平頂垛自動堆料工藝和控制方法

張有超

神華黃驊港務有限責任公司

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平頂垛自動堆料工藝和控制方法

張有超

神華黃驊港務有限責任公司

堆料機是煤炭碼頭重要的堆場作業設備，主要功能是將翻車機卸下的煤炭堆存到堆場上，以便取料機進行取料裝船作業。黃驊港一期通過改進堆料機的堆料工藝和控制方法，在國內主要煤炭碼頭中首次實現將堆場的尖頂煤垛改變為平頂煤垛，顯著提高了取料裝船作業效率。

平頂垛； 堆料工藝； 控制方法

1　前言

堆料機是煤炭碼頭重要的堆場作業設備，主要由行走機構、回轉機構、俯仰機構、尾車機構、懸臂皮帶機構等組成。它的主要功能是將翻車機卸下的煤炭堆存到堆場上，以便取料機進行取料作業。黃驊港是我國西煤東運第2條大通道的出?？?，是集礦、路、港、航、電為一體的神華工程的重要組成部分，2015年煤炭下水量達到1.16億 t。黃驊港一期和二期工程各有3臺堆料機，已經于2013年3月全部實現全天候無人值守的全自動堆料。

2　平頂垛自動堆料工藝

2015年10月之前，國內主要煤炭碼頭的堆料機堆出的煤垛都是尖頂垛 ，取料機在尖頂垛進行取料作業時，存在著塌垛現象頻繁、分層較多等問題，嚴重影響取料效率。2015年6月，黃驊港一期堆場自動化項目組為提高生產效率，根據堆場設備特點優化了堆料機自動控制方法和堆料工藝，將堆料機自動堆料方式由行走定點堆料方式改為行走回轉定點折返堆料方式，將堆場的尖頂垛改變為平頂垛。本工藝已經于2015年10月投入生產，在國內主要煤炭碼頭中首次實現將堆場的尖頂煤垛改為平頂煤垛，運行平穩可靠。

本工藝的主要過程如下：

(1)堆料機做行走動作至指定位置。堆料機接收到中控作業指令后，行走到目標堆場。

(2)堆料機懸臂做俯仰動作向上抬至安全高度。這是為了防止堆料機回轉過程中懸臂碰到煤垛或其他障礙物。

(3)堆料機懸臂做回轉動作至指定堆料位置。

(4)堆料機懸臂做俯仰動作向下降至堆料高度。為了減少揚塵、保護環境，堆料機堆料作業時懸臂頭部出料口與煤垛距離控制在5 m以內。

(5)啟動堆料機懸臂皮帶機開始堆料作業。

(6)堆料機懸臂高度根據煤垛高度的增加而增加，煤垛高度達到14 m后，堆料機懸臂高度停止增加。設堆料機開始作業時懸臂頭部位置為A1，當煤垛高度達到14 m時，堆料機開始做行走動作和回轉動作，使堆料機懸臂頭部位置移動至A2；堆料機懸臂頭部位置移動至A2后，停止行走動作和回轉動作，待煤垛高度重新達到14 m時，堆料機再次開始做行走動作和回轉動作，使堆料機懸臂頭部位置移動至A3……以此類推，堆料機在每個堆料點煤垛高度達到14 m后，就通過做行走動作和回轉動作，使堆料機懸臂頭部按照A1→A2→A3→A4→B4→B3→B2→B1→C1→C2→C3→C4→D4→……的軌跡移動，直至堆滿整個堆場(見圖1)。通過如此行走回轉定點折返堆料，即可使堆料機堆出的煤垛為平頂垛。

圖1　堆料工藝

(7)堆料完畢，堆料機懸臂皮帶機停止后，堆料機懸臂做回轉動作至零位。

3　平頂垛的自動堆料控制方法

3.1硬件要求

(1)本工藝需要在堆料機的行走機構、回轉機構和俯仰機構分別安裝編碼器，或者在堆料機上合適位置安裝GPS設備，以獲取準確的堆料機行走距離、回轉角度和俯仰角度數據。目前黃驊港一期3臺堆料機均已經全部安裝編碼器和GPS設備，2套系統獨立運行可以互相對比確定數據精度，同時也可以應對設備故障保證生產不受影響。

(2)本工藝還需要在堆料機懸臂頭部安裝雷達測距儀，用于測量堆料機懸臂頭部到煤垛的距離。目前黃驊港一期3臺堆料機懸臂頭部分別安裝了3臺VEGA雷達測距儀，以提高數據精度并預防故障風險。

(3)除了相關測量設備，堆料機還需要安裝懸臂微波開關、懸臂拉繩、攝像頭等設備，用以保證堆料機全天候無人值守全自動堆料時的安全。

3.2控制方法

(1)建立堆場空間直角坐標系。黃驊港目前已經將一期和二期的所有堆場坐標化，根據堆場的GPS數據建立了一個空間直角坐標系，其中東西方向(堆料機和取料機行走軌道方向)為X軸，南北方向為Y軸，垂直地面方向為Z軸。建立了空間直角坐標系后，堆料機的位置、煤垛的位置、取料機的位置等都可以用空間的一個點來表示。整個黃驊港堆場的坐標化，為平頂垛堆料工藝推廣到二期、實現堆場自動化奠定了基礎。

云工作流引擎的設計目標主要是將工作流引擎從應用系統中解耦出來，形成一個獨立的服務，從而降低系統的耦合性，提供更加靈活的服務支持，實現復雜度可控、獨立部署、技術選型靈活、服務容錯和按需獨立擴展等目標。

