散貨堆場單機智能化生產作業操作系統研究

亢學功，呂崇曉

（1.華能曹妃甸港口有限公司，河北唐山 063200；2.中交機電局第一工程公司，天津 300452）

引言

隨著智慧港口建設的加速推進，港口作業自動化程度不斷提升。散貨堆場單機智能化生產作業操作系統，主要用于實現堆場上堆料機、取料機全自動化操作，可細分為堆料機智能化生產作業系統、取料機智能化生產作業系統、單機CMS 系統（單機設備管理信息系統）、單機定位及防碰撞監控系統、堆場垛堆掃描系統等。各系統獨立工作，自動高效地完成堆取料作業，并在后臺實現數據共享，達到協同管理的功能。同時設備的安全性和穩定性大幅提升，實現減員增效、提升作業環境的目的。以下對各單機系統進行說明。

1 堆料機智能化生產作業系統

堆料機智能化生產作業系統可實現堆料機在無人操作的情況下，全自動完成堆料作業中的所有指令，如自動尋垛對垛、自動卸料移堆等工作。該系統以上位機操作界面的形式安裝在中控室卸堆作業監控室終端上，采集現場堆料機上的設備信號，并進行遠程控制，可實現多臺堆料機的同時監控。堆料機智能化生產系統執行指令在堆料機原有PLC控制程序基礎上實現，控制程序指令獨立編寫入堆料機PLC 內，并在堆料機被選定為全自動模式下處理執行，同時與中控室實時通訊，由中控室遠程監控作業狀態并可以隨時介入干預自動化作業。

2 取料機智能化生產作業系統

取料機智能化生產作業系統可實現取料機在無人操作的情況下，全自動完成取料作業中的所有指令，如自動尋垛對垛、自動分層取料、自動移倉停取等工作。該系統以上位機操作界面的形式安裝在中控室取裝作業監控室終端上，采集現場取料機上的設備信號，并進行遠程控制，可實現多臺取料機的同時監控。該取料機智能化生產系統在取料機原有PLC 控制指令基礎上實現，控制程序指令獨立編寫入取料機PLC 內，并在取料機被選定為全自動模式下處理執行，同時與中控室實時通訊，由中控室遠程監控作業狀態并可以隨時介入干預自動化作業。

3 單機CMS 系統（單機設備管理信息系統）

一套完善的單機CMS 系統解決方案，是能夠順利實現全自動化操作的關鍵環節。

單機CMS 系統基于C#和JAVA 語言開發，采用單機上C/S 架構部署、遠端B/S 架構部署。主要實現功能是采集、存儲、顯示大機的各個機構運行狀態、相關雷達料位、北斗定位系統、PLC 指令、遠程控制指令、故障報警信息等相關數據，并通過本地處理，生成與單機相關的作業信息、傳感器采集信息、作業計量信息、故障信息等，系統后臺通過采集到的信息，可以在系統中查閱出一段時間內的作業數據曲線、查詢歷史報警記錄和操作記錄等進行顯示，同時也有數據交互、按鈕操作等系統功能，協助司機或技術人員完成對大機的各種監控及相關操作。

單機CMS 系統硬件設備分別布置在司機室和電氣室內，設備間通過機上通訊，實現數據共享和存儲記錄。

司機室監控系統，包括一臺15 寸工業級觸摸屏一體機，通過以太網通信，與單機電氣室中的工控機中的相關信息進行交互，形成一套可完整監控單機運行狀態的本地CMS 系統。

4 單機定位及防碰撞監控系統

堆場中作業單機的碰撞事故，是港口生產中最大的安全生產風險源之一。一旦發生該事故，將會造成操作人員傷亡，單機設備損毀等重大損失。實現堆場單機智能化生產作業的前提，就是需要一套安全、可靠、智能化的單機防碰撞監控系統。單機防碰撞監控系統，分別由主動式防碰撞和被動式防碰撞兩套系統組成，兩套系統分別運轉，可全方位的為各單機提供安全可靠的防碰撞功能，確保智能化生產的穩定高效。

4.1 基于毫米波雷達的主動式單機防撞監控系統

在堆場單機上安裝毫米波雷達，采用多普勒原理，快速掃描被測物體，生成與被測物體間距離、速度關系，通過算法系統實現與被測物體間防碰撞預警和報警停機功能。該系統優勢，毫米波雷達掃描速度快（每秒17 次），測量距離遠（可達250 m），對復雜環境目標檢測迅速，設備安裝可靠等。單機上安裝的毫米波雷達可即時將測量數據傳送回單機的控制系統中，并在單機的控制系統中做判斷，主動發出報警停機的指令，無需外部系統干預，獨立運行。

由毫米波雷達組成的防碰撞監測系統，可實現對潛在的空間碰撞物體的識別，并直接與單機的操控系統進行對接，無需過多分析和處理即可發出防碰撞指令，實現主動單機防碰撞監控系統功能。

圖1 毫米波雷達檢測距離及波束角

4.2 基于北斗衛星定位系統的被動式單機定位及防碰撞監控系統

為實現堆場上各軌道梁上的單機精確定位及防碰撞功能，并為單機全自動化堆取料作業提供定位指導，提供單機防碰撞預警和報警停機的功能，單機上設置采用RTK（實時動態）差分定位技術的北斗衛星導航系統。該定位系統的優勢在于，定位精度高（動態定位精度可達到≤±5 cm），系統響應快（≤5 ms），穩定性能好等。在中控室部署防碰撞監控系統后臺，可實時采集現場單機上的定位數據，由防碰撞算法實現對單機的運動狀態進行監控，并對中控操作人員和各單機發出碰撞預警和報警停機的指令。

