黄骅港煤炭码头船舶动态_黄骅港智能堆场研究
作者：陈致远
摘 要：对港口而言，堆场是运营的核心环节，堆场的吞吐能力直接决定着港口能力。而制约堆场吞吐能力的关键点之一正是堆场设备的生产能力。为提高设备能力，减轻工作人员劳动强度，黄骅港进行了堆场设备智能化研究，提出了整套散货堆场自动化解决方案，实现了除清垛外设备的全自动运行。
关键词：自动控制技术；堆场；取料机；堆料机
中图分类号：U653.7 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）02
Abstract: As far as the port is concerned, the storage yard is the key link of operation, and the handling capacity of the torage yard directly determines the port capacity. One of the key points restricting the throughput capacity of the yard is the production capacity of the yard equipment. In order to improve the equipment capacity and reduce the labor intensity of workers, Huanghua Port has conducted a research on the intellectualization of the yard equipment and put forward a complete set of automatic solutions for bulk storage yard, realizing the full-automatic operation of the equipment except for stack removal.
Keywords: automatic control technology; storage yard; reclaimer; stacker
黄骅港是国家能源集团一体化运营中的重要节点，对于保障集团运输链路的畅通起着关键的作用。从黄骅港现状来看，通过大规模扩建来降压提能已不现实，必须立足现状，以科技创新的方式，挖掘潜在能力，缓解生产压力。
国内外关于散货港口能力的研究均指出关键影响因素在于堆场。黄骅港运营经验也证明堆场的确是整个港口运营的核心，因为堆场是港口生产的缓冲点，既要通过对堆料设备的合理利用，最大化满足卸车需求；同时要最大化挖掘取料设备的性能，尽快完成装船作业。可以说，堆场设备的整体性能与协作水平是影响堆场表现的决定性因素，更是提高港口能力的关键因素。
黄骅港堆场设备主要包括堆料机、取料机及堆取料机，负责煤炭的接卸与转运工作。长期以来，堆场设备由人工操作，在长时间作业时，由于劳动强度高，一方面作业效率难以得到保证，另一方面配煤精度也受到相当程度的影响，而工作效率与配煤精度正是体现黄骅港核心价值与下游客户服务质量的关键指标。
因此，黄骅港以堆场设备为研究对象，通过实现堆场设备的自动化作业，在保障设备安全运行的前提下，减少人为因素对生产造成的影响，最终达到提高设备的工作效率与配煤精度的目标。
1 智能堆场系统架构
智能堆场系统的目的是改变现有堆场单机的运行操作模式，实现堆场单机的安全自动作业。在系统设计时，需要优先明确系统细致功能需求以及系统总体结构。黄骅港智能堆场系统主要由 7 个子系统构成：堆场定位系统、堆场模型系统、单机防碰撞系统、堆场管理系统、取料机自动控制系统、堆料机控制系统以及集控系统。系统架构如图 1 所示。
