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国内外堆取料机现状及智能化发展趋势分析

作者:责任编辑 / 发布日期:2017-06-08 / 来源:矿山机械
1 国内堆取料机发展历程

  国内堆取料机的发展起步较晚,与国外相比大约相差 10 ~ 20 年,经历了从自主研制、引进技术与合作生产、联合设计与消化吸收、自主创新的发展过程,其发展经历了以下 3 个阶段:
(1) 第一阶段 20 世纪 60 ~ 70 年代,国内开始自主设计小型堆取料机,如 3025 型和 5030 型;1966 年大连工矿车辆厂设计了中国第一台 DQLK1200/ 2000.30型斗轮堆取料机,并于 1968 年在攀枝花钢厂投入使用。
(2) 第二阶段 20 世纪 80 ~ 90 年代,中国开始改革开放,引进国外先进技术,合作制造,这是堆取料机的繁荣时期。这一时期,国内许多重点工程项目采取整机进口方式,引进了不同型号的堆取料机,宝钢一期从日本引进了 19 台堆取料机,广东沙角电厂一期从英国引进了 1 台堆取料机。同时,由于这一时期国内堆取料机设计技术尚不成熟,因而许多重点项目均由国际著名公司进行设计,由国内相关企业分包进行钢结构制造,如秦皇岛港煤二、三、四期的 6 000t/ h 取料机、青岛前湾港以及石臼 (日照) 港,都有大规模的合作制造设备。这些在当时是能力最大、技术最先进的设备,其技术分别来自日本、德国等先进国家。在这一时期,我国相关企业通过与国外公司较长时间及多种不同形式的合作,积累了经验,设计、制造与检验水平有了很大进步。20 世纪 90 年代末,我国已具备了自主设计开发大型堆取料机的能力。
(3) 第三阶段 进入 21 世纪,随着国内煤炭需求量的增大及北煤南运的需要,国内大型堆取料机的需求量越来越大,这为国内堆取料机厂家提供了很好的发展机会。这一时期,国内的堆取料机设计制造能力已经与国外发达国家相当。其设计水平、制造质量、产品的性价比,基本可以满足国内用户的需求,完全可以取代国外进口的同类产品,因而这一时期国内大型堆取料机的供货基本由国内厂家承担。如秦皇岛港媒五期工程及黄骅港煤码头工程、曹妃甸码头工程等国家重点工程项目,其堆料机和取料机全部由国内厂家自主设计制造,堆取料机能力已达到 15 000 t/ h。另外,宝钢马迹山港的堆取料机还实现了无人化作业。
  随着技术水平的不断提高,国内堆取料机已开始走出国门,进入国际市场。如大连重工·起重集团有限公司已将堆取料机出口到巴西、澳大利亚、莫桑比克及阿根廷等国家,其中出口巴西的取料机设计能力已达到 11 000 t/ h,是当时我国自行设计的最大取料机,并具有远程控制功能。

2 国外堆取料机的发展趋势

  自 20 世纪 50 年代开始,国外就采用连续堆取料工艺取代抓斗、铲车等低效率设备,堆取料机开始在散货搬运工作中起着重要作用,并不断发展壮大,其发展趋势是大型化和智能化。推动堆取料机的发展主要有以下 3 个因素。
(1) 冶金工业的快速发展推动了堆取料机的大型化 随着世界经济一体化的发展,发展中国家的钢铁需求量越来越大,因此矿石在各国间的输送量也越来越大,矿石的年贸易量将增至 20 亿 t[4],矿石开采、储藏、运输等行业也随之发展起来,这些行业对大型堆料机、取料机的需求量也越来越大,而且对大型堆取料机的能力和控制水平的要求也越来越高。目前,SANDVIK 公司设计的取料机能力已达到 20 000 t/ h,并能设计更大能力的堆取料机。
(2) 海上运输船舶大型化推动堆取料机大型化 矿石运输业为了追求更大的经济利益,船舶载质量越来越大。目前,巴拿马型散货船载质量为 6.0 ~ 7.5 万t,好望角型散货船载质量为 15 万 t,目前最大的散货矿砂船载质量已达 40 万 t。随着船舶载质量的增大,堆取料机的能力也在不断提高。散货船在港停泊时间的长短,不仅影响船舶周转的快慢,而且影响泊位的利用率,以至影响港口通过力的大小,因而直接影响港口的经济效益。一般散货船要求在港停泊时间不超过 48 h,为满足这一要求,港口散货料场的堆取料机越来越趋于大型化。
(3) 料场整体效率要求堆取料机智能化 堆取料机作为料场系统的一个单元,其整机工作效率对整个料场流程的运行效率起着关键性作用。对料场的所有设备而言,翻车机、带式输送机、装船机和卸船机比较容易实现自动化,但堆取料机尤其悬臂斗轮堆取料机实现自动化的难度非常大,因此,要实现料场系统的全面自动化,关键是堆取料机的自动化。如果堆取料机能够实现自动化,则整个料场系统的自动化就很容易实现,就可提高料场生产效率,减少污染,降低成本,减少故障率,保证港口料场系统的高效运行。

