干散貨碼頭皮帶流程智能巡檢系統(tǒng)

楊廷帥 楊洪錫 趙 磊 劉 強 嵇境超 王欽斌

山東港口集團青島港國際股份有限公司前港分公司

1 引言

隨著國內(nèi)制造業(yè)的飛速發(fā)展，對各類礦石等干散貨的進口需求日益增加，皮帶機作為干散貨港口運輸?shù)暮诵脑O備，其安全、高效地運轉(zhuǎn)是干散貨碼頭的命脈所在[1]。干散貨碼頭作業(yè)區(qū)域大，上百條皮帶機組成龐大的流程網(wǎng)絡，在生產(chǎn)作業(yè)繁忙時，需要安排巡檢員調(diào)整轉(zhuǎn)載漏斗擋板進行流程切換作業(yè)。巡檢員需在皮帶流程與轉(zhuǎn)載樓間往復作業(yè)，存在勞動強度大、工作效率低等問題。

現(xiàn)階段，干散貨碼頭輸運特殊貨種(粘濕貨種、大塊貨物等)的數(shù)量日益增加。在特殊貨種裝卸過程中，需要巡檢員定點監(jiān)護皮帶流程運轉(zhuǎn)，當出現(xiàn)皮帶跑偏、物料灑漏、漏斗磨損等問題時及時處置，避免影響生產(chǎn)效率。同時為避免皮帶機等設備由于長時間作業(yè)造成疲勞損壞，需要巡檢員定期檢查驅(qū)動部位的異常磨損和發(fā)熱等問題。在巡檢員檢查設備過程中難以實現(xiàn)徹底的人機分離，存在較大的安全隱患[2]。

2 皮帶流程監(jiān)護存在問題

2.1 環(huán)保抑塵與節(jié)約用水問題

由于干散貨碼頭作業(yè)區(qū)域較大，進行物料裝車或裝船等作業(yè)時，物料需途經(jīng)多條皮帶流程，在此過程中，極易產(chǎn)生揚塵造成空氣污染。現(xiàn)階段，干散貨碼頭針對揚塵問題，通常采用灑水方式進行抑塵作業(yè)。抑塵作業(yè)時需要巡檢員在流程沿線揚塵嚴重區(qū)域或貨物堆場手動開啟灑水管路開關(guān)，巡檢員長時間暴露在揚塵區(qū)，工作環(huán)境惡劣。同時由于不同堆場的灑水開關(guān)位置不統(tǒng)一，巡檢員無法及時關(guān)閉灑水管路開關(guān)，常造成水資源浪費。

北方港口冬季運輸物料時，因天氣嚴寒，含水量較大的物料在轉(zhuǎn)運過程中經(jīng)常凍結(jié)在滾筒表面形成凍瘤。同時由于氣溫低，導致皮帶塑性下降，隨著凍瘤不斷變大，常發(fā)生皮帶撕裂問題，嚴重危害設備運轉(zhuǎn)安全。目前，針對凍瘤問題，干散貨碼頭通常安排巡檢員在凍瘤易形成處噴灑防凍液，這種方法雖然有效減少了凍瘤的形成，但存在人員勞動強度大、作業(yè)效率低等問題，無法適應港口繁忙的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境[3]。

2.2 現(xiàn)場作業(yè)任務重

干散貨碼頭進行物料轉(zhuǎn)運作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)皮帶跑偏、皮帶損傷、漏斗堵塞、漏斗破損、物料灑漏等問題，需要巡檢人員現(xiàn)場定點監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)問題立即處置，避免影響生產(chǎn)進程。同時港區(qū)生產(chǎn)流程轉(zhuǎn)換頻繁，還需巡檢人員在轉(zhuǎn)載機房內(nèi)操作翻板進行流程轉(zhuǎn)換等作業(yè)，巡檢員在皮帶流程與轉(zhuǎn)載樓間來回穿梭，勞動強度大，且存在安全隱患[4]。

2.3 設備檢查工作量大

干散貨碼頭設備安全防護水平較低，多達上萬個滾筒軸承、減速箱、電機等運轉(zhuǎn)部件均采用人工點檢方式進行檢查。巡檢機進行設備檢查時，需要使用測溫槍檢測轉(zhuǎn)動部位溫度情況，并通過人工觸摸方式確定設備內(nèi)部有無異常振動。此類設備檢查方式存在效率低、誤差較大等缺點。同時,由于不能將常年檢查數(shù)據(jù)進行對比與分析,確定設備磨損趨勢，進而無法有效實現(xiàn)設備故障的預控管理[5]。

2.4 人工成本高

干散貨碼頭作業(yè)繁忙，由于皮帶機等作業(yè)設備自動化程度低，大部分工作需要人工完成，對人力依賴性強。同時,由于碼頭作業(yè)環(huán)境差、戶外作業(yè)勞動強度大，存在人員流失嚴重、補員困難等問題，導致人工成本日益增加，嚴重制約干散貨碼頭發(fā)展。

3 智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)

