朱海贵，凌云
中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京，210019
摘 要：本文以马钢炼焦总厂集装箱运输智能化环保改造工程为例，探讨集装箱焦炭智能化卸车设备构成和自动化控制方面问题。介绍火车皮改造方式，集装箱结构特点，智能化起重机构成和工作模式，卸车翻转平台构成，焦炭卸料和运输控制，绞车控制，除尘系统构成。重点阐述智能化卸车控制系统组成和操作模式，自动卸车工艺流程。
关键词：集装箱；智能化起重机；卸车翻转平台；控制系统；操作模式；卸车流程
中图分类号：TP273 文献标识码：B
Intelligent Unloading System for Container Coke Transportation
ZHU Hai-gui，Ling yun
(MCC Huatian Nanjing Engineering & Technology Corporation, Nanjing, Jiangsu, 210019, China)
Abstract: Taking the intelligent environmental protection reconstruction project of container transportation in Masteel coking plant as an example, this paper discusses the composition and automatic control of container coke intelligent unloading equipment. This paper introduces the transformation mode of train wagon, the structural characteristics of container, the composition and working mode of intelligent crane, the composition of unloading turnover platform, coke unloading and transportation control, winch control and dust removal system. It focuses on the composition and operation mode of intelligent unloading control system and automatic unloading process
Key words: Container; Intelligent crane; Unloading turnover platform; Control system; Operation mode; Unloading process
引言
马钢炼焦总厂为了响应国家环保要求，控制粉尘污染，解决炼焦总厂第二炼焦分厂干熄焦向第三炼铁总厂运输过程中的扬尘问题，对焦炭运输系统进行装备升级与环保改造。第二炼焦分厂筛焦楼的焦炭在装车楼固定位置装车，用铁路集装箱运输到第三炼焦分厂，通过智能起重机与翻转平台相结合的自动卸车系统卸车，焦炭通过皮带运输至三炼焦分厂筛焦楼焦仓存储，再通过皮带运输至第三炼铁总厂高炉焦仓，实现焦炭环保运输、储存与供料。
中冶华天作为工程总承包方负责工程的设计，土建和钢结构的新建与改造，设备供货、安装和调试工作。本工程智能化卸车系统引入一种可实现定点卸料的集装箱焦炭卸车工艺系统，焦炭卸车系统主要布置在集装箱卸车间，卸车间内部布置有列车平台，卸车平台，物料输送平台[1]以及智能起重机、绞车和除尘系统。
1 集装箱焦炭智能化卸车主要工艺设备布置
