吕强 王向东
神华天津煤炭码头有限责任公司 天津 300000
摘要：为解决堆料机除尘水箱冬季加水的难题，设计定点式自动加水系统。该系统利用行走GPS定位技术实现堆料机的精准寻位，且具有GPS数据和编码器数据实时校正功能。通过建立Message 指令实现堆料机 PLC 与集成水箱控制系统 PLC 之间的数据交换和信息交互，进而控制地面加水管电磁阀开启和关闭，实现基于GPS定位技术的堆料机自动上水功能。经实际应用表明， 该系统性能稳定，能够在复杂环境下实现精确对位和自动上水。
引言
近些年，随着我国环保形势的日益严峻，绿色生产成为港口行业的重要生命线。为了实现国家可持续发展的新目标，生态保护和环境整治的力度逐年加大。能源运输类港口企业也随之面临空前的压力，面对新的挑战，各企业都将清洁生产作为年度的首要任务和核心目标，环保设施和清洁设备投入随之增加。目前港口运输企业普遍具有翻车机干雾抑尘系统、漏斗洒水系统、皮带机清洗及清扫系统、转接塔导料槽药物抑尘系统等等，在这样的环保高压态势下，做为翻卸运输链的末端单机设备堆料机，目前仅有落料口洒水系统可以使用，该系统自动化程度低，抑尘效果不明显，故障率高，已经不能满足当前环保需求，因此迫切需要通过设备改造来提升堆料机的环保抑尘能力，确保在物料运输的每一个环节，都能对粉尘进行有效控制。
1 当前洒水系统现状
1.1当前洒水系统运行原理简介
目前神华天津煤码头在堆场的主要抑尘方式是堆料机的抑尘系统主要采用落料口洒水和雾炮车箱结合的方式。落料口洒水主要是由位于落料口周围的洒水喷头来实现抑尘功能，该系统主要由位于堆料机尾车的储水罐、吸水泵、离心泵、吸水管路、洒水管路、洒水喷头、电磁阀以及位于单机下方行走轨道一侧的蓄水槽等机构组成，该系统的工作原理是：通过吸水泵将位于轨道侧面的水槽中的水吸入位于单机尾车的储水罐中，在到达高液位时停止，当作业需要洒水时，通过离心泵将储水罐中的水吸入落料口周围的洒水管路中，通过PLC程序控制电磁阀来实现洒水喷头的开启和关闭，喷头将水喷洒在抛出的料流表面，起到一定的抑尘效果。
1.2堆料机当前洒水系统存在的弊端
在日常使用过程中，这种洒水系统存在以下几个弊端：
（1）储水罐的容量很小，最大的不超过5T，这样的蓄水量只能满足一列车的洒水需求，蓄水量小这种情况导致了吸水泵需要长时间工作以补充蓄水量，吸水泵的长时间工作会带来寿命降低、故障率高等问题，从而导致堆料机洒水系统的稳定性整体下降，频繁的维修工作大大增加了维修时间和维修成本，从而影响到单机的作业效率。
（2）由于该洒水系统的水源来自水槽，而水槽中的水源长期暴露在堆场环境中，环境中的煤尘和沙砾会污染水源，这种含杂质的水会导致吸水泵损坏、洒水喷头堵塞、电磁阀动作机构卡滞等问题，对吸水泵、电磁阀、喷头的使用寿命带来了严峻考验，对损坏设备的维修会消耗大量物料成本和人力成本，给现场环保工作带来了很大的困难。
（3）该系统在进入冬季气时，由于水槽没有保温设施，自吸泵和离心泵的设备保温又很难达到预期效果，当温度降至零下水槽结冰后，如果继续使用会存在机损的设备隐患，从而整个单机环保设施就处于缺失状态，不满足目前的企业环保要求。
2 悬臂洒水系统结构设计
综合分析目前堆料机洒水系统的缺点和堆场环保要求，洒水系统进行升级改造已经势在必行，新的洒水系统需要具备以下特点：较强的续航能力，稳定的系统结构，能满足冬季需求，增加洒水覆盖面积，增强抑尘效果等，当堆料机遇到煤尘较大的煤种作业时，可以及时开启洒水系统，对堆场抑尘起到良好的效果。
洒水新系统的基本构造是：集成水箱、水箱平台及行走系统、洒水管路、行走定位装置、位于堆场两侧上水管及上水控制箱。该系统的运行原理是：在堆料机行走前端增加一个集成水箱，该水箱集蓄水层、水泵、变频器、控制柜、阀门、保温层为一体，具有自动化程度高、稳定性强、不受温度影响、容量大等特点，在堆场的东西两侧设置两个上水点，PLC程序会控制大机自动去当前位置最近的加水点进行加水，加水完成后，整个洒水系统即可使用。该系统实现了落料口洒水和大臂洒水两种功能，其中落料口洒水系统属于自动控制，当悬皮上有物料时，通过位于司机室下方的激光测距开关检测到料流信号，系统会自动开启落料口洒水系统，当悬臂皮带机料流信号消失，则落料口洒水系统停止，全自动的控制方式，降低了操作人员的工作量，也避免了人工误操作的隐患。大臂洒水系统可以通过集控员远程操作控制大臂洒水系统的开启和关闭，当大臂洒水开启后，位于集成水箱中的三个水泵同时工作，覆盖整个悬臂的喷头喷出抑尘水帘，通过堆料机行走动作就可以对整个场垛进行覆盖式洒水。
