论文部分内容阅读
[摘 要]神华黄骅港提出了一种远程集中控制系统，攻克了包括翻车机远程翻卸，自动平顶堆料、远程自动取料、空间防碰撞、堆场模型管理系统、急停控制系统等关键技术，将港区堆场单机、翻车机设备、辅助功能系统进行融合入，最终实现远程集中控制生产模式。
[关键词]远程翻卸、平顶堆料、自动取料、空间防碰撞、堆场模型、急停控制
中图分类号：TH199 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0164-02
[Abstract]Shenhua Huanghua port proposed a remote centralized control system， including remote car-dumping， automatic stacking， remote automatic flat， space anti-collision， yard model management system， emergency stop control system and other key technologies， integrate yard machine， dumper equipment and auxiliary function system. It realize the remote centralized control mode .
[Key words]remote dumping， flat top stacking， automatic reclaiming， space anti-collision， yard model and emergency stop control
立项背景
煤炭的高效运输在世界的经济发展中有着重要的地位，对我国的国民经济促进、能源转储战略都有至关重要的作用。但隨着大批环渤海煤炭港口项目的投建，煤炭港口行业竞争日益激烈，提高生产效率，降低企业成本成为当前迫切要求，也是关系到企业存亡的关键所在。从国内范围调研发现看，煤炭港口自动化控制虽然有了长足发展，但在全自动翻车给料、自动平顶堆料，自动取料及集中智能控制方面等关键技术上仍存在重大难点：
鉴于以上问题，在港务公司大力支持下，研发技术人员下定决心研究探索，将生产工艺需求和技术创新相融合，攻破了一系列重大难关，开发出高度集成的现代生产控制系统并应用于企业生产和行业工程建设。
1 系统概述
自动化技术和信息技术的不断发展，为港口集中控制方案的实现带来了先决条件。为了提高工作管理水平，黄骅港开始进行集中控制系统的建设。集中控制系统将过去港口运行流程中各个分离的节点整合到一起，各个流程环节的连接变得更加紧密，显著提升了工作效率。应用IDC（Industrial Data Center）系统为集中控制的实现带来了极大的便利，应用该技术开展总体规划，分层设计。同时应用网络技术将管控系统、轨道衡进行灵活控制，加之对中控系统，堆场洒水系统，设备急停系统，堆场模型管理，无线通讯，视频管理系统等独立系统进行有机融合，形成了一体化管控模式，缩短流程辅助时间，减少操作人员语言沟通环节，建立统一的信息平台，有效的减少了信息传递的错误频次。
2 远程集控系统总体设计
2.1 系统目标
本设计的总体目标为：依靠数字化和智能化系统，通过远程集中控制简化生产环节，节省生产辅助时间，减少生产所需人员设备配置，增强安全保障，最大限度提高生产效率，降低企业生产成本，减少人为决策失误，着力解决吞吐增长乏力，提高企业核心竞争力。
2.2 系统功能
本系统设计包括以下功能：
（1）强化生产堆场管理
将整个堆场按照实际情况进行统一管理，通过堆料机和取料机实时采集数据，对煤堆数据模型进行修订，完成稳定高效的煤垛数据存储，通过SMS煤堆管理平台为单机分配待生产垛位，每台单机和煤堆模型严格一一对应，这样可避免同场取料，避免同时作业造成的煤堆更新混乱，同时避免单机通产作业碰撞风险。
（2）实现设备自动控制