集装箱焦炭运输智能化卸车主要工艺设备布置在新建的焦炭卸车间内，卸车间是一个东西向66米长，南北向12米宽，20.8米高的钢结构建筑。铁轨沿东西方向穿越整个卸车间厂房，轨道标高为±0米，铁轨中心线距离南侧A列厂房柱中心线3米，铁轨上设有一台调车绞车，用于将火车皮上面集装箱牵引定位在相应位置。卸车间北侧沿整个厂房布置宽度6.2米，高度为5.3米的混凝土平台，混凝土平台上安装有4个液压缸控制的钢结构翻转平台，用于把集装箱内焦炭倾倒进存储料仓，料仓里的焦炭通过振动给料器均匀落料布放在封闭式运输皮带上，由相关皮带机、转运站、三通分料器和可逆移动带式输送机存放进三炼焦筛储焦楼相应储仓。为了收集和减轻粉尘外泄，在每台存储料仓上面设置有除尘罩和除尘管道与阀门，在皮带的每个落料点后面也设有除尘吸风口和管道与阀门，通过除尘风机和脉冲布袋除尘器将粉尘收集起来。卸车间里面安装有两台集装箱专用起重智能起重机，行车轨道标高16.3米，最大起重32吨。
1.1 火车皮和集装箱
由于马钢焦炭产能不足，长期外购焦炭，采用集装箱运输外购干焦，按照铁路专列模式运行，在专用卸车线卸车，并在全封闭的焦炭库存储，实现了稳定、高效、环保的生产物流组织[2]。
本工程由于是马钢内部两个厂区之间的运输，为了节省成本，马钢利用旧的火车皮进行适应性改造以满足集装箱运输需要。每个车皮可以运输两个集装箱，在车皮的每个集装箱四个角周围安装上窄下宽的固定导位，只要集装箱落在导卫范围内，就可以顺着导卫滑落进原来位置。同时，导卫也起到固定集装箱的作用，防止集装箱在运输过程中出现前后或左右移动。
运输焦炭的集装箱是专门设计的，集装箱外形尺寸：长6058mm，宽2542mm，高3150mm，正常可以装20吨左右焦炭。集装箱上面的四个角专门设计带圆弧的长方形孔，配合起重机专用吊具的旋转挂钩，当行车吊具落在集装箱上面，四个旋转挂钩深入长方形孔内部，挂钩旋转后卡进集装箱的孔里，吊具和集装箱连接起来，可以吊运集装箱。同样在集装箱的底部四个角设计有带圆弧的长方形孔，配合翻转平台上面四个角的专用定位销，把集装箱固定在翻转平台上，防止其翻转时滑动。
集装箱的侧面下部设计有向外打开的门，门的上面通过铰链与集装箱箱体连接，从下面开关门。门两侧安装半圆柱型固定销，配合可以升降的挂钩，将门开闭。集装箱底部靠近门的两侧前后布置开门和关门升降机械结构，通过连杆带动门挂钩上升和下降，进而可以打开或者关闭箱门。为了防止集装箱在运输过程中意外开门导致焦炭大量洒落在铁路上，每个车皮上面两个集装箱门对门布置，因为每个车皮两个集装箱之间理论间隔在70mm左右，即使箱门意外打开也可以减少焦炭外泄数量。
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1.2 调车绞车
在卸车间铁轨上面安装一台调车绞车，用于牵引定位火车皮和集装箱位置。绞车通过钢丝绳牵引，最大牵引力200KN，一台30KW变频电机通过减速机驱动绞盘和钢丝绳拉动铁牛前进后退，绞车速度在0～18米/分钟之间可调。
电机后部安装绝对值编码器，可以实时监测铁牛位置，铁牛挂上车皮后可以知道车皮位置。在铁牛运行轨道的起始和终端位置各安装一个限位开关，起到极限保护和编码器较零作用。
铁牛脱钩/挂钩可以远程控制，利用专门安装在手机上的软件，通过无线通讯方式控制铁牛脱钩或挂钩，同时在手机上显示脱钩或者挂钩状态。进行远程脱钩或者挂钩时，电液推杆电机工作，带动链条和插销升降，完成脱钩或者挂钩动作。远程控制异常时铁牛挂钩或者脱钩也可以现场人工操作。
1.3 智能桥式起重机
卸车间安装两台智能起重机，用于集装箱的吊运。1#起重机在火车皮到1#、2#翻转平台之间吊运集装箱，2#起重机在火车皮到3#、4#翻转平台之间吊运集装箱。
该集装箱专用起重机由大车运行机构、小车运行机构、起升机构、集装箱吊具、电控系统、驱动系统、定位系统、传感器和网络系统等部件组成。大车和小车运行机构各由 2 套电机、减速机和制动器组成。起升机构由1台电机和减速机、2 套钢丝绳卷筒、4 组钢丝绳等部件组成。
集装箱专用吊具由一个20寸吊具框架、2 套锁具开闭机构、2 套翻板机构、4 套滑轮组等部分组成。吊具两侧拐角处带有导向机构，用于将吊具顺利落到集装箱上。吊具的4个拐角各有一个带弹簧的圆柱体，当吊具放到集装箱上，这些圆柱体被集装箱顶升起来，接近开关检测到信号，表示吊具正常放到集装箱上，可以进行闭锁动作。吊具开闭锁用于将吊具和集装箱锁定和解锁，每套开闭锁机构都有两个接近开关检测开锁和闭锁位置。吊具上有绿、黄、红三个指示灯，表示吊具锁打开、落在集装箱上、锁闭合状态。每个翻板上有两个接近开关，一个用于检测翻板收起到高位，另一个用于在翻板在落到低位后，行车大车向集装箱缓慢靠近时检测吊具找到集装箱，此时将大车位置记下，空箱还到火车皮时放在同样位置，同时大车停止运行，吊具下降落到集装箱上。