堆场定位系统是智能堆场系统运行的基础。实现堆场全自动运行，需要堆场设备之间相互感知，堆场定位系统通过建立全堆场统一坐标系，全面坐标化堆场垛位与堆场单机。系统运行时，设备间信息传输的不再是传统的行走、回转、俯仰位置，而是以坐标数据的形式，建立了设备间统一的认知标准。
堆场模型系统是智能堆场系统全自动运行的核心。黄骅港生产运行过程中，堆料作业与取料作业相互交叉，实现全自动作业需要堆料作业与取料作业共享料堆信息，堆场模型系统以垛位为单位，在堆料与取料过程中对垛位料堆信息实时建模，提供自动堆料与取料作业所需的准确料堆信息。
单机防碰撞系统是智能堆场系统安全运行的保障。堆场设备全自动运行后，堆场实现无人化，现场设备的运行不再有人监护，因此，需要防碰撞系统对单机运行进行保护，避免单机间出现碰撞等安全事故。
堆场管理系统是智能堆场系统任务管理与生产执行间的桥梁。堆场设备统一纳入智能堆场系统后，管理运行模式同样发生变化，需要有一个中心节点统一为设备分配工作任务，以便于设备的统一调度。
取料机自动控制系统与堆料机自动控制系统是智能堆场系统的运行载体，也是系统开发的关键难点。智能堆场系统对外的体现，即是取料机与堆料机的全自动运行。取料机自动控制系统，在接收到堆场管理系统指令后，自发向堆场模型系统请求数据，并实现从对垛、取料、换层、归零的全自动运行。堆料机控制系统，同样由堆场管理系统管理，在堆场模型系统的指引下，实现自动对垛、堆平顶。
集控系统是智能堆场系统的操作与监控平台。堆场实现无人化运行后，由部分操作人员转移至远程集控室进行作业的监护。集控系统的目的即是实现操作平台的统一，使得操作人员能够从一个地点实现对全部堆场设备的监护管理。
2 堆场定位系统
智能堆场系统涉及到多个子系统间空间位置的实时感知，因此，建立一套标准统一、实时精准、稳定可靠的定位系统是实施智能堆场的前提和首要任务。
2.1 黄骅港坐标系的建立
黄骅港现有三个堆场的方向是一致的，各条轨道之间完全平行。但轨道方向并非正东正西，而是东偏北44.477°。因此选取轨道的方向为X 轴，与轨道垂直与地面平行的方向为 Y 轴，与地面垂直的方向为 Z 轴，建立了黄骅港空间坐标系，如图 2 所示。
2.2 单机定位系统
智能堆场系统在每台单机安装了两套原理不同的定位装置，一套为高精度 GPS 定位装置、一套为绝对值编码器和 RFID 校正装置相配合的定位装置。两套定位系统互为冗余，一套定位系统出问题后可以快速切换到备用定位系统，降低了因定位系统异常造成的停机停产，有效保证了单机安全高效的自动运行。
2.2.1 高精度 GPS 定位系统
智能堆场高精度 GPS 系统基于 RTK-GPS, 在充分利用 RTK-GPS 系统定位精度高、数据实时性好、信号稳定可靠等优点的同时，改变了以往 GPS 数据需要借助服务器解析的模式，通过工业以太网直连 PLC 与GPS，在 PLC 中对 GPS 数据进行解析与坐标转换，极大提高了 GPS 数据获取的即时性与可靠性。黄骅港高精度 GPS 系统拓扑如图 3 所示。
2.2.2 编码器定位系统
智能堆场系统在进行编码器定位系统设计时，从简化系统故障诊断与维护模式出发，采用全以太网模式，单机 PLC 通过以太网连接编码器与 RFID 读写装置。沿堆场轨道方向每隔 10 m 布置 1 个 RFID 标签，当单机行走至标签位置时，系统会自动对比编码器数据与标签预置数据，根据差值大小，分为正常、纠正与故障三种反馈状态，保证了编码器定位系统的正常运行。
3 堆场模型系统
在众多堆场建模方案中，三维激光扫描仪是精度最高的建模方式，但从黄骅港实际情况出发，异常紧张的生产作业使得系统对于模型更重要的诉求是可靠性与效率，一方面三维激光扫描建模易受到大雾粉尘等恶劣环境影响，不能全天候工作；另一方面，作业前后需要对垛位进行扫描建模而额外占用时间，这两方面均是黄骅港无法承受的。为了解决以上问题，黄骅港提出了基于雷达的数学建模方案，在保证全天候工作与效率的同时，通过优化设计满足了系统运行对于模型精度的要求。