根據(jù)干散貨碼頭作業(yè)環(huán)境及設備情況，借助PLC控制技術(shù)、無人機技術(shù)、視覺識別技術(shù)等多種信息化手段，研發(fā)智能流程作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能設備監(jiān)護系統(tǒng)，并基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將三者互聯(lián)互通，建立智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)。智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)組成

3.1 智能流程作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)

在干散貨碼頭皮帶流程沿線的關(guān)鍵部位安裝數(shù)百個高清攝像頭，借助工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將全部攝像頭接入干散貨碼頭內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)了在監(jiān)控室內(nèi)進行干散貨碼頭流程作業(yè)關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)護作業(yè)。在此基礎上，在滾筒驅(qū)動及其他設備的運轉(zhuǎn)區(qū)域，加裝人員識別系統(tǒng)和語音報警系統(tǒng)。巡檢員進入設備的運轉(zhuǎn)區(qū)域時，高清攝像頭自動識別人臉，現(xiàn)場音響立即播放警示語音，提醒巡檢員注意安全。

3.1.2 無人機掃描技術(shù)

為了彌補智能監(jiān)控系統(tǒng)對整個干散貨碼頭的覆蓋面不全面問題，采用無人機技術(shù)，定時巡視各個作業(yè)區(qū)域。通過在無人機機架處加裝高清攝像頭和三維掃描雷達，對干散貨碼頭進行圖片采集和三維模型掃描，運用合成系統(tǒng)將采集的圖片與掃描的三維模型相擬合，生成整個干散貨碼頭的三維形貌圖，實現(xiàn)了對整個干散貨碼頭的全方位監(jiān)控，動態(tài)掌控作業(yè)區(qū)域人員、設備、貨垛的情況(見圖2)。同時借助合成系統(tǒng)中的質(zhì)量計算模塊，根據(jù)貨垛三維模型和貨物比重、含水量等相關(guān)參數(shù)，可準確計算出單個貨垛的貨物質(zhì)量，為堆場管理提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 港區(qū)三維形貌圖

3.2 智能控制系統(tǒng)

3.2.1 翻板遠程控制系統(tǒng)

為避免巡檢員上下攀爬轉(zhuǎn)載樓調(diào)整翻板進行流程轉(zhuǎn)換作業(yè)，借助PLC控制技術(shù)，編寫遠程控制程序，將PLC控制程序接入翻板控制系統(tǒng)，建立翻板遠程控制系統(tǒng)。基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，將翻板遠程控制系統(tǒng)接入干散貨碼頭內(nèi)網(wǎng)，實現(xiàn)了在監(jiān)控室內(nèi)進行翻板控制作業(yè)，降低了巡檢員進行流程轉(zhuǎn)換作業(yè)的勞動強度。為了確保翻板遠程控制的準確性，在翻板動力缸對面加裝高清攝像頭，在監(jiān)控室內(nèi)實時監(jiān)控翻板狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況可及時處置，避免因翻板控制系統(tǒng)失效造成設備隱患。

3.2.2 灑水遠程控制系統(tǒng)

灑水遠程控制系統(tǒng)通過在港區(qū)原有灑水管路基礎上，加裝防凍液噴灑管路，并使用電磁閥控制替代手動開關(guān)，借助PLC控制技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將電磁閥開關(guān)控制系統(tǒng)接入干散貨碼頭內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)灑水系統(tǒng)的遠程控制。巡檢員可通過監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場其他作業(yè)人員反饋的揚塵區(qū)域和易形成凍瘤的滾筒區(qū)域，選擇指定水槍進行灑水抑塵和防凍液噴灑作業(yè)，有效解決揚塵和凍瘤問題，大大提高作業(yè)效率，并解決灑水開關(guān)不及時的問題，節(jié)約了水資源。

同時，為提高灑水噴淋控制系統(tǒng)使用的便攜性，基于JAVA技術(shù)，開發(fā)了灑水噴淋控制系統(tǒng)手機APP，巡檢員可使用手機操縱指定位置的灑水設備進行灑水噴淋作業(yè)，操作更加便捷。

3.2.3 皮帶糾偏遠程控制系統(tǒng)

干散貨碼頭進行物料轉(zhuǎn)運過程中，由于物料比重、物料體積、物料含水量等參數(shù)不同，在經(jīng)過轉(zhuǎn)載漏斗時，物料的落料點存在較大差異，若不及時調(diào)整皮帶機位置，將導致物料在皮帶流程中偏載進而造成皮帶跑偏、物料灑漏等問題。現(xiàn)階段，干散貨碼頭常用手動鏈條式糾偏托輥進行皮帶機位置調(diào)整，該裝置需要巡檢員拽動鐵鏈進行位置調(diào)整，費時費力，且調(diào)整精度低。

在現(xiàn)有手動鏈條式糾偏托輥基礎上，對糾偏裝置結(jié)構(gòu)進行改進，加裝電動推桿代替鏈條，并將電動缸控制系統(tǒng)接入港區(qū)內(nèi)網(wǎng)，在接收到跑偏信號后，遠程控制電動缸推桿調(diào)整糾偏托輥位置，及時糾正皮帶跑偏，防止物料灑漏。

