多台抓斗卸船机随机编组流量自动控制技术方案

蒋 强

（沧州黄骅港矿石港务有限公司，河北沧州 061113）

引言

目前国内现代化的矿石码头作业的自动化水平已经走在了世界前列。大运力、高效率的矿石装卸在主要矿石进口港已经日渐成熟。但是作业组织及卸船放料的过程均是依靠人工组织。多卸船机对单条皮带卸料过程由于受卸船机震动给料器存在非线性、纯滞后及各矿石物料比重、粘度计含水量的不同等因素的影响，造成皮带机流量不均匀,从长时间的统计来看皮带机输送效率仅为皮带机额定效率的一半。料流重叠溢料现象对现场环境造成严重污染。本文提出了一种新的皮带机流量综合控制技术，通过输入输出的周期采样，建立放大倍数为变量的动态数学模型，并通过Smith 预估器补偿进而实现自动给料控制。

1 卸船作业的特点

卸船作业往往是几台卸船机对着一条皮带机作业，卸船机在对应的地面皮带机上方可以左右移动，实现对船舶的换仓作业，因此各卸船机在下方皮带上卸料点是任意变换的。根据皮带称的安装精度要求，对于落料点变化的皮带机，安装皮带秤将无法保证其精度。因此，只能将皮带秤布置于下游皮带，这样造成皮带流量监测的滞后性。假设有五台卸船机对着一条皮带机进行卸料作业，每台卸船机下方均配备一台变频震动给料器，震动给料器依靠电气控制，实现0 至50 HZ 的无极震动，将物料均匀连续的卸至输送带。通过多台给料器同时向单条皮带供料，物料稳定后由皮带秤计算瞬时流量，瞬时流量时时与PLC 进行数据反馈。

2 物料特性

由于专业化的矿石码头，所接卸的矿石来自不同的国家（例如澳大利亚、巴西、印度、乌克兰等），并且即使是同一国家，同一船物料的上下层的物料黏性、含水量、比重等都有很大差异，并且根据实际测定，同样给料频率下，因特性差异造成物料流量能相差2 000 t/h。因此，不同物料或是同一艘船中的物料在上下层差异很大的时候，卸船过程将是一个动态变化的过程。要想实现静态模型，我们只能针对其中的一段时间，将其设定为静态模型来考虑。在卸船的给料各个阶段，建立物料特性模型，以适应各种物料以及各阶段对物料流量的综合控制。

3 震动给料器给料特性

假设5 台（或多台）卸船机对一条皮带机作业，那么需要控制5 台震动给料器既要单独调节又要相互配合。为有效避免出现大的短时料流在皮带上重叠。首先必