港口儲配煤基地自動化控制系統的探索與應用

宋英麟，孫 魯，張樹元

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

在煤焦鋼產業鏈上，圍繞煉焦煤使用，有兩對矛盾已非常突出。第一對矛盾是環保要求趨嚴和國內優質煉焦煤的硫份含量走高，第二對矛盾是依賴性和稀缺性的矛盾。以前鋼鐵工業布局的思路是：內地控制、沿江適度、沿海放開[1-2]?，F在，在供給側改革的大背景下，內地小型鋼鐵企業大量拆除，新的長江三公里經濟帶的理念是要把工業逐步退出，大型鋼鐵企業、大型煉鐵高爐在沿海布局的數量在增加，速度在加快，對優質煉焦煤的依賴度在逐步提升。同時，優質煉焦煤在本來很有限的基礎上更加稀缺。這兩對矛盾的四個要素，客觀存在，持續顯現，已經影響到了煤焦鋼產業鏈的平穩運行，需通過在沿海港口新建配煤基地適度緩減[3-5]。

1 配煤基地項目概述

本文以山西焦煤煤焦銷售有限公司日照配煤基地項目為依托，該工程為國內首個沿海港口焦煤儲配煤基地項目。項目滿足國家環保政策的要求，符合國家在沿海布局鋼鐵企業的整體規劃，抓住了國家鐵路增量和日照港東煤南移的良機，對稀缺資源有積極的保護作用，有利于煤焦鋼產業鏈的平穩運行，促進煤、港、鋼的深度融合[6-8]。

本項目圍繞實施單一煤種精確混配作業進行設計，焦煤配煤產品主要定位為中低硫焦肥煤為主。工藝系統要求配煤精準、質量穩定，配置新產品的精確度質量不低于煉焦廠內配煤精確度，可以滿足啟用全新產品標識進入市場的需要。其裝卸及配煤工藝系統由鐵路卸車系統、碼頭卸船系統、碼頭裝船系統、配煤系統、配前煤及配后煤堆場堆存系統和成品煤炭全分析系統組成。其中鐵路卸車系統、碼頭裝船系統利用日照港東煤南移工程設施；碼頭卸船系統利用14#-15#泊位卸船設施；配前煤堆場堆存系統利用日照港東煤南移工程設施。裝卸及配煤工藝系統設計與日照港東煤南移工程的鐵路卸車堆存系統、船舶裝卸系統、堆場系統相協調。其裝卸及配煤工藝設計滿足了項目要求的3個重要功能，即煉焦煤配制功能（生產系列化標準產品，同時滿足個性化定制，達到用戶最終原料煤要求，系統按年配煤量1 000萬t進行設計）、成品煤堆存功能以及成品煤質檢分析功能。

本項目焦煤配煤采用配煤筒倉方式。根據配煤采用的品種數量及比例的需求，設配煤倉共6座，每座筒倉容量5 000 t，排成一列。按照每批次配煤總量要求，各規格原料焦煤分別裝入配煤筒倉，根據焦煤配煤比例同時出倉，落料至筒倉下面的稱量皮帶機，根據稱量皮帶機流量的實時反饋，調整給料機的出料速度，單種焦煤通過稱量皮帶落下匯集到主系統帶式輸送機上，配合好的混煤在帶式輸送機多次轉接過程和堆入堆場過程中實現混合均勻。每批次配煤每個筒倉所存儲原料煤一般不同，則需要將上一批次配煤后剩余原料煤排出，以確保下一批次配煤的精度。每次配煤結束后，分別將若干座筒倉內的剩余原料煤排出，并暫分垛堆在成品煤堆場內，然后采用單斗裝載機配合自卸汽車將剩余煤炭轉運至現有日照港東煤南移工程堆場堆存。

2 港口自動化配煤控制系統

自動化配煤控制系統由PLC、控制系統服務器、工業以太網交換機、監控工作站及數據庫軟件和配煤系統軟件組成，實現不同煤質經數字化配煤系統運行后而達到性價比最優的配置。根據工藝流程控制要求，本系統主要完成原料焦煤進倉配煤流程、堆場自動堆取料流程、成品焦煤出堆場裝船流程及與依托項目的流程連鎖控制等內容的設計。