3.2.4 皮帶防撕裂系統(tǒng)

干散貨碼頭轉(zhuǎn)運貨種種類繁多，部分貨種體積較大且有明顯棱角，對皮帶機沖擊性較強，在長時間作業(yè)過程中，易造成皮帶撕裂，若停機不及時，撕裂部分不斷擴大，會出現(xiàn)嚴重的物料灑漏，對皮帶機造成嚴重損害。

皮帶防撕裂系統(tǒng)由防撕裂拉線裝置和回程落料擋板裝置組成(見圖3)。當存在利物穿透皮帶隨皮帶運轉(zhuǎn)時，利物會拉動皮帶機承載托輥下方設置的防撕裂拉線，皮帶機將自動報警并立即急停，防止皮帶進一步損傷；當皮帶因物料沖擊而破損時，物料會從皮帶撕裂處灑落到回程皮帶表面，灑落的物料推動回程落料擋板擺動，傳感器接受擋板擺動信號，并將信號反饋于皮帶機控制系統(tǒng)，發(fā)出報警并自動急停。通過以上兩種裝置，可在皮帶撕裂時及時報警急停，有效減少皮帶撕裂。

圖3 回程落料擋板裝置

3.3 智能設備監(jiān)護系統(tǒng)

3.3.1 光纖測溫系統(tǒng)

原干散貨碼頭針對流程沿線電纜、驅(qū)動滾筒、減速箱、電機軸承等轉(zhuǎn)動部位因異常磨損而導致摩擦升溫造成的消防隱患問題，主要采用人工檢查方式進行設備巡檢。隨著信息化手段不斷發(fā)展，通過在皮帶流程關(guān)鍵部位安裝光纖測溫設備，并將測溫系統(tǒng)接入港口內(nèi)網(wǎng)，建立了光纖測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時對上百條皮帶流程進行溫度監(jiān)測，出現(xiàn)異常溫度時，系統(tǒng)自動報警，并精準定位異常溫度所在位置，可有效預防現(xiàn)場設備摩擦生熱引起的消防問題。同時光纖測溫系統(tǒng)具備信息儲存分析模塊，可對設備長期溫度變化情況進行分析，獲得設備溫度變化趨勢，為設備更換保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支持。

3.3.2 智能異物檢測系統(tǒng)

干散貨碼頭轉(zhuǎn)運礦石種類繁多，部分塊狀礦石體積較大，在運輸過程中常對皮帶機及轉(zhuǎn)載漏斗造成嚴重的沖擊磨損。為解決大塊異物識別問題，基于智能識別系統(tǒng)與AI分析技術(shù)，建立智能異物檢測系統(tǒng)。設定大塊異物識別尺寸，當皮帶流程中出現(xiàn)大塊異物時，系統(tǒng)自動識別定位，并向巡檢員報警提示，由巡檢員確定是否停機清理，有效提高了大塊異物識別效率，保證了皮帶機安全運轉(zhuǎn)。

3.3.3 智能聲音識別系統(tǒng)

皮帶機轉(zhuǎn)動部位出現(xiàn)磨損、老化等問題時，還會產(chǎn)生噪聲。智能聲音識別系統(tǒng)將聽覺識別技術(shù)與AI分析技術(shù)相融合，通過設定異常聲響的聲波，借助智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺，對皮帶驅(qū)動部位實時監(jiān)測，當出現(xiàn)異常噪聲時，系統(tǒng)自動報警，并定位噪聲所在位置，有效保障了設備的安全運行。

4 應用成效

4.1 降低巡檢員勞動強度

智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)的應用，改變了人員現(xiàn)有的作業(yè)巡檢方式，實現(xiàn)了在監(jiān)控室內(nèi)進行流程作業(yè)監(jiān)護、皮帶流程轉(zhuǎn)換、灑水抑塵開關(guān)、關(guān)鍵設備監(jiān)測等作業(yè)，大大降低了巡檢員的勞動強度，改善了巡檢員的作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了人機分離，避免了巡檢員檢查設備所存在的安全隱患。

4.2 節(jié)省人工成本

通過視頻監(jiān)控巡視、輔助作業(yè)遠程控制(灑水、翻板控制、皮帶糾偏控制)、無人機定時巡視等智能化改造，提高了巡檢員的作業(yè)效率，降低了干散貨碼頭對人力的依賴性，節(jié)省了人工成本。

4.3 提高干散貨碼頭貨物轉(zhuǎn)運效率

智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)提高了流程轉(zhuǎn)換效率，可在設備運轉(zhuǎn)過程中進行安全檢測作業(yè)，提高了干散貨碼頭的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

智能化流程監(jiān)護系統(tǒng)，可提高巡檢員的作業(yè)效率和勞動強度，改善工作環(huán)境，降低干散貨碼頭的人工成本。特別在粘濕貨種(如鋁土、煤炭等貨種)作業(yè)時，1.6 m皮帶機作業(yè)量由改造前的1 800 t/h提高到2 500 t/h以上，貨物轉(zhuǎn)運效率大大提升。