圖2 北斗系統拓撲結構

圖3 堆料機定位設備布置

圖4 取料機定位設備布置

該系統硬件，由在地面固定位置布設的北斗衛星基準站與在堆場單機上安裝的北斗衛星移動站，和中控室布置的應用服務器和監控功能軟件以及終端操作系統組成。單機移動站上的定位數據，由單機上搭載的工控機采集，并形成數據庫，中控室防碰撞系統服務器讀取單機工控機中的定位數據庫，防碰撞系統通過讀取到的單機定位數據，進行防碰撞建模運算，對堆場內，存在碰撞可能性的單機進行實時監控和碰撞預判，同時對碰撞風險高的單機，發出預警信息，對即將發生碰撞的單機，發出報警和停機指令。該系統服務器還可將單機的定位數據通過指令接口，與單機智能化生產作業監控系統、生產調度管理系統、數字料場管理系統、CMS/RCMS 系統分享數據。建立一個統一的測量用坐標系，是確保堆場單機設備自動化作業的基本前提，基于北斗衛星導航的高精度定位系統，將為整個港口內的設備定位提供基礎保障，并可以使所有的作業規劃均在統一路徑中實現，確保系統的完整性和實施的可行性，并一次性解決了其他系統設備對定位數據和精度的需求。

4.3 基于RFID 射頻掃描識別的定位校正系統

目前在單機上用于提供定位數據的有絕對值編碼器、北斗衛星定位系統，均可實時提供單機的行走、回轉、俯仰數據，兩套定位系統獨立運行，數據各自處理。但都存在誤差和數據丟失風險，如絕對值編碼器在使用中產生的累計誤差，北斗衛星系統丟星產生的誤差等。需要一套定位校正設備，用于對兩套定位系統的數據校正和提高精度，使系統運行的更穩定可靠。

圖5 定位校正系統結構

在每臺單機上安裝一套RFID 射頻掃描識別系統，該系統由RFID 射頻控制器、RFID 射頻讀取頭以及連接線纜構成，此外還包含在地面定點布置的RFID 射頻數據載碼體。在軌道梁或皮帶機架，每10m 固定安裝一個RFID 射頻數據載碼體，將該安裝點的位置數據寫入，由單機上的RFID 射頻讀取頭，讀取到位置數據，并通過RFID 射頻控制器與單機的工控機進行數據交互，單機將讀取到的定位數據與絕對值編碼器、北斗衛星定位系統進行比對，發現誤差時進行強制校正。同時在單機的回轉位置也安裝RFID 射頻數據載碼體，將單機臂架與地面皮帶機對中、單機臂架與地面壩基防撞、單機臂架與地面皮帶機垂直等特定位置進行標記，減少回轉位置類似功能限位的安裝，同時可以對回轉絕對值編碼器和北斗衛星定位數據進行校正。

5 堆場垛堆掃描系統

為實現對堆場內的貨物進行數字化管理，建立一套完整的數字化堆場貨物管理信息系統，需要對堆場中的煤垛變化實時監控，并可以在中控室內通過三維模型掌握現場料堆的變化，從而指導單機自動化生產作業，同時可增強堆場庫場管理功能。要建立一套可視化堆場料堆管理系統，首先要實現對堆場料堆的掃描，其次通過掃描獲取的數據，由后臺服務器運算建模，生成可視化堆場模型，同時結合生產作業管理系統的相關數據，將完善堆場料堆的信息，從而可以為單機的自動化生產提供直觀的指導。

5.1 單機垛堆掃描掃描系統

在單機上安裝垛堆掃描裝置，用于實現在單機上完成對作業區域的垛堆進行掃描，并將采集數據回傳至中控室的處理服務器上。單機上安裝的掃描裝置有兩種，一種為高頻料位雷達，一種為毫米波雷達。高頻料位雷達檢測距離為0～120 m，誤差為 ±5 cm，測量反應時間≤50 ms，抗干擾效果優異。此雷達在煤炭筒倉、堆/取料機上，用于料位檢測均有長期的成熟使用案例。除料位雷達以外，毫米波雷達可對料堆實現面掃描，掃描距離可達250 m，在70 m 測量距離內波束角為80°，精度誤差在±10 cm，測量響應時間≤10 ms。兩套掃描裝置均可在單機作業中實時的對料堆進行掃描，并通過單機工控機回傳至中控室數字化料場管理系統服務器上。掃描數據互為補充，為料堆建模提供數據保證。

圖6 堆料機懸臂頭部料位檢測布置

圖7 取料機懸臂頭部料位檢測布置示意

圖8 取料機懸臂頭部料位檢測布置示意

6 結語

單機智能化生產作業操作系統作為堆場單機全自動生產的核心，實現了單機設備的無人化作業。該系統與生產作業調度管理系統、翻車機自動化給料系統、皮帶機流程自動化操作系統緊密結合，實現了整個港口裝卸工藝設備的智能化生產作業。