2.1 原料焦煤進倉配煤流程

原料焦煤進倉配煤流程，通過日照港東煤南移工程的堆場帶式輸送機或翻車線帶式輸送機經轉接機房接至帶式輸送機，再經轉接機房轉接至筒倉倉頂帶式輸送機由倉頂卸料小車按每批次配煤總量要求，不同規格原料煤分別卸入配煤筒倉，控制系統按工藝流程設定的配煤裝倉量完成原料煤進筒倉流程作業。卸料小車可實現遠程無人操作?？刂剖彝ㄟ^無線、有線以太網通訊及硬線連鎖與卸料小車控制系統進行數據通訊和信號傳輸。卸料小車走行定位采用APON、編碼器、位置限位開關等多種定位方式，實現對卸料小車的精確定位控制。

筒倉出料為4 個出料口，分別配置4 臺雙調節給料系統，兩個出料口對應一條倉底皮帶機，每個筒倉下布置兩臺皮帶機，每臺給料系統配置一臺高精度皮帶秤。為了保證計量的精度和可靠性，配料系統使用雙通道電子配料秤。前后兩個稱重單元（通道）相互檢測，可及時超差報警，故障時切換至任一通道仍能正常工作；稱重傳感器選用精度為0.02 級的高精度、高穩定性稱重傳感器，并帶有傳感器過載保護裝置。

中央控制室依據系統設定的筒倉配煤方案及焦煤配制比例要求，自動控制各倉底配煤給料機的出料速度(出倉給定量)，保證筒倉出料量按配比要求精準出料。筒倉出料過程中，當有筒倉出料量大于或小于設定出料量時，控制系統通過倉底高精度皮帶秤的實時稱量信號反饋至控制系統，控制系統根據反饋自動調整給料機的給定頻率和下料板角度的調節，使物料在非結堵狀態下達到按要求隨意調整出料力，保證給料機能實現最佳的出料量控制。實現倉底出料的實時閉環控制，保證配煤量的精準控制。按流程控制要求筒倉原料煤出倉落料至筒倉下部的稱量皮帶機，筒倉單種煤通過稱量皮帶落下匯集到主系統倉底帶式輸送機上，通過轉接機房轉接后進入成品堆場，完成原料煤進倉配煤流程作業(集港流程)。

配煤流程中在進倉線帶式輸送機設置進倉采制樣裝置，在出倉線帶式輸送機設置出倉采制樣裝置。兩套采制樣裝置分別對進倉、出倉原料煤進行在線實時采樣。采制樣系統與進倉配煤流程系統連鎖控制。

圖1 筒倉配煤控制系統結構框圖

由于煤具有自熱自燃的特點，加上筒倉在工藝設計上的特點，使得筒倉儲煤也存在著很大的安全隱患。筒倉靠近側壁的位置容易造成煤的堆積造成死角，此處的積煤長期與空氣接觸后會產生自燃。自燃產生的熱量會直接作用在筒倉側壁，使得側壁的強度降低，造成極大的安全隱患。為避免此種發生此種隱患，本項目設置一套筒倉安全監測系統，筒倉安全監測系統由現場檢測設備、監測系統及聯鎖控制設備等部分組成。每個筒倉現場設有雷達料位計、高低料位計、筒倉儲煤溫度檢測和倉內可燃及有毒氣體(CO 及CH4 等)檢測器等檢測設備和檢測儀表。本工程在倉頂房內設置獨立的筒倉安全監測站全面監測筒倉狀態，保證筒倉儲煤安全。

配煤流程完成后，筒倉剩余原料煤排出至成品煤堆場，然后采用單斗裝載機配合自卸汽車將剩余煤炭轉運至原來的日照港東煤南移工程堆場堆存。

2.2 堆場自動堆取料流程

長期以來，國內堆、取料機都是由人工進行操作。在生產作業中，受限于人工操作水平限制，生產作業效率較低，而且作業過程中勞動強度高、工作環境差，人員成本較高。針對這一問題，本項目火車卸船、堆場堆存、碼頭裝卸船作業所依托的日照港東煤南移工程已按照堆場堆、取料系統生產作業全自動化設計實施。本項目成品煤堆場堆、取料系統生產作業按照全自動化進行設計。

本項目堆場配置1 臺堆料機、1 臺取料機，大機上實現遠程自動化控制后，可使項目投產后能大大提升生產作業穩定性，改善工作人員作業環境，提能增效，降低生產安全風險，保持建成后的煤碼頭在整體自動化作業管理水平具有國內先進水平。