定位系统由起升定位系统、小车定位系统、大车定位系统等组成，起升定位系统采用绝对值编码器检测控制，小车定位系统采用拉绳绝对值编码器检测控制，大车定位系统采用条码进行检测控制。
起重机具有电子防摇功能，通过模型计算保证吊具在最低点时，起重机在运行过程中摆幅小于50mm，吊点定位精度10mm，摆幅50mm。两台起重机在自动运行过程中有防撞功能，加上电子围栏，保证起重机自动运行时处于安全范围内。
1.4 卸车翻转平台
卸车间北侧5.3米平台上设置两两相对布置的4个卸车平台，用于将集装箱里面焦炭倒进料仓，可实现向两个方向翻卸。卸车平台为固定式布置，最大倾斜角度为40°，采用液压缸进行翻转顶升作业。卸车平台托架为钢结构焊接，上面有集装箱定位机构、放置集装箱的导入机构、集装箱的开门和关门机构、平台翻转机构。
5.3米平台上设置一套集中液压系统，通过管路为翻转平台液压缸提供动力。每个翻转平台有两个液压缸进行集装箱翻转，平台托架左右两侧靠近除尘密封罩前后各安装两个液压缸，配合集装箱的机械机构用于开门和关门控制。每个开门/关门液压缸内置高位和低位接近开关，用于检测液压缸位置，完成顺控动作。翻转平台顶升低位和高位由接近开关控制，同时为了检测集装箱是否正常放到平台上面，在平台的对角线各设置一个接近开关，当行车把集装箱放到平台上，两个接近开关都有信号，代表集装箱正常放到平台上，否则画面报警，提醒操作工集装箱放置时出现异常，需要及时处理。
1.5 卸料、运输和除尘设备
集装箱里的焦炭倾倒进对应的料仓，每个料仓容积约50立方，料仓上方有雷达料位计检测料位，料仓下方布料口通过振动给料器把焦炭均匀布放在运输皮带上。带式输送机宽1200mm，输送能力400吨/小时。各皮带之间经过转运站、三通分料器和可逆移动带式输送机把焦炭输送并存放进三炼焦筛储焦楼相应储仓。
在每个翻转平台料仓上面设置有除尘罩、除尘管道和阀门，在皮带的每个落料点后面也设有除尘吸风口、管道与阀门，通过除尘风机和脉冲布袋除尘器将粉尘收集起来并做到达标排放。除尘管道上安装压力变送器，检测管道负压大小。除尘吸风管道上安装电动阀门，当卸料系统工作时，阀门自动打开，停止工作时，阀门自动关闭。
2 智能化卸车控制系统组成
整个智能化卸车控制系统主要由生产线控制系统、绞车控制系统和智能起重机控制系统组成，每个系统控制各自区域的相关设备，同时系统之间通过以太网进行信息交换，做到无缝链接。
2.1 卸车自动化系统
为了与前期的三炼焦生产线的自动化系统保持一致，集装箱焦炭卸车自动化系统选用和原先一样的罗克韦尔AB 1756-L72系列产品，主要包括：CPU、存储器、局域网接口、输入/输出 I/O 组件、通信接口、电源板等。
在原有的控制系统中新增远程站机架，将集装箱运输智能化卸车相关信号传输至原来的CPU 中，运用原有 CPU 控制集装箱运输智能化卸车。同时系统与两台智能行车进行通讯，控制起重机吊装集装箱至相对应的翻转平台上。自控控制翻转平台、振动给料器和皮带机动作，将焦炭自动运送至筛储焦楼。系统自动控制绞车运行，最终做到绞车、起重机、翻转平台、皮带等设备相互配合运送焦炭。
2.2 绞车自动化系统
绞车控制选用和生产线控制一样的罗克韦尔公司AB 系列PLC，卸车和绞车控制PLC之间通过以太网进行通讯，绞车变频器选择ABB型号。
2.3 智能起重机自动化系统
智能起重机是能完成起重机各种任务并且具有自动操作、可编程功能、人机交互功能和自诊断功能，具有高度灵活性的自动化机器系统。智能起重机有起重机基本功能层、传感器层、信号采集执行层、控制层和人机交互层组成。它具备一些与人相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、系统能力、学习能力以及决策控制能力。
智能起重机选用罗克韦尔AB 1769系列模块L30ER作为主控制器，PLC系统通过以太网、交换机和各远程站、变频器、触摸屏、上位机操作员站等进行通讯和链接。同时智能起重机控制器通过以太网与卸车自动化系统进行通讯，接受卸车自动化系统发来的各种命令，反馈起重机位置、状态和各种生产信息。