2.1 悬臂洒水系统机械机构
定点式自动加水系统主要由供水装置和集成水箱两部分组成。供水装置采用坝基喷枪站作为供水水源，在主管路处引出分支作为加水管。上水管路和阀门均具有冬季电伴热保温设施。当堆场喷枪站不工作时，喷枪站可提供 1.0 MPa 高压中水水源，供水稳定且水质较好，能满足堆料机加水所需压力和水质的要求。
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2.2 供水装置设计
由于每个堆场坝基长约750m，设计安装2个固定加水点可以满足需要，为了保证堆料机在任意位置加水的方便性，设计2个加水点均匀分布于坝基内侧，分别位于250m和500m位置。供水装置主要包括加水管路、电动阀和手动阀等。加水管路由喷枪站主进水管改造而成，电动阀和手动阀共同组成自动加水的执行机构。现场固定加水点见图 2。
图2 现场固定加水点
2.3 集成水箱设计
为了在满足现场需求的前提下，竟可能的缩小水箱平台的面积，减小由于水箱平台的延长对于堆场作业的影响，综合考虑系统设计为集成水箱，该水箱集蓄水箱、控制柜、变频器、吸水泵为一体的集成水箱，水箱尺寸为11m×3m×2.5m，箱体采用304不锈钢材质一次拉伸压成型，保证板材外观平整和密封性。箱体内外两层不锈钢板中间应采用保温阻燃环保材料，保证外部环境温度不传导到泵站内。箱体夹层安装分体科拆卸式点加热板，并设置有温控器，保证水箱在冬季时的正常使用。为了方便维修人员到水箱平台，箱体上加装爬梯及护栏保证安全。水箱外观及内部结构如图3显示。
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图3 集成水箱内外部结构
2.4 水箱附件及加水口设计
在集成水箱顶部安装超声波液位开关，用于实时测量中转水箱液位高度。水箱内部设有温度传感器用来监测水箱温度。在水箱上部安装入水口，入水口外形设计为漏斗型，宽度80公分，防止水从加水口外流洒落。改入水口内部还有一个防尘挡板，在正常状态下，挡板自然垂落封住进水口，防止煤尘进入，当加水时，水压会将挡尘板推开，不影响正常加水过程。
3 电气控制方案设计
3.1 水箱与单机PLC通讯
集成水箱的PROFIBUS模块、PLC可编程器、通讯模块、输入输出模块均采用AB系列产品，保证和堆料机控制系统的通讯方式和通讯协议一致，为了保证水箱控制系统与堆料机PLC的正常通讯，采用网络硬线联接的方式。由于通过网线将2 台 PLC 建立到同一局域网内， 所以通过编写Message 指令就可以完成水箱PLC与堆料机PLC 之间的信息交互。堆料机控制程序中就可以读取到水箱控制相关的液位、温度、压力、水泵启停、电磁阀开关、上水点等所有信号点。有了信号点，再通过编写控制程序就可以对洒水系统进行远程控制，所以建立通讯是完成自动控制的基础，也是最关键的一步。
3.2自动寻找上水点控制系统
为了提高系统的自动化程度，降低操作人员的劳动强度，该系统需要将寻找上水点步骤设计为全自动方式。综合考虑，该系统在自动上水功能中存在几个难点，如何精确定位就是其中之一，由于改造后的水箱进水口尺寸相对于堆料机的行走速度是比较小的，而且还需要大机在停机时惯性和动量，所以如何精准的将堆料机进水口与位于堆场两侧的上水管对准，是一个需要研究的课题。通过分析研究与实践论证，首先通过地面控制箱将加水点的所有控制信号采集到地面接线箱中，然后再通过控制卷筒滑环箱端子排，将信号接入堆料机电气控制室，最终信号被接入PLC控制程序中。信号采集完成后，通过编写堆料机自动上水程序来控制上水的整个过程，其中大机的精确定位是利用GPS行走数值和校正开关双重信号来实现的。当自动加水程序启动后，系统会自动判断离当前位置最近的加水点，程序会赋予大机的行走目标方向及目标值，控制大机向加水点行走。当大车行走至目标加水位置前大约7米时，位于大车下方的接近开关就会感应到位于轨道上的校正块，此时，程序会对加水目标值进行刷新及修正，避免了由于编码器误差导致的定位不准的问题。在距离目标加水点3米时，系统会给大机给定一个减速信号，将大机的行走速度降低，为最终的精准定位做好准备，当大车达到目标加水点位置后停止。其中为了保证定位的精准性，还编写了编码器数据和GPS数据自动切换程序，编码器数据和GPS数据随时进行校对，当系统检测到行走编码器数据误差较大时，会自动切换为GPS模式，保证堆料机行走数据的准确性。经过反复测试，定位误差可以控制在5CM之内。