3.1 煤堆数学模型计算
如图 4 所示，在堆场坐标系内，以堆料机大臂的起始点所在的位置为坐标原点，以大臂的方向为X 轴正方向；α 为大臂的俯仰角，h 1 为雷达距离煤堆表面的垂直距离，h 2 为雷达所对的煤堆上的点到地面的垂直距离，φ 为煤堆的安息角。
R 为高频雷达，在大机最前面安装了一个调整机构，保证该雷达测试方向垂直向下。在堆料机堆料过程中，物料抛出曲线与物料特性、胶带速度、物料与胶带间的摩擦因数等相关，同时也与大机的动态参量俯仰角度有关，也就是说煤料在地面上的落点是跟踪这些参数动态变化的，参数变了，模型应可以实时校正修改。而基于雷达的建模可以满足实时性的要求。煤料点位置坐标由大量现场试验以及 EDEM 离散颗粒流软件仿真计算得到。雷达的坐标已知，则可以计算出雷达与煤料点之间的水平距离 Δx。
为了测定h 1，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。根据电磁波的传播速度，可以确定
h 1=CT/2
式中：T 为电磁波从雷达发射出去到接收到目标回波的时间，C 为光速。
由雷达的三维坐标和 h 1 可以计算出h 2。通过雷达测量并采样多组数据，应用最小二乘法进行拟合回归便可以求得准确的H。在获得煤堆的数据点云后，便可以建立煤堆的数学模拟模型。
3.2 全天候煤堆建模系统
基于雷达的数学模拟建模数据流如图 5 所示。服务器部署了建模软件及 SQL 数据库。硬件模块 eATM tManager 通过以太网负责 SQL 数据库与各单机控制PLC 之间的数据交互。建模软件通过 SQL 数据库获取现场 PLC 数据，经过算法处理，发给控制单机的PLC，给单机作业提供数据支持。管控中心可远程操控各单机 PLC，并通过 PLC 监测 PLC 与建模软件之间的通讯链路是否正常。局域网用户可凭账号密码远程登录到服务器，进行煤堆模型浏览及参数修改等。
4 单机防碰撞系统
黄骅港有三个独立的堆场，为了更好地保证每个堆场单机的安全运转，同时减少 PLC 程序中的运算量和通信量，每一个堆场分别构建了一个单独的堆场防碰撞系统，每个系统有一个独立的 PLC 控制器 [1]。
单机防碰撞系统采用三级防护机制，根据各个单机的实时位置与真实尺寸构建了三个区域（凸多边形）：机械结构区、禁止侵入区、报警区；根据固有建筑物的所在位置和真实尺寸为其也构建了三个相应区域。免于发生碰撞，还能保护单机与固有建筑物之间免于发生碰撞。三层防护区域如图 6 所示。
4.1 单机防碰撞系统原理
单机防碰撞系统基于分离轴定理设计，充分借鉴了2D 游戏中被广泛使用的碰撞检测方法和算法。分离轴定理只研究两个凸多边形的相交问题，它指出：如果能找到一条轴使得两个物体（凸多边形）在该轴上的投影不重叠，则认为这两个物体不想交。此分离轴就是上面所说的分离超平面的法线。
堆料机和取料机均由臂架、配重、行走回转平台三部分组成，可以抽象成一个凸多边形。由于堆料机的配重、行走回转平台没有与其他单机碰撞的可能，因此将堆料机抽象成一个包含臂架机构的四边形。由于取料机的行走回转机构基本上可以被臂架和配重组成的多边形包含，因此取料机可抽象成一个包含臂架和配重机构的四边形。通过这两种简化就将检测两个复杂的凸多边形是否有重合的问题转换成相对简单的检测两个四边形是否有重合的问题。
4.2 单机防碰撞系统设计
由于堆场单机防碰撞系统需要全天候稳定有效地工作，并且信号传输时间越短越好。普通的服务器稳定性一般，与 PLC 进行数据交互时实时性较差，不能满足防碰撞系统的要求，因此本系统搭建了一套 PLC系统，通过 PLC 编程来实现堆场单机防碰撞保护，很好地满足了防碰撞系统对稳定性和实时性的要求。防碰撞 PLC 系统包括一块 ControlLogix5573 控制器和一块以太网通信模块。堆场单机防碰撞系统程序运行于ControlLogix5573 控制器中，以太网模块通过交换机与各堆料机、取料机 PLC 以及上位机 HMI 相连，实现数据交互和操作控制。防碰撞系统网络示意图如图 7 所示。
