裝船機自動控制提前上料關鍵技術分析

王 寧

（國能黃驊港務有限責任公司，河北滄州 061113）

0 引言

裝船機是一種具有整機行走、臂架伸縮、臂架俯仰、懸皮機構、溜筒調平及回轉等功能的大型、高效連續裝船機械[1]，是裝船流程中的頭部設備，與流程中的皮帶線、取料機等設備存在聯鎖控制。隨著港口煤炭目標運量的逐年增加，作業密度不斷加大，對提高裝船流程效率的需求越來越大。

當裝船機移艙移泊對艙后，取料機才會開始上料，料頭最多需要8 min 左右才能到達裝船機尾車，最短也需要2 min。因此取料機上料后，裝船機存在較長空閑等待時間。如果對艙完成后再流程啟動，則等待時間更長。因此，存在嚴重的流程空耗問題。

針對上述問題，提出在裝船機對艙的過程中實現取料機提前上料，在裝船機對艙后完畢，料頭即可到達裝船機尾車，最大限度地節約流程時間，提高流程效率。

1 取裝上料流程分析

為保證取裝流程的安全性，裝船機懸皮啟動/停止狀態與上游關聯皮帶機及取料機存在程序聯鎖：

（1）在非移艙請求狀態下，裝船機懸皮停止后，則上游關聯皮帶機及取料機懸皮、斗輪都會立即停機。

（2）裝船機打移艙請求情況下，裝船機停懸皮，地面皮帶機不停機，但上游關聯取料機斗輪停轉。

為保證伸縮驅動的安全及使用壽命，裝船機俯仰機構與伸縮機構存在程序聯鎖：

（1）俯仰35°模式：當俯仰角度大于35°時，臂架伸縮驅動無法激活，不能執行伸縮動作；俯仰角度小于等于35°時，臂架可以伸縮。

（2）俯仰45°模式：當遇到特殊情況時，如受潮水原因影響或船舶剛靠泊，船舶比較高，臂架俯仰角度無法降到35°完成對艙時，可以采用45°模式。

為了保證懸皮驅動及懸皮上料時不發生打滑回溜現象，懸皮啟動與俯仰角度存在程序聯鎖：當俯仰角度小于10°時，懸皮才允許啟動。

2 自動控制提前上料技術研究

2.1 裝船機提前上料技術路線

該港口已實現遠程裝船[2]、智能裝船。在此基礎上，本文主要通過計算取料機料頭到達裝船機尾車的時間，與裝船機移艙剩余時間進行比較，實現提前控制取料機上料。

根據取料機GPS（Global Positioning System，全球定位系統）設備的行走數據，可以計算出BQ 線料流的長度X，帶速v1；BC線長度Y，帶速v2；通過裝船機行走數據計算BM 線料流長度Z，帶速v3。料頭在沿線皮帶經過的時間為T1=X/v1+Y/v2+Z/v3。T1忽略了取料機懸皮、斗輪啟動時間，懸皮料流時間及沿線轉接塔漏斗下料時間，實際料頭到達裝船機尾車時間要大于T1。

裝船機所在位置到目標艙位具備裝艙條件時間記為T2。分別計算行走剩余時間T21和俯仰剩余時間T22，則T2=T21+T22。

在理想狀態下，當T1大于等于T2時，取料機開始取料。裝船機對艙完畢時，料頭正好到達尾車，可以最大限度地節省流程時間。

2.1.1 提前上料程序設定

為了保障提前上料的安全性，設計當T1≥T2+60 s 時，取料機開始取料，在裝船機對艙時間T2的基礎上增加60 s 裕量，為裝船機增加安全保障。T1在計算時已經留有裕量，因此更能保證料頭到達尾車時已滿足裝艙條件。

2.1.2 程序聯鎖優化

提前上料模式下，因存在臂架俯仰角度不滿足懸皮啟動的條件。需對設備的聯鎖邏輯進行優化，取消裝船機移艙請求信號與流程上取料機斗輪之間的聯鎖。即裝船機打移艙請求情況下，流程上取料機斗輪可正常運轉。