1）翻车机漏斗在作业过程中存在大粉尘、水汽、振动等恶劣环境，造成料位检测非常困难，只能依靠人眼睛观察，准确性差、人力资源浪费严重。每个漏斗的物料高度差异较大，且综合流量反馈存在大滞后、非线性等控制难点，很难实现稳定、准确给料，只能通过人员指挥手动调节漏斗流量，造成效率低下，流量起伏较大。见于此情况，应用雷达和水银装置监测翻车机漏斗料位高度，当漏斗高料位时控制翻车机作业停止，当漏斗料位低位时停止该漏斗给料，保障漏斗在生产作业期间不被放空或冒仓，与此同时翻车机漏斗之间相互配合保证给料总量平稳，实时调整各漏斗给料系数，控制各漏斗料位高度，实现高效给料控制。
2）众所周知，堆料效果的好坏直接关系到取料效果，技术团队提出改变以往尖顶堆垛方式，采用平顶堆垛模式，降低每层高度避免在取料过程中的严重踏跺现象，同时对堆场建立堆场坐标系，有效地通过填充堆场角落空位实现堆场存储能力不降低，
3）取料机应用堆场数据模型作为指导，实现移垛、对垛、取料、归零自动控制，在此过程应用大量的数学计算实现各机构精确控制并实现取料流量的稳定性，通过PID流量控制调节，精准的到边检测和垛头垛尾检测，能够最大限度的提升取料流量，又避免由于垛墙过高而造成钢结构与煤堆刮蹭或者触碰安全拉升现象。
（3）建立有效的安全保护系统。
项目技术人员采用高精度的GPS系统，应用GPS数据解算出各单机行走、回转、俯仰数据，一方面为单机编码器提供数据冗余，另一方面通過构建CPS防碰撞系统，有效的避免单机碰撞发生，另外通过RFID行走系统校验装置进行单机行走位置核对，防止移垛出现偏差。 急停控制系统对每期中控系统和每台作业设备采取远程急停安全保护，该急停保护采取硬线信号连接方式，在控制网络异常，设备运转异常等情况发生时，可有效快速的使现场设备进行断电，结束设备工作状态，从而完成安全保护。
（4）远程集中监控
以往的生产运行操作中，不同设备的操作是在全场不同场所进行的，没有一个统一的平台可以提供不同设备的监控与操作。在集中控制系统中，通过建立统一的导航界面，能够对全场不同区域不同类型的设备进行统一操作监控。所有操作岗位不再局限于单一岗位的操作，在具有相关设备操作权限的情况下，操作员可以对全场任何设备进行操作，操作员不再仅仅是某个岗位的操作员，而是具有全场视野的操作员，为岗位的优化与技能提升提供了基础。
在导航界面，全场设备按照不同区域及设备类型进行了分类，可以非常方便的进入到所要操作或者监控的设备画面中。远程集控系统将操作所需信息平台进行融合，形成设备简单，功能齐全的运行体系。
集中控制操作将原来分散的生产人员进行统一管理，有效分配生产人员工作安排，可灵活增减岗位操作人员，保障岗位操作人员配置恰当，与此同时，生产设备的集中控制有利于岗位间轮换学习，在生产任务低时，可以应用更少的人员操作，保证其他人员有效休息。远程集控技术的应用使操作人员同值班长、技术员的沟通更加便捷，更有有助于生产安排、设备维修等工作高效运转。
2.3 系统硬件结构设计
本系统所需的硬件分别在翻车机、堆料机、取料机、集控室四个物理位置安装。各生产设备安装检测设备、视频摄像头、PLC控制器、GPS移动站等设备，通过以太网、无线网路等通讯手段与模型服务器服務器、中控PLC、IDC服务器、SMS煤堆管理系统、CPS控制系统、生产管控系统以及GPS基准站等设备通讯。现场的所有信息都可以通过远程集控系统各种监控器进行显示，并同时具备操作功能。
2.4 系统软件结构设计，系统软件结构图如图1所示。
（1）翻车机全自动给料程序：将雷达采集的料位信息进行处理，控制各漏斗给料速度及稳定性，实现各漏斗给料合理分配及翻车机的启停控制；平顶堆料控制程序：负责煤料平顶堆积，同时负责采集煤堆坐标系数据传输给SMS堆场管理系统；自动取料控制程序：负责煤垛取料工作，取料流量精确稳定，同时采集现场运行数据传输给SMS堆场管理系统。
（2）SMS堆场管理程序：实现作业堆场分配给指定单机设备，并与管控系统进行校验，避免出现生产错误；煤堆数据模型程序：通过采集的堆料机、取料机数据进行分析计算，实现煤垛变化记录，通过实时的数据更新将煤垛数据传输给堆料机、取料机指导生产作业。