由于每台单机只能在固定的轨道上移动，不相邻轨道上的单机没有碰撞可能。并且相邻或相同轨道上的单机距离 150 m 以外也不存在碰撞的风险。因此为了减少程序的运算量，在程序中先判断两个四边形是否属于相邻或相同的轨道，当判定属于相同或相邻轨道时，再判断两台大机回转中心的距离是否小于 150 m，只有上面两个条件都满足时才继续应用分离轴定理去判断是否有重合区域。本优化大大减少了程序的运算量，提高了解算速度，有效避免了由于解算过慢导致的响应延迟，提高了保护的精确度和及时性。
5 堆场管理系统
智能堆场的运行离不开高效的堆场作业管理，在堆场作业管理中要求对垛位进行严格的分配，黄骅港为减少单机碰撞故障发生，堆场采用作业单机与煤堆一一对应原则，避免同场作业发生，同时为了有序管理煤堆模型，堆场作业分配也必须严格要求，否则在堆料和取料过程中对煤堆模型的建立将会混乱，无法保证自动化生产有序进行。
SMS 在堆场管理系统可进行堆场数据管理，黄骅港对每条堆场进行垛位划分，可根据生产要求调整堆场长度，为保证取料机生产正常运行，每个垛位间距为12 m，这样在取料过程中臂架回转将不受煤堆影响，而垛位长度将由实际生产要求设定。堆场单机只有被分配好有效垛位之后才能进行生产作业。
6 取料机自动控制系统
取料机自动化系统是智能堆场系统开发的难点。因为智能堆场系统建模为数学建模，出于全天候实时建模的原因，未采用三维扫描方案，虽然建模精度已能满足需求，但需要开发相应的取料控制关键技术，以实现取料机的高精度作业。为此，在取料机自动化系统中，开发了基于多重检测的控制技术，应用于取料作业关键环节中，具体包括对垛、换层、到边检测及流量控制，采用的检测装置为广泛应用于工业场景的高频雷达与压力传感器。其中取料机到边检测采用三重保护技术，分别是实时料堆高度检测、雷达检测以及到边位置限制。在回转取料过程中，控制系统根据斗轮压力、回转速度、进车距离等数据实时计算当前取料位置料堆高度，只有计算出的料堆高度低于阈值，并且安装在臂架两侧的雷达探测出前方无物料时，才会发出预到边信号。从安全角度出发，在检测到预到边信号后，系统并不会认为已经到边，而是要检查此时取料机所处的位置是否已在标准垛垛边位置或模型系统计算到边位置附近，只有在满足此条件的情况下，系统才会认为已经到边，否则将继续回转。
7 堆料机自动控制系统
国内主要煤炭码头堆料机或堆取料机堆出的煤垛都是尖顶垛，以黄骅港堆场为例，为充分利用场存，48 m宽的堆场尖顶垛高度达 17 m，取料机在尖顶垛第一层进行取料作业时，塌垛现象频繁，取料流量极其不稳定，严重影响取料机的取料效率和配煤效果，而且 6 000 t/h取料机和3 000 t/h取料机分层情况不同，也影响取料效率。
为解决以上问题，黄骅港智能堆场系统对堆料模式进行了更新，由尖顶垛变平顶垛，黄骅港48 m宽的堆场，堆出的平顶垛高度为 13.5 m，平顶宽度大约为 10 m，6 000 t/h 取料机和 3 000 t/h 取料机都分为三层取料，且在第一层取料时，不存在塌垛现象，取料流量稳定，极大地提高了取料机的取料效率和配煤效果。
堆料机自动化系统的主要功能是实现自动平顶堆料，平顶堆垛技术采用行走回转折返堆料方式，堆料时不再是东西方向移动，而是通过对堆料机行走与回转位置的精确控制，使其与坐标轴平行，在南北方向上移动 [2]。堆料步进如图 8 所示。
8 集中控制系统
