装船机远程操控系统设计与实现

刘永昌

（神华黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113）

1 设计背景

随着“中国制造2025”的不断推进，自动化智能化建设在各行业持续开展。交通运输部也发布了相应指导意见，提出了港口转型升级的发展目标，要求提升港口装备智能化水平。黄骅港作为西煤东运、北煤南运的重要下水港，一直致力于打造绿色、智慧、国际一流的能源大港。近几年，黄骅港已实现了翻堆取环节的远程自动控制，装船机的远程操控和自动化成为全流程智能化的最后一关。装船机是一种散杂货码头重要的装船设备，负责将皮带上的物料装至船舱中。传统的操作方式为操作员在海平面20米以上的狭小司机室内进行近海高空作业，不仅工作环境恶劣、存在安全风险，还易造成颈椎病、抑郁症等影响身心健康的疾病。因此，实现装船机远程操控可以极大改善操作人员的作业环境、降低劳动强度，提高幸福指数。此外，装船机远程操控也可为后续的装船机自动化和全流程智能化奠定坚实的基础。

2 设计方案

由于装船机作业受潮汐、海浪、船型及船体结构等因素的影响，对作业的安全性和稳定性要求极高，因此，装船机远程操控系统必须具备低时延、高可靠性等特点。鉴于以上要求，本设计制定了一套融合远程操控、视频监控、空间定位、安全保护和监测预警的解决方案，实现了装船机的远程操控。操控员置身于干净舒适的集控室中，即可通过操控手柄和人机交互界面对现场设备进行操控，通过视频画面了解现场作业环境，通过报警指示信号提示音对设备状态了如指掌。

2.1 远程操控系统

装船机远程操控系统主要实现将集控室操作台上的的操控手柄指令和上位机HMI界面的操控指令传递给原PLC控制系统，从而控制装船机执行相应的动作；并将装船机主要工作状态信息在上位机HMI界面上进行实时显示。有两个方案可实现以上功能。

方案一：在集控室增加一套独立的PLC控制系统，将操作手柄的模拟量、数字量信号接入集控室PLC中。集控室PLC系统、集控室上位机、装船机原PLC系统位于同一个VLAN的控制网中。集控室PLC与装船机原PLC之间通过MESSAGE传输数据，上位机HMI通过OPC协议直接获取数据。此方案的优点是几个装船机集控室只需要增加一套PLC控制系统，直接借助原有的控制网，成本较省；缺点是信号的传输时间长，易受外部信号干扰，控制网出故障后可能影响全部装船机，存在较大的安全隐患。

方案二：在每个装船集控室增加一套PLC远程站，将操作手柄的模拟量、数字量信号接入PLC远程站中。PLC远程站、集控室上位机都通过以太网和光纤接入装船机PLC子网中，组建一套控制专网。PLC远程站直接组态到装船机原PLC控制系统中，上位机HMI通过OPC协议连接机上PLC获取数据。此方案中，控制专网属于封闭的局域网，数据传输延时低、可靠性高，运行安全稳定。

由于装船机作业环境复杂，对安全性和稳定性要求很高，因此，选用第二套方案。在每个装船集控室布置一套包含三个操作手柄和两个急停按钮的操作台，用于操作行走、俯仰、伸缩、溜筒回转等动作以及紧急停机保护；安装一套人机交互界面用于其他动作的的操控和信号监视；在每个设备间内安装一套PLC远程站，用于接收操作手柄和急停信号；为每台装船机搭建通过光纤传输的控制专网，用于集控室和装船机之间数据传输。

2.2 视频监控系统

装船机实现远程集控后，操控员将无法再直接通过视觉观察现场作业情况，因此，一套完备无死角的视频监控系统对远程操控是至关重要的。

为每台装船机安装16个高清摄像头，可以覆盖行走机构、电缆卷筒、溜筒、漏斗、俯仰、臂架、悬皮、最高点、尾车等重点部位的各个角度。摄像机性能需不低于IP67防护等级、200万像素、具有红外夜视功能。所有摄像头均单独供电，通过以太网连接至机上视频网交换机，最终接入机上硬盘录像机进行存储。在集控室安放视频解码器，并接入集控室视频网交换机，监控大屏连接视频解码器，通过视频监控平台调取各监控画面，以供操作人员监护使用。

2.3 空间定位系统

为了实时获取装船机的位置信息，掌握装船机的行走位置、俯仰角度、伸缩位置、溜筒角度等作业数据，需要为每台装船机安装空间定位系统。本设计中，安装了两套互相独立冗余的定位系统，一套是基于北斗的高精度卫星定位系统，一套是编码器定位系统。