（3）空间防碰撞监控程序：通过RTK-GPS定位系统，服务器采集堆料机、取料机的悬臂三维空间位置，将全港大机的空间位置以三维的界面显示，操作员可以看到各大机的实时位置状态；程序自动计算各大机之间可能发生碰撞的情况，向操作员发出相应大机的报警或停机指令。
（4）FactorytalkSE监控人机界面：包括自动作业、手动作业、报警、机上保护开关显示等画面，集控操作人员根据需要进行人机交互。
（5）中控PLC主程序：作为生产中枢系统，启停场区内设备流程。
3 系统总结
1、堆场模型系统管理：统一规划堆场垛位，对垛位进行有效管理，应用数学计算构建煤堆数学模型，模型能够实时进行数据更新，有效指导堆场单机按计划作业。
2、自动智能控制：高度智能控制方法实现漏斗料位检测控制翻车机自动给料、开创性的进行平顶堆垛、自动取料控制，能够保障生产效率不低于人工操作；
3、可靠地安全保障体系：针对当前堆场无人化情况，安全高精度的空间防碰撞系统，改变原有粗放型防碰撞模式，有效降低了错误信号的发生，同时对单机煤堆防碰撞，行走距离校验，远程急停控制等配套装置提出创新方法，
4、高效集中控制：开发了一种适合自身的操作模式，提出科学的管理方法，合理安排生产流程，严格执行生产计划，灵活的岗位功能，实现了人员和设备的简化，高度集中的中枢系统更有助生产管理决策。
远程集控系统设计与实现，本项目自开始在神华黄骅港务公司进行推广应用，系统运行稳定，实现了减员增效，特别是恶劣天气下的高效率堆料作业，为特殊時期的保电煤运输提供了技术保障。本项目的成功实施取消了机上操作人员，为中国煤炭码头的智能化、无人化建设开创了先河，推动了行业技术进步，为黄骅港、神华集团的科学发展提供了有力支撑。此项系统运行情况良好，经济效益丰厚。
参考文献
[1] 李靖宇，董传博，李长安.翻车机全自动给料系统的设计与实现[J].港口装卸，2010（5）：25-27.
[2] 乔朝起，吕崇晓，闫育俊.黄骅港三期工程中央控制系统设计实现[J].中国港湾建设，2013（a01）：9-14.
[3] 李长安.堆取料机空间防碰撞系统设计与实现[J].硅谷，2012（21）：67-69.
[4] 张有超.平顶垛自动堆料工艺和控制方法[J].港口装卸，2016（4）：16-18.
[关键词]远程翻卸、平顶堆料、自动取料、空间防碰撞、堆场模型、急停控制
中图分类号：TH199 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0164-02
[Abstract]Shenhua Huanghua port proposed a remote centralized control system， including remote car-dumping， automatic stacking， remote automatic flat， space anti-collision， yard model management system， emergency stop control system and other key technologies， integrate yard machine， dumper equipment and auxiliary function system. It realize the remote centralized control mode .
[Key words]remote dumping， flat top stacking， automatic reclaiming， space anti-collision， yard model and emergency stop control
立项背景
煤炭的高效运输在世界的经济发展中有着重要的地位，对我国的国民经济促进、能源转储战略都有至关重要的作用。但隨着大批环渤海煤炭港口项目的投建，煤炭港口行业竞争日益激烈，提高生产效率，降低企业成本成为当前迫切要求，也是关系到企业存亡的关键所在。从国内范围调研发现看，煤炭港口自动化控制虽然有了长足发展，但在全自动翻车给料、自动平顶堆料，自动取料及集中智能控制方面等关键技术上仍存在重大难点：