智能堆场集中控制系统作为一个虚拟化平台，包含软件和硬件两部分，软件系统采用 Vmware Vsphere 虚拟化软件，Vmware HorizonView 连接服务器，罗克韦尔 FactoryTalk View 7.0 网络版 HMI 软件，FactoryTalk Historian 历史数据记录软件，FactoryTalk Asset Center资 产 管 理 软 件， 搭 配 Windows Server 2008 R2 与Windows Server 2012 域控制器以及零客户端管理软件PCoIP Manager；硬件系统由四台 Cisco UCS C240 服务器、两台 Cisco 3750 交换机、两台 EMC Vnxe 3150 存储系统及 Zero Client 构成。
8.1 系统硬件架构
集中控制系统硬件由虚拟环境及远程控制终端构成。虚拟环境具体包括物理服务器、统一存储及交换机。系统硬件架构如图 9 所示。
集中控制系统中虚拟机由运行在 VMware Esxi 平台上的四台物理服务器托管，客户虚拟机可运行于任何Esxi 计算节点。正常运行时，三台物理服务器即可满足系统需求，任何一台物理服务器发生宕机时，虚拟机将会在另外一台物理服务器自动重启，即单一节点的故障不会造成系统整体失效。
统一存储为基于存储区域网络（SAN）的 RAID 5 磁盘阵列。型号为 EMC Vnxe 3150, 采用双控双活机制，且与物理服务器之间采用冗余网络连接，任何一台存储控制器或交换机宕机，均不会对存储性能产生影响。
8.2 系统软件架构
系统软件主要包括虚拟化环境管理软件、Windows域控制器、FactoryTalk 系列软件。
虚拟化环境管理主要由 vSphere Esxi、VMware vCenter、Horizon View 三部分构成。虚拟化环境是系统运行的基础平台，实现虚拟机的创建、管理，以及远程桌面的发布。
Windows 域管理系统由 Windows Server 2012 系统搭建，域名为 hhgproduction，负责集控系统用户账户统一管理，并继承 DNS 与 DHCP 功能。集中控制系统中全部虚拟环境管理及 FactoryTalk 应用账户均为域账户，系统管理员能够有效对系统准入权限进行管理。
集中控制系统中应用的 FactoryTalk 系列软件主要包含 FactoryTalk View Site Edition、FactoryTalk Historian、FactoryTalk AssetCenter。其中 FactoryTalk View Site Edition 用于构建分布式 HMI 服务器与客户端系统，即操作监控界面；FactoryTalk Historian 为历史数据库系统，用于集中控制系统中关键数据的历史记录；FactoryTalk AssetCenter 为资产管理系统，用于集控系统PLC 程序的存档管理。
9 结语
黄骅港共有三个堆场区域，26 台单机，目前，除R0 外其他 25 台单机均已投用。智能堆场系统自投运以来，显著降低了人员劳动强度，提高了作业稳定性与精度，总作业效率提升约 7%，有力增强了黄骅港的一体化服务能力。
黄骅港堆场区域设备操作人员原配置为单班30人，四班共 120 人，智能堆场投用后，只需单班 6 名，四班共 24 名操作人员在集控室进行远程作业监控，在降低劳动强度的同时，极大地优化了人员结构。
黄骅港智能堆场自建成以来，受到了国内相关单位的广泛关注，已成为国内散货码头自动化的标杆，对于提升国内散货码头自动化程度、提高生产效率具有显著的积极意义。系统可推广应用于国内其他散货码头。
参考文献
[1] 刘永昌 . 基于分离轴定理的堆场防碰撞系统设计 [J]. 科技传播 ,2015(10):131,132.
[2] 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.
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