3 国外堆取料机智能化发展过程

  国外堆取料机与国内情况一样,目前有 3 种运行方式:手动运行、半自动运行以及全自动运行。
3.1 手动运行方式
  机上设司机室,司机手动操作手柄和按钮进行堆取料作业,这是早期堆取料机普遍采用的运行方式,随着技术进步,这种方式将会越来越少。
3.2 半自动运行方式
  机上设司机室,司机在司机室或在中控室设置运行参数,堆取料机按照设置的参数自动进行作业,在作业过程中,司机可根据料场形状等实际情况进行必要的干预。
3.3 全自动运行方式
  堆取料机上不设置司机室,堆取料机作为整个料场系统的一个运行单元,按照中控室的指令进行全自动作业。在作业过程中,依靠设备自身的传感器和管理系统识别料堆,通过程序控制,完成堆取料作业,这类堆取料机具有自动诊断故障和自我保护的能力。在料场系统中,堆取料机就像一个机器人一样,按照指令自动从事堆取料作业。这种方式是堆取料机的发展趋势。
  从 21 世纪开始,澳大利亚、德国和日本就在堆取料机上进行了无人化的尝试,如澳大利亚的黑特兰港、日本的新日铁株式会社、德国的汉莎港。堆取料机智能化大体有 2 种方式,一是以日本为代表的远程控制方式,二是以德国为代表的全自动方式。
(1) 远程控制方式 远程控制方式是指作业人员在中控室中进行控制,发出指令,堆取料机按照指令进行工作,在堆取料机工作过程中,作业人员可在中控室进行监控和干预。在这种控制方式下,堆取料机至少具备半自动功能。如果料场系统很大,有多台设备的话,人工远程干预将不易实现,因此,该方式一般用于电厂料场设备很少的情况下,如日本北陆电力大田七尾发电所就采用这种方式。
(2) 全自动方式 全自动方式是一种更智能的模式,在这种模式下堆取料机能自动识别料堆、自动寻址定位、自动作业,操作人员在中控室中通过监视器观察整个料场的设备自动运行情况。德国的汉莎港和荷兰的鹿特丹港都采用这种方式。

4 堆取料机智能化运行的必备条件

4.1 料堆形状识别功能

  由于堆取料机所针对的操作对象是散料,形状不固定,要想实现全自动操作,首先必须能够识别料堆形状,能否有效识别料堆形状是实现全自动运行的关键。目前最有效的手段是采用 3D 激光扫描技术,它是通过发射激光束到物体表面再反射回来,从而测定物体的距离,再通过x - y 轴的伺服旋转将各个激光测点组成 3D 的点阵坐标数据库,从而实现对料堆形状的存储和识别。其控制系统如图 1 所示。