(2)建立煤垛模型系統。黃驊港目前已經分別建立了一期和二期的煤垛模型系統，堆料機進行堆料作業和取料機進行取料作業時，都會將相關作業數據信息通過控制網發送給煤垛模型系統，煤垛模型系統根據接收到的堆料和取料作業數據信息，實時進行煤垛模型的更新。煤垛模型系統為堆料機自動移垛、自動對垛、自動堆料作業提供了精確的位置信息，具有非常重要的作用。

(3)煤垛高度的計算。根據黃驊港一期和二期堆料機的機械設計，堆料機懸臂頭部的雷達測距儀安裝為活動性安裝，不管堆料機俯仰角度多少，雷達測距儀都可以在落料點正上方保持垂直向下。設煤垛高度為H1，堆料機俯仰鉸點到堆場地面的高度為H0，堆料機懸臂長度為L，俯仰角度為β(堆料機懸臂頭部高于俯仰鉸點時β為正值，反之為負值)，則可得：

H1=H0+Lsinβ

根據這個方程即可得到實時的煤垛高度數據。

(4)煤垛靜安息角的確定。堆料機自動堆料過程中落料點的范圍是由煤垛高度H1和煤垛靜安息角γ決定的，堆料機懸臂頭部離堆場邊緣的距離S=H1/tanγ。根據煤炭種類不同，煤垛靜安息角也不同。黃驊港一期堆場堆存超過10種煤炭，靜安息角從33°到39°不等。堆料機選擇不同堆場作業時，煤垛模型系統可以給堆料機發送相應堆場煤種的靜安息角。

Z1=Z0+Lsinβ

根據這個方程組，可以將堆料機的行走位置、回轉角度、俯仰角度與堆料機懸臂頭部位置進行相互轉化。

堆料機進行堆料作業時，煤垛模型系統根據目標堆場的堆存情況，向堆料機發一個堆料位置坐標，即圖1中A1點的坐標，堆料機自動控制程序會通過上面的方程組計算出堆料機懸臂頭部在A1點時相應的堆料機的行走位置、回轉角度、俯仰角度，堆料機根據計算出的行走位置、回轉角度、俯仰角度做相應的行走、回轉、俯仰動作，即可使堆料機懸臂頭部到達指定位置A1點。在堆料機進行行走回轉定點折返堆料作業的過程中，堆料機懸臂頭部位置到達指定點位置后，堆料機自動控制程序就會計算出下一個指定點位置對應的堆料機行走位置、回轉角度(第一個點煤垛高度達到14 m以后，在之后的堆料作業過程中俯仰角度保持不變)，待煤垛高度達到14 m，堆料機就會自動做相應的行走、回轉動作，使堆料機懸臂頭部移動到下一個指定點位置。同時，根據堆料機實時的行走位置、回轉角度、俯仰角度，可以計算出當時的堆料機懸臂頭部坐標位置，再加上當時的煤垛高度H1，即可得到當時的煤炭落料點的坐標位置為(X1，Y1，H1)，堆料機自動控制程序通過控制網將落料點坐標位置實時發送給煤垛模型系統，即可建立起該堆場的煤垛模型。

4　工藝效果

(1)平頂垛可以在同等堆場條件下增加場存。以黃驊港一期100 m×48 m堆場為例，按照煤垛靜安息角36°、煤炭密度0.8 t/m3計算：尖頂垛工藝，煤垛高度最高為17 m(實際堆料堆到15～16 m)，場存為24 000 t；平頂垛工藝，煤垛實際高度14 m，場存為27 000 t。

(2)平頂垛可以顯著改善取料機取料時的塌垛現象。尖頂垛高度較高，頂層豎截面為三角形，取料機在頂層取料作業時垛尖塌垛現象較頻繁，容易造成取料機斗輪瞬時過載，發生斗輪堵塞，影響取料效率。平頂垛高度較尖頂垛矮，同時平頂垛頂層豎截面為梯形，取料機在頂層取料時很平穩，幾乎不會發生塌垛現象。

(3)平頂垛可以提高取料機取料效率。一方面，塌垛現象的顯著改善提高了取料機的取料效率;另一方面，黃驊港一期取料機取料能力有3 000 t/h和6 000 t/h 2種，3 000 t/h取料機在尖頂垛取料時需要將煤垛分為4層，6 000 t/h取料機則為3層。煤垛改為平頂垛后，2種取料機取料時都將煤垛分為3層，可以大幅度減少換層時間，減少取料裝船流程空轉時間，顯著提高取料效率。同時，不管對哪種取料機，平頂垛都分為3層取料，避免2種取料機分層沖突。

5　結語

本工藝在黃驊港一期堆場投入生產運行以后，顯著提高了取料機在頂層取料時的取料效率，同時提高了取料機取料的穩定性，為黃驊港取料機遠程操控的實現奠定了基礎，目前已經在黃驊港二期堆場開始推廣。

[1]李長安. 堆料機無人值守智能堆料控制系統設計與實現[D].秦皇島:燕山大學,2012.

The Automatic Stacking Process and Control Methods of Flat-topped Pile

Zhang Youchao

Shenhua Huanghua Harbour Administration Co., Ltd

The stacker is an important operating facility in coal terminal, whose main function is to transfer the coal from the car dumper to the stockyard for the coal reclaiming of the reclaimer to the ship. In the research, the stackers' stacking process and control methods have been improved in the first Phase of Huanghua Port , which firstly achieved the change of the steeple coal pile into the flat-topped coal pile in domestic main coal terminal. Through the practical validation, it shows that this method can significantly increase the reclaiming and shipping efficiency.

flat-topped pile; stacking process; control methods

2016-03-29

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.006

張有超： 061113，河北省滄州市渤海新區神華小區10號樓512室