鉴于以上问题，在港务公司大力支持下，研发技术人员下定决心研究探索，将生产工艺需求和技术创新相融合，攻破了一系列重大难关，开发出高度集成的现代生产控制系统并应用于企业生产和行业工程建设。
1 系统概述
自动化技术和信息技术的不断发展，为港口集中控制方案的实现带来了先决条件。为了提高工作管理水平，黄骅港开始进行集中控制系统的建设。集中控制系统将过去港口运行流程中各个分离的节点整合到一起，各个流程环节的连接变得更加紧密，显著提升了工作效率。应用IDC（Industrial Data Center）系统为集中控制的实现带来了极大的便利，应用该技术开展总体规划，分层设计。同时应用网络技术将管控系统、轨道衡进行灵活控制，加之对中控系统，堆场洒水系统，设备急停系统，堆场模型管理，无线通讯，视频管理系统等独立系统进行有机融合，形成了一体化管控模式，缩短流程辅助时间，减少操作人员语言沟通环节，建立统一的信息平台，有效的减少了信息传递的错误频次。
2 远程集控系统总体设计
2.1 系统目标
本设计的总体目标为：依靠数字化和智能化系统，通过远程集中控制简化生产环节，节省生产辅助时间，减少生产所需人员设备配置，增强安全保障，最大限度提高生产效率，降低企业生产成本，减少人为决策失误，着力解决吞吐增长乏力，提高企业核心竞争力。
2.2 系统功能
本系统设计包括以下功能：
（1）强化生产堆场管理
将整个堆场按照实际情况进行统一管理，通过堆料机和取料机实时采集数据，对煤堆数据模型进行修订，完成稳定高效的煤垛数据存储，通过SMS煤堆管理平台为单机分配待生产垛位，每台单机和煤堆模型严格一一对应，这样可避免同场取料，避免同时作业造成的煤堆更新混乱，同时避免单机通产作业碰撞风险。
（2）实现设备自动控制
1）翻车机漏斗在作业过程中存在大粉尘、水汽、振动等恶劣环境，造成料位检测非常困难，只能依靠人眼睛观察，准确性差、人力资源浪费严重。每个漏斗的物料高度差异较大，且综合流量反馈存在大滞后、非线性等控制难点，很难实现稳定、准确给料，只能通过人员指挥手动调节漏斗流量，造成效率低下，流量起伏较大。见于此情况，应用雷达和水银装置监测翻车机漏斗料位高度，当漏斗高料位时控制翻车机作业停止，当漏斗料位低位时停止该漏斗给料，保障漏斗在生产作业期间不被放空或冒仓，与此同时翻车机漏斗之间相互配合保证给料总量平稳，实时调整各漏斗给料系数，控制各漏斗料位高度，实现高效给料控制。
2）众所周知，堆料效果的好坏直接关系到取料效果，技术团队提出改变以往尖顶堆垛方式，采用平顶堆垛模式，降低每层高度避免在取料过程中的严重踏跺现象，同时对堆场建立堆场坐标系，有效地通过填充堆场角落空位实现堆场存储能力不降低，
3）取料机应用堆场数据模型作为指导，实现移垛、对垛、取料、归零自动控制，在此过程应用大量的数学计算实现各机构精确控制并实现取料流量的稳定性，通过PID流量控制调节，精准的到边检测和垛头垛尾检测，能够最大限度的提升取料流量，又避免由于垛墙过高而造成钢结构与煤堆刮蹭或者触碰安全拉升现象。
（3）建立有效的安全保护系统。
项目技术人员采用高精度的GPS系统，应用GPS数据解算出各单机行走、回转、俯仰数据，一方面为单机编码器提供数据冗余，另一方面通過构建CPS防碰撞系统，有效的避免单机碰撞发生，另外通过RFID行走系统校验装置进行单机行走位置核对，防止移垛出现偏差。 急停控制系统对每期中控系统和每台作业设备采取远程急停安全保护，该急停保护采取硬线信号连接方式，在控制网络异常，设备运转异常等情况发生时，可有效快速的使现场设备进行断电，结束设备工作状态，从而完成安全保护。
（4）远程集中监控
以往的生产运行操作中，不同设备的操作是在全场不同场所进行的，没有一个统一的平台可以提供不同设备的监控与操作。在集中控制系统中，通过建立统一的导航界面，能够对全场不同区域不同类型的设备进行统一操作监控。所有操作岗位不再局限于单一岗位的操作，在具有相关设备操作权限的情况下，操作员可以对全场任何设备进行操作，操作员不再仅仅是某个岗位的操作员，而是具有全场视野的操作员，为岗位的优化与技能提升提供了基础。