2.1.3 增加倒計時監控功能

方便取裝操作員更加直觀使用提前上料模式，在HMI（Human Machine Interface，人機接口）界面增加T1、T2時間的顯示功能。

2.1.3.1 料頭到達裝船機尾車倒計時顯示功能

利用取料機斗輪啟動命令、取料機位置數據計算料頭到達裝船機尾車時間，并根據皮帶機速度進行倒計時，提供較為精確的料頭到達裝船機尾車時間顯示，為取裝操作員提供參考。

2.1.3.2 增加移艙倒計時顯示功能

手動裝船模式下，以臂架抬至最高角度后行走命令觸發，至裝船機對艙完畢且臂架降至作業角度為移艙所需時間，并通過HMI 界面進行顯示。

自動裝船模式下，以自動移艙功能觸發，至對完艙且臂架降至作業角度為移艙時間。系統自動計算移艙時間，并通過HMI界面進行顯示。

2.1.4 提前上料模式自動限量控制

提前上料過程中，為了降低提前上料中斷停機堵斗程度，在PLC 程序中增加聯鎖。PLC 控制系統判斷裝船機懸皮啟動輸出信號是否為0，對取料機進行聯鎖控制。當裝船機懸皮未啟動時，PLC接收信號為0，控制流程上取料機流量自動限制小于4000 t/h；當裝船機懸皮正常啟動后，PLC 接收信號為1，此限制自動取消。

2.1.5 懸皮啟動控制優化

為保證提前上料的連貫性，啟動提前上料功能后，PLC 實時檢測俯仰角度，增加俯仰角度控制懸皮啟動的功能。當臂架角度小于10°時，PLC 自動控制懸皮啟動。

2.1.6 尾車料流檢測改造

在原料流檢測基礎上，增加尾車料流檢測裝置，把好料頭到達裝船機尾車的最后一道關，防止料流埋尾車漏斗或在尾車漏斗處大量撒漏。

2.1.7 增加尾車料流預報警

取料機開始提前上料，料頭到達尾車時間按照T1開始倒計時。當T1≤60 s 時，PLC 檢測到裝船機懸皮啟動信號為0，此時HMI 界面報警，提前上料界面閃爍；當25 s＜T1≤60 s 時，PLC檢測到裝船機懸皮啟動信號為1，提前上料界面閃爍停止，故障復位可清除報警；當T1≤25 s 或尾車料流檢測信號為1 時，PLC檢測到裝船機懸皮啟動信號為0，提前上料流程停止，控制上流沿線設備停機（圖1）。

圖1 尾車料流預報警邏輯

2.2 控制流程

當手動移艙、初始對艙時，可以開始提前上料控制模式，在HMI 界面點擊啟動移艙或對艙按鈕，輸入目標泊位號、艙號，判斷俯仰角度是否滿足移艙高度，當滿足移艙高度開始做行走時開始計算移艙、對艙時間。當T1＞T2+60 s 時，觸發提前上料指令，取料機可以根據控制中心要求開始取料。判斷裝船機懸皮啟動信號，限制取料機自動上料流量。同時，HMI 界面顯示料頭到達尾車剩余時間及移艙剩余時間。

自動裝船時，可以直接通過GPS 直接獲取數據，如裝船機位置坐標、俯仰角度、對艙終點坐標，可以準確地計算出移艙時間，從而控制流程同手動模式。具體控制流程如圖2 所示，其中T1為料頭到達裝船機尾車時間，T2為當前移艙或首次對艙所剩時間。

圖2 控制流程

3 自動控制提前上料實踐應用

通過對裝船機自動控制提前上料的關鍵技術研究分析，在某港口的裝船機進行應用，首先以一條改造流程線R8（R9）—SL6 為例進行概率測算，從上游R8 到裝船機SL6完整流程為R8（R9）—BQ5—BC4—BM6—SL6（表1）。

表1 R8（R9）—SL6 流程

因BQ5 作業時R9 單上概率很小，以R8 作業（R8 單上或R8/9 配煤作業）為例進行測算。按概率統計原理，R8在作業時位置期望為BQ5 皮帶1/2 長度處。按概率統計原理，SL6 位置期望為202 泊位與203 泊位中間位置。基于以上兩個條件，R8 煤料路徑長度為1282×0.5+276+1000=1916 m。

料頭到達SL6 位置所需時間為1282×0.5÷5.3+276÷5.3+1000÷5.3≈352 s。

為了保證安全，預留60 s 提前量，同時考慮提前上料時限量4000 t/h（標準作業6000 t/h 的2/3），則每次提前上料可節約流程時間為（352-60）×2/3=195 s，按船舶為5 個艙，移艙加對艙需要11 次，則作業1 條船可節約作業時間0.6 h。

基于概率統計，SL6 運用提前上料技術，提前上料過程限量為4000 t/h，理論上可為期望泊位節約作業時間0.6 h。

4 結束語

裝船機自動控制提前上料功能已在該港口裝船機上實際應用，節約作業時間效果良好，該功能設計原理及流程控制安全可靠，PLC 編程易于實現，具有較高推廣價值。