（1）高精度卫星定位系统。在装船机上安装1套基于北斗的卫星定位系统移动站设备，选用双天线模式，包括定位天线和定向天线。卫星定位系统可以接收黄骅港CORS基站系统的差分数据，对卫星定位结果进行修正，得到精度更高的定位数据。移动站可通过配置直接输出本地坐标系下的位置信息、角度信息和定位质量信息，并通过以太网传入装船机的PLC控制系统。PLC根据卫星定位数据，结合装船机的结构尺寸和安装位置，计算出装船机的定位数据。本设计选用的是华测P2-Pro产品，定位精度为厘米级，数据更新频率高于20Hz。

（2）编码器定位系统。在装船机合适的位置安装行走、俯仰、臂架伸缩、溜筒回转四个编码器。编码器选用可编程和高可靠性的重载绝对值编码器，能适应恶劣的工业环境，防护等级IP67，接口方式为PROFIBUS DP或以太网，单圈分辨率不低于12位，使用绝缘型联轴器与大机相连，编码器接头处使用专用接头及接线盒。编码器与PLC控制系统通信稳定可靠，编码器无死机、数据跳变等异常情况。

为了消除累计误差需要为每个编码器配置相应的校正装置。行走编码器的校正装置选用RFID。RFID读写头安装于行走机构上，通过以太网接入PLC控制系统，标签安装于行走轨道上，安装密度为10米1个。俯仰、伸缩、溜筒回转编码器的校正装置选用接近开关或磁性开关。

2.4 安全保护系统

安全是生产的前提，为了保证装船机远程作业的安全，开发了安全保护系统，主要包括以下保护措施。

（1）综合防碰撞保护。通过安装在溜筒、臂架、行走机构的防碰撞检测设备，实时检测装船机相应机构与船舶、轨道异物等外界物体的距离，当距离小于一级设定距离时，相应运动进行限速控制，当距离小于二级设定距离时，禁止相应动作，起到防碰撞保护功能。装船机控制系统之间通过MSSAGE进行数据交互，实时获取相邻装船机的行走位置信息，计算空间距离，防止两机发生碰撞事故。

（2）无线遥控急停保护。无线急停遥控装置是一套特殊情况下对装船机或地面皮带进行紧急停机的保护装置。他包含一个无线急停接收器和若干个与其适配的无线急停遥控器，接收器和遥控器之间通过无线传输信号。无线急停接收器安装在装船机上，输出信号接入PLC系统，无线急停遥控器由现场指挥作业的舱口管理，一旦舱口发现安全隐患就可通过遥控器触发装船机或地面皮带紧急停机。

无线急停遥控器配置三个按钮，分别为装船机急停按钮、地面皮带机急停按钮和测试按钮。当按下遥控器中装船机急停按钮后，无线急停接收器相应的干接点触发信号变化，通过PLC程序控制装船机紧急停机并切断低压电。当按下遥控器中地面皮带机急停按钮后，无线急停接收器相应的干接点触发信号变化、此信号先输入装船机PLC控制系统中，再通过MESSAGE指令传输给中控PLC，控制地面皮带机急停。测试按钮用于检测无线急停遥控装置的工作状态是否正常。

（3）远程急停保护。将集控室急停按钮的一路触点通过电缆、开关量光纤中继器、光纤等设备接入装船机电气室单机急停链路或变电所皮带机控制柜内的地面皮带急停链路，实现通过“硬线”对装船机或地面皮带机的远程急停控制。将集控室急停按钮的另一路触点直接接入集控室PLC远程站，通过PLC程序控制，实现“软线”对装船机或地面皮带机的远程急停控制。两路相互独立冗余的急停保护链路可以极大地提高安全性，为失控下的装船机提供最后一道保护。

（4）通信中断应急保护。为了防止集控室与装船机因通信中断导致的失控状态，通过PLC编程制作远程站和HMI的通信检测程序，一旦通信中断，将移除装船机全部动作；同时，还进行PLC组态设置，一旦远程站通信超时，PLC报主要故障进行停机，实现了通信中断的双应急保护。

2.5 监测预警系统

监测预警系统通过监测装船机信号及变化趋势，提前发现隐患，发出预警信号或应急处置。主要包括无线急停遥控装置失灵监测、伸缩挂缆异常监测、动作过速监测、动作异常检测等。

3 结语

装船机远程操控系统实现了装船机的远程集控，控制专网的搭建保证了远程操控的快速性和稳定性，综合防碰撞保护系统可有效避免装船机与船舶等异物的碰撞事故，无线急停保护装置提供了现场应急处置方案，通信中断检测及应急保护功能可避免通信中断产生的设备失控风险。这些都有效保证了装船机远程作业的安全性。本设计方案在黄骅港已经全面应用，不仅改善了作业环境，实现了煤炭装卸全流程作业的现场无人化，还为后期装船机自动化和全流程智能化奠定了基础，具有在其他煤炭港口推广应用的价值。