(shè)備的控制以軟件的方式在計算機操作監(jiān)控畫面上實現(xiàn)。

(5)防碰撞功能。由于堆料機懸臂較長，當(dāng)相鄰兩臺大機在同一堆場相鄰兩個垛位進行堆料作業(yè)時，或者大機行走進行自動對垛操作時，就有可能造成兩臺大機懸臂相撞或懸臂與堆垛相碰的惡性事故。為了防止這種事故的發(fā)生，利用中控PLC內(nèi)部堆場垛位信息及與各堆料機的PLC通訊，實時采集各堆料機的位置和堆場垛位信息，包括大車、回轉(zhuǎn)、俯仰位置，以及垛位形狀、位置。調(diào)用防沖撞演算模塊，在線進行各臺機之間及大機與垛位之間的三維空間計算，一旦判斷可能互相進入碰撞區(qū)域時，及時進行報警提示相關(guān)監(jiān)控人員，必要時自動采取緊停措施。

(6)報警功能。實現(xiàn)中控室與大機上報警的相對同步，具備歷史報警記錄查詢、機上各類故障、通訊類故障的報警及報警記錄打印功能。

3.3 取料機

3.3.1 取料機主要技術(shù)參數(shù)

取料機為軌道移動式的懸臂斗輪取料機，自軌道兩側(cè)堆場取料，經(jīng)地面帶式輸送機轉(zhuǎn)運到火車裝車樓，具有行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、臂架皮帶機、斗輪等機構(gòu)，可以實現(xiàn)定量取料，輸出物料流均勻連續(xù)，不對地面帶式輸送機產(chǎn)生橫向沖擊，具有4種操作方式：機側(cè)操作、司機室手動操作、司機室半自動操作及遠程全自動操作。各機構(gòu)設(shè)置足夠的安全檢測裝置及保護裝置，保證作業(yè)安全。物料轉(zhuǎn)接處設(shè)置干霧抑塵裝置，必要的地方設(shè)置橡膠密封簾，以減少粉塵對環(huán)境的污染。取料機主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 取料機主要技術(shù)參數(shù)

3.3.2 取料操作與控制

機側(cè)操作和司機室手動操作同堆料機。

3.3.2.1 司機室半自動操作

半自動操作通過PLC控制。半自動操作時，各驅(qū)動裝置之間、地面帶式輸送機和取料機之間保持連鎖關(guān)系。按照從CCR發(fā)來的信息，司機以手動方式進行行走、回轉(zhuǎn)和提升等操作。將斗輪放到取料作業(yè)的起始點，然后操作控制臺面板上的數(shù)字開關(guān)，設(shè)定點動次數(shù)和點動距離，準備就緒后，司機按下“準備好”按鈕通知CCR。地面帶式輸送機起動后，司機啟動半自動操作。初始操作和兩回轉(zhuǎn)端角的設(shè)定由司機在第一次回轉(zhuǎn)動作時進行。設(shè)定完畢后，回轉(zhuǎn)運動依照上述預(yù)設(shè)定的回轉(zhuǎn)角進行控制，換層操作以手動方式進行。在半自動操作中，司機可以改變設(shè)定值。在進行一個礦堆的操作時，僅需設(shè)置一次取料范圍，下一個循環(huán)值由PLC自動計算。為達到恒定量取料的目的，回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)角之間有1/cos的關(guān)系。兩回轉(zhuǎn)端的停止位置有下述兩種控制方法，并可通過控制臺上的選擇開關(guān)進行選用：當(dāng)回轉(zhuǎn)角到達預(yù)設(shè)定值時；當(dāng)回轉(zhuǎn)角到達預(yù)設(shè)定值和斗輪機無負載這兩個條件同時滿足時。

3.3.2.2 遠程全自動操作

(1)計劃接收與編制功能。該功能既能夠通過數(shù)據(jù)接口從調(diào)度指揮管理系統(tǒng)接收作業(yè)指令，也能夠在本系統(tǒng)畫面上編制生成一條新的作業(yè)指令，作業(yè)指令包括料場號、料堆號、起止位置、礦種、取料噸位、取料流量、裝車等信息。

(2)作業(yè)指令自動生成功能。中控人員根據(jù)系統(tǒng)顯示的各取料機狀態(tài)及調(diào)度指令，合理選擇指令并下發(fā)系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的作業(yè)模塊，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的自動取料工藝，選擇最經(jīng)濟、安全、可靠、高效的作業(yè)方式，并自動將作業(yè)指令轉(zhuǎn)化為取料機PLC可接收的控制命令，例如取料機各機構(gòu)目標位置，取料方式設(shè)定等，并在遠程操作監(jiān)控畫面上顯示。原則上單列火車采用分層不分段的形式進行取料作業(yè)，當(dāng)為皮帶長廊取料時，有時需進行旋轉(zhuǎn)分層分段取料，即按照設(shè)定的供料段的長度進行。取完當(dāng)前層時自動進行換層，當(dāng)取完最下一層后進行換段操作，把斗輪置于第二段最頂層的作業(yè)開始點上，重復(fù)進行取料，供料段長度的設(shè)定以臂架不碰及料堆為原則。此種方法最大的缺陷就是容易造成塌垛情況，因此設(shè)定火車裝車模式與皮帶長廊取料模式，中控人員可選擇直接下發(fā)，或者根據(jù)現(xiàn)場實際狀態(tài)作一些必要的參數(shù)修改。

(3)垛位數(shù)據(jù)識別。垛位數(shù)據(jù)識別采用三維激光掃描形式進行，功能模塊中設(shè)有特殊情況的處理功能，例如滿垛、殘垛以及塌垛情況的處理。

(4)回轉(zhuǎn)速度與取料流量的控制。為實現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)分層等量取料”的目的，在自動取料模式下，按照等量取料算法，確定回轉(zhuǎn)速度與取料流量的控制關(guān)系，并保證反饋的及時性，避免出現(xiàn)流量控制滯后。

(5)自動識別設(shè)定功能。對于取料過程中步進距離的設(shè)定，需要根據(jù)不同的料種，設(shè)置自動識別設(shè)定功能，每個垛位只需在第一次取料的第一次回轉(zhuǎn)過程中識別計算，在下一次回轉(zhuǎn)取料自動步進中對步進數(shù)據(jù)加以糾正。

(6)作業(yè)過程監(jiān)控、遠程手動操作、防碰撞、報警功能同堆料機。

4 結(jié)語

該工程規(guī)模大，專業(yè)性、綜合性和自動化程度高，在國內(nèi)礦石港口工程中具有較強的代表性。通過梳理和總結(jié)先進、成熟可靠的裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)情況，以及主要裝卸設(shè)備的選型、技術(shù)參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況，以期為國內(nèi)類似礦石碼頭建設(shè)提供借鑒和參考，進而提升中國礦石碼頭裝卸效率，規(guī)范大型裝卸設(shè)備智能化應(yīng)用。