本項目利用現代通訊技術，采用有線與無線通信結合的方式，建立中控與地面大機設備之間的網絡鏈路，完成中控室與現場大型設備之間的數據交換信息共享，實現PLC 控制指令的下發等功能。堆/取料機通過在斗輪左右兩側安裝激光掃描裝置的方式獲取堆場料堆點云數據，通過通信接口將數據發送到中控無人化圖像服務器中,并通過中控室處理器運算處理后建立三維堆場模型，實現料堆的三維成像。堆場自動化系統依靠準確的三維模型數據，計算出料堆作業切入點，控制堆取料機進行作業。

自動堆料作業時，堆料機收到中控下達的自動堆料命令，機上PLC 控制堆料機自動完成作業定位并自動進行堆料作業。自動取料作業前，操作人員需手動駕駛取料機對料堆進行表面的測距數據采集，完成料堆三維模型數據更新。自動取料作業時，取料機收到中控下達的自動取料指令，機上PLC 控制取料機自動完成作業定位并自動進行取料作業。系統還具有取料流量的恒定控制功能，通過實時采集取料驅動電機的電流，利用電流與流量間的關系控制堆取料機的機構動作速度，達到控制取料流量的目的。此外，為防止大型堆取料設備作業時發生碰撞，在大機懸臂兩側安裝防碰撞激光掃描裝置，激光掃描裝置的控制信號直接傳入本地PLC。本項目在中控室中設置遠程操作手柄，操作人員通過手柄可遠程直接操作堆、取料車的動作。

2.3 成品煤裝船流程

中控室根據裝船計劃制定裝船流程，成品煤堆場已配好的原料煤經堆場取料機取料至BD1 帶式輸送機，通過TP2 轉接機房轉接至BJ6 帶式輸送機，在TP1 轉接機房經3 工位伸縮頭根據已設定的流程分配至裝船線2-1、2-2、2-4 帶式輸送機，經JF1轉接機房分別轉接至碼頭1-1、1-2、1-3 帶式輸送機后通過SL1、SL2、SL3 裝船機完成成品煤裝船流程作業。流程中帶式輸送機2-4、1-3、SL3 裝船機的裝船流程為預留流程。

圖2 配煤基地項目工藝流程圖

2.4 項目的連鎖控制

1)配煤流程與東煤南移帶式輸送機的連鎖控制

按照配煤作業流程計劃，配煤流程設備按逆料流設備啟動，流程啟動完成后輸出流程啟動備妥信號給東煤南移控制系統，東煤南移帶式輸送機啟動，并按工藝流程逆料流啟動相應工藝設備，配煤流程開始作業。

配煤流程結束時，控制系統發出流程結束信號，東煤南移控制系統按流程控制要求順料流停止流程工藝設備及帶式輸送機，并發出帶式輸送機停機信號，此時，配煤流程工藝設備按順料流方向順序停止設備。

2)配煤流程與東煤南移裝船系統連鎖控制

按照配煤作業裝船流程計劃，根據裝船計劃按逆料流啟動裝船線工藝設備，待配煤裝船流程的下游裝船機、帶式輸送機2-1 或2-2(2-4 預留)啟動后，配煤控制系統接收到東煤南移工藝系統下游帶式輸送機的啟動備妥信號后開始啟動配煤裝船流程工藝設備，設備啟動前設于BJ1 轉接機房的3 工位伸縮頭需運行至所選裝船流程帶式輸送機的位置。配煤裝船流程逆煤流啟動，流程設備BJ6、BQ1 帶式輸送機、取料機順序啟動，此時，完成配煤裝船流程作業。

配煤裝船流程運行結束時，配煤控制系統發出裝船流程結束指令給東煤南移控制系統，配煤裝船流程設備待排清帶式輸送機的物料后，順料流方向停止取料機的取料作業、順序停止BQ1 帶式輸送機、BJ6 帶式輸送機。同時給東煤南移控制系統發出BJ6 帶式輸送機停止運行信號(或裝船流程設備停止運行信號)后，裝船線2-1 或2-2(2-4 預留)、1-2或1-1(1-3 預留)帶式輸送機、SL2 或SL1(SL3 預留)裝船機等設備順序停止，裝船流程作業結束。

3 結語

港口自動化配煤控制系統的應用將顯著提升港口儲配煤基地運營的自動化水平，提升港口作業效率，改善操作人員的工作環境，降低員工勞動強度，減少運營人力成本，進一步促進港口儲配煤基地向智能、精細、綠色環保的方向發展。本工程自動化配煤控制系統的應用為后續相似工程提供了可行經驗。