在导航界面，全场设备按照不同区域及设备类型进行了分类，可以非常方便的进入到所要操作或者监控的设备画面中。远程集控系统将操作所需信息平台进行融合，形成设备简单，功能齐全的运行体系。
集中控制操作将原来分散的生产人员进行统一管理，有效分配生产人员工作安排，可灵活增减岗位操作人员，保障岗位操作人员配置恰当，与此同时，生产设备的集中控制有利于岗位间轮换学习，在生产任务低时，可以应用更少的人员操作，保证其他人员有效休息。远程集控技术的应用使操作人员同值班长、技术员的沟通更加便捷，更有有助于生产安排、设备维修等工作高效运转。
2.3 系统硬件结构设计
本系统所需的硬件分别在翻车机、堆料机、取料机、集控室四个物理位置安装。各生产设备安装检测设备、视频摄像头、PLC控制器、GPS移动站等设备，通过以太网、无线网路等通讯手段与模型服务器服務器、中控PLC、IDC服务器、SMS煤堆管理系统、CPS控制系统、生产管控系统以及GPS基准站等设备通讯。现场的所有信息都可以通过远程集控系统各种监控器进行显示，并同时具备操作功能。
2.4 系统软件结构设计，系统软件结构图如图1所示。
（1）翻车机全自动给料程序：将雷达采集的料位信息进行处理，控制各漏斗给料速度及稳定性，实现各漏斗给料合理分配及翻车机的启停控制；平顶堆料控制程序：负责煤料平顶堆积，同时负责采集煤堆坐标系数据传输给SMS堆场管理系统；自动取料控制程序：负责煤垛取料工作，取料流量精确稳定，同时采集现场运行数据传输给SMS堆场管理系统。
（2）SMS堆场管理程序：实现作业堆场分配给指定单机设备，并与管控系统进行校验，避免出现生产错误；煤堆数据模型程序：通过采集的堆料机、取料机数据进行分析计算，实现煤垛变化记录，通过实时的数据更新将煤垛数据传输给堆料机、取料机指导生产作业。
（3）空间防碰撞监控程序：通过RTK-GPS定位系统，服务器采集堆料机、取料机的悬臂三维空间位置，将全港大机的空间位置以三维的界面显示，操作员可以看到各大机的实时位置状态；程序自动计算各大机之间可能发生碰撞的情况，向操作员发出相应大机的报警或停机指令。
（4）FactorytalkSE监控人机界面：包括自动作业、手动作业、报警、机上保护开关显示等画面，集控操作人员根据需要进行人机交互。
（5）中控PLC主程序：作为生产中枢系统，启停场区内设备流程。
3 系统总结
1、堆场模型系统管理：统一规划堆场垛位，对垛位进行有效管理，应用数学计算构建煤堆数学模型，模型能够实时进行数据更新，有效指导堆场单机按计划作业。
2、自动智能控制：高度智能控制方法实现漏斗料位检测控制翻车机自动给料、开创性的进行平顶堆垛、自动取料控制，能够保障生产效率不低于人工操作；
3、可靠地安全保障体系：针对当前堆场无人化情况，安全高精度的空间防碰撞系统，改变原有粗放型防碰撞模式，有效降低了错误信号的发生，同时对单机煤堆防碰撞，行走距离校验，远程急停控制等配套装置提出创新方法，
4、高效集中控制：开发了一种适合自身的操作模式，提出科学的管理方法，合理安排生产流程，严格执行生产计划，灵活的岗位功能，实现了人员和设备的简化，高度集中的中枢系统更有助生产管理决策。
远程集控系统设计与实现，本项目自开始在神华黄骅港务公司进行推广应用，系统运行稳定，实现了减员增效，特别是恶劣天气下的高效率堆料作业，为特殊時期的保电煤运输提供了技术保障。本项目的成功实施取消了机上操作人员，为中国煤炭码头的智能化、无人化建设开创了先河，推动了行业技术进步，为黄骅港、神华集团的科学发展提供了有力支撑。此项系统运行情况良好，经济效益丰厚。
参考文献
[1] 李靖宇，董传博，李长安.翻车机全自动给料系统的设计与实现[J].港口装卸，2010（5）：25-27.
[2] 乔朝起，吕崇晓，闫育俊.黄骅港三期工程中央控制系统设计实现[J].中国港湾建设，2013（a01）：9-14.
[3] 李长安.堆取料机空间防碰撞系统设计与实现[J].硅谷，2012（21）：67-69.
[4] 张有超.平顶垛自动堆料工艺和控制方法[J].港口装卸，2016（4）：16-18.