采用激光扫描检测 3D 料堆形状的堆取料机 全自动控制系统


  目前许多大型料场都采用激光扫描 3D 图像识别系统来测定料堆外形,用于盘库和生产管理及料场自动化控制。但由于料堆点阵坐标数据库数据量巨大,以前由于计算机能力的限制难于实现数据的实时更新,因此这种通用的扫描技术在我国只用于盘库等生产管理,而无法应用于要求实时性的自动控制系统,直到 2007 年才在宝钢马迹山项目得到应用。料堆形状的数据处理系统必须采用单独的服务器或嵌入式系统,随着物料的变化同步处理 3D 数据库信息,以便对堆取料机进行控制。
  通过对发达国家料场自动化技术的考察来看,激光扫描 3D 图像识别技术为最成熟最理想的图像识别技术。
  料堆形状识别系统应不受天气、粉尘和物料种类等因素的影响,技术参数要达到以下数值:扫描半径≥80 m;扫描误差 ≤ 20 mm;扫描角度为 180°;响应时间 < 20 ms。
  料堆形状识别系统由激光扫描仪和 3D 图像识别分析软件组成,3D 图像识别分析软件安装在独立的工控机里。
4.2 自身位置的识别功能
  对自身位置的识别功能,即堆取料机具有确定点阵坐标的能力。没有精确的位置坐标测定,即使实现了料堆的3D 外形扫描也无法用于系统控制,只能做为盘库管理之用。目前通用的有效的位置坐标测定有两种:一是采用编码器检测确定走行、回转和俯仰坐标,但此种测定系统有其局限性,由于受外力影响,堆取料机作业时其悬臂会有弹性形变,所以悬臂头部的位置测定数据会有误差;另一种是采用两个 GPS 定位测定系统,一个装设在堆取料机的固定部分,另一个装设在悬臂头部,从而避免了机械变形对检测数据的影响。
  GPS 定位测定系统利用现有的卫星发射系统,在堆取料机上设置 2 ~ 3 个信号接收仪,整个料场再设置一个基站,通过程序就可实现精确的定位。
  堆取料机自身位置识别系统的检测误差不大于50 mm 或 0.1°。
4.3 自动检测和保护功能
  为了实现堆取料机智能化全自动安全运行,堆取料机必须设置可靠的检测和保护元器件,除了常规连锁保护和限位保护,还需设置下列主要检测和保护元器件。
(1) 工业电视系统 堆取料机上的物料转载点、电缆卷筒及司机室等关键部位装设工业电视摄像头,监控堆取料机工作情况。工业电视拍摄的所有图像模拟信号均通过光纤传入中控室,中控室可控制机上所有摄像头的动作,并可进行画面切换。其中需要详细观察的部位如斗轮卸料槽处的摄像头为大变焦、大广角,且带可调云台的彩色摄像头,以便于操作人员监控操作。
(2) 雷达防撞 在堆取料机前后和悬臂两侧设置雷达防撞探头,防止大车与其他物体相撞。
(3) 消防系统 在电气室,MCC 柜以及其他关键部位设置温度和烟感探头,电气室设置自动灭火装置。
(4) 温度和振动检测 在关键承载旋转部件设置异常振动和温度检测元件,经过数据采集和分析,自动预报该部位轴承的工作故障,及时更换,防止发生事故。
4.4 完备的中控系统
  中控系统要具有强大的数据处理功能、网络通信功能和自动化监控功能,对料场设备的工作状态进行监控,对料场设备的数据适时采集、运算和保存,并适时更新料堆 3D 图像。
  有了以上 4 个必备条件,堆取料机就可按照堆取料工艺通过程序控制实现全自动作业,由于堆取料机的 PLC 程序[7]和上位机组态控制软件都不具有 3D 图像分析功能,因此,扫描得到的料堆图像应在料堆识别系统中,按照堆取料的工艺和逻辑关系进行分析,并将堆取料机堆料或取料所需到达位置的 3D 坐标(走行位置,回转角度,俯仰角度) 传送给堆取料机的控制系统,再由控制系统按照中控指令进行具体的自动化作业,堆料或取料。

5 结语

  目前发达国家的大型散料场都是智能化无人运行,其他新兴经济体新建设的料场也要求智能化无人运行以适应物流快速发展的需要,如巴西和印度等,我国也在逐步发展智能化无人运行的料场系统,如宝钢马迹山和上海罗经港等。随着全球经济发展和科技的不断进步,未来大型料场智能化无人控制将成为普遍的要求,因此我国应未雨绸缪,开发拥有自主产权的智能化全自动运行控制系统。
  近几年来,我国虽然作了一些智能化尝试性工作,并在实际中进行了应用,但要实现大型堆取料机的智能化、无人化,不是某一个堆取料机生产企业能独立完成的工作,它是料场用户、设计院、设备供应商共同努力才能实现的目标。另外,仅仅单机实现全自动对于整个料场系统意义不大,只有整个料场所有设备都实现全自动并通过中控联网协调运行,才能实现提高料场效率、减少操作人员、降低故障率的目标。
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