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图4 GPS定位系统及定位减速开关
3.3 自动上水控制
堆料机自动对位和位置校验过程均为单机动作，由堆料机 PLC 控制，而坝基加水喷枪站由远程 PLC 控制。当对位完成后，位于加水口上方的光电开关和位于加水管上方的反射板会在水平方向重叠，光电开关接收到反射信号，就地控制箱就会控制继电器吸合，从而控制电磁阀开启，高压喷枪管路中的水本身存在1.0 MPa 压力，就会通过上水管注入到水箱内，水箱开始加水，当液位开关检测到水箱2.0m高液位后，堆料机PLC系统就会控制电磁阀关闭，整个加水过程操作员无需手动干预，实现完全自动控制。如遇特殊情况时，操作员远程控制电磁阀进行加水和关闭，如果此时大机进行行走动作，上水电磁阀也会自动关闭，防止水溢出造成水资源浪费和环境污染。为了提高设备的课操作性，该系统还具备就地手动加水功能，现场人员可以通过操作就地控制箱也可以控制电磁阀的开启和关闭，实现自动和手动双重功能，保证了系统的稳定性和安全性。
堆料机自动上水部分控制程序如图5所示。
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图5 堆料机自动上水定位控制程序段
3.4 自动洒水程序设计
改造完成后，如何进一步增加堆场抑尘力度，最大限度的发挥悬臂洒水抑尘作用又成了新的课题，为了避免误操作的情况，确保大臂洒水系统的稳定性，需要编写堆料机大臂自动洒水程序，让堆料机可以在作业完毕后的间隙时间，自动对作业煤垛进行全面的覆盖洒水，使煤垛始终保持一定的含水率，避免刮风起尘现象。该自动洒水程序可以在自动操作界面中开启，当自动洒水选项有勾选时，在点击作业完毕及确认按钮后，系统会默认执行当前料场的自动覆盖洒水程序，具体自动逻辑步骤是：悬皮停止—俯仰上仰至安全上限位（若已到达上限位则跳过此步骤）—悬臂洒水自动开启—大臂回转至90度的同时向近端黄线行进—到达近端黄线位置—向远端黄线行进—到达远端黄线位置（洒水同步关闭）—大臂转至0度归零—自动洒水步骤停止。改程序部分段如图6所示。
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图6悬臂自动洒水PLC程序段
3.5 远程操作界面设计
综合考虑操作人员实际需求和系统的兼容性，该系统远程操作界面采用功能强大的RSVIEW32操作界面，该界面可以显示实时水位、水温、水压、水泵运行状态、电磁阀状态、加水步骤等关键信号点。该操作界面还可以显示堆料机当前行走距离、回转角度、俯仰高度等关键数据，操作员可以设定目标值控制大机各个机构动作。极大的提高了该界面的功能性和便利性。操作界面显示信息如图7所示。
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图7远程操作界面示意图
4 本项目取得的成果
通过堆料机洒水系统的改造，彻底解决了目前港口堆料机洒水系统在冬季不能使用的问题，通过增加大臂洒水系统，也极大的提升了堆料机在物料运输末端对粉尘的抑制能力，该系统还具有可靠性号、续航能力强等特点，该系统也代表了未来几年港口堆料机抑尘系统的发展方向，也为港口运输企业的抑尘环保能力的发展起到了积极作用。
通过改造后，该系统完全解决了之前洒水系统不能在冬季使用的问题，也增加了大臂洒水的共功能，改造后的洒水系统具有以下特点：
一、改造后的水箱容量是原水箱的5倍，减少了上水频次，目前的水箱可以满足四列车的洒水要求，大大提高了洒水系统的续航能力，增加了设备稳定性。
二、改造后的大臂洒水泵和落料口离心泵均位于水箱内，水箱内具有保温系统，不存在设备在寒冷温度下不能使用的问题，从而带来了设备的稳定性和维修的方便性。
三、由于集成水箱自身带有加热模块，在冬季能保证水箱处于正常温度，不存在结冰的问题，上水管路使用的是堆场现有高压喷枪管路，该管路是全封闭的地下管道并且有保温装置，在低温天气下不会结冰，解决了以前冬季不能洒水的问题。
四、由于新水箱的水来自保障部高压喷枪管路，水源比较清洁，杂质较少，根本上解决了电磁阀损坏和堵喷头的问题，增加了整个洒水系统的可靠性。
五、新系统还增加了悬臂抑尘洒水功能。通作业过程中或作业完毕后对煤垛的覆盖式洒水，增加了煤垛的湿度和含水率，很好的抑制了由于刮风扬起的粉尘，为堆场提供了新的抑尘手段。