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3 智能化卸车操作模式
智能化卸车设备操作主要包括绞车操作、智能起重机操作、翻转平台操作。
3.1 绞车操作
绞车现场设置机旁操作箱，在检修或者异常情况下，可以机旁控制铁牛前进/后退。正常情况下，绞车通过生产线程序自动控制或者操作员站远程手动控制，速度可以自动切换或者人工在画面上设定。
3.2 智能起重机操作
起重机操作可以使用手持式移动遥控器现场控制，实现大车、小车、升降动作和吊具开闭锁动作，满足自动卸车中断或者检修时应急操作。
在卸车间操作室设置有机旁操作箱，上面有触摸屏，可以进行参数设定、模式选择和相关状态显示，主要用于调试、检修或者应急时设备控制。
在中控室设置有一台起重机上位机操作员站，在上面可以选择自动操作或者远程手动微调。正常情况下，起重机选择自动控制，相关动作根据生产线自动化系统的指令和起重机运行步骤分步进行，同时在计算机画面上实时显示起重机位置和当前所处工作步骤。在自动工作期间，如果操作工发现或者检测元件检测到现场工作异常，操作工可以随时中断自动工作，人工在操作员站进行微调动作，直到现场集装箱或者起重机状态满足生产要求再恢复到自动操作。
3.3 翻转平台操作
翻转平台在机旁设有操作箱，可以机旁操作平台翻转和集装箱门开闭，机旁操作是单独硬线控制回路。
开关切换到远程后，翻转平台可以通过操作画面远程手动控制动作。远程自动情况下，当起重机把集装箱放置到翻转平台并且离开后，发出放箱到位信号，卸车程序自动控制箱门打开和平台翻转。待集装箱里焦炭倒进料仓后，控制平台返回水平位置，并关闭箱门。此时卸车控制系统给起重机发出空箱还箱命令，起重机可以把空的集装箱吊回原来车皮位置。
4 自动卸车工艺流程
根据现场实际情况，火车每次拉12节或者10节车皮，现按照通常运输的10节车皮，20个集装箱来描述自动卸车流程。
火车将车皮运送到卸车间入口固定位置后脱钩离开，人工把火车制动气源释放。卸车画面点击自动接车按钮，绞车自动从等待位向车皮方向运行，铁牛和火车皮挂钩后低速回到起始点等待。按自动卸车按钮，铁牛按照卸车工艺流程把车皮拉到相应位置。在铁道上方正对着1#和4#翻转平台前后各设置两个光电开关，用于绞车减速和停止控制。
绞车把车皮按照卸车工艺流程定位到每个设定位置，卸车控制系统向起重机发出吊运相关集装箱命令，起重机把集装箱吊入对应翻转平台并离开后，向卸车控制系统发出集装箱已放入翻转平台，可以进行卸料信号。卸车控制系统完成集装箱卸料并且平台回到水平位置，集装箱箱门关闭后，向起重机发出吊回空箱到车皮命令。起重机把所有空的集装箱吊回放到原来车皮位置并回到初始位置后，向卸车控制系统发出本次卸车结束命令。卸车控制系统按照自动卸车工艺流程控制绞车把车皮拉到下一个卸车位置，重复一个新的卸车流程。直到所有集装箱卸车完成并放回车皮，起重机回到初始位，卸车控制系统通过绞车将火车皮运到空车皮固定位置。绞车铁牛通过人工或者运程无线摘钩后，铁牛自动回到等待位，等着进行下一个自动卸车流程。
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5 结论
本文根据马钢炼焦总厂集装箱运输智能化环保改造工程中卸车分系统，介绍卸车工艺设备布置、智能化卸车控制系统组成、智能化卸车操作模式和自动卸车工艺流程。本生产线于2019年10月份具备手动遥控卸车功能，智能化卸车从11月份开始调试，到12月底初步具备自动卸车功能。后续根据实际生产过程进行程序和参数优化，自动化卸车作业率不断提高，到2020年4月份，国内首条智能化集装箱装卸焦生产线运行稳定[3]，满足了工程和生产要求。
参考文献：
[1] 吕永辉，苏晓亮，范佳. 一种可实现定点卸料的集装箱焦炭卸车工艺系统: 中国，CN201920722126.8[P]. 2020-01-03[2021-05-16].
[2] 高军, 高鹏, 张洪. 集装箱运输焦炭在马钢的应用实践[J]. 安徽冶金科技职业学院学报, 2018, 028(002):35-38.
[3] 余齐斌，李玮，凌云.《国内首条智能化集装箱装卸焦生产线运行稳定》.马鞍山日报, 2020-04-27（02）.
作者简介：
朱海贵（1970-），通信作者，男，高级工程师。主要从事工作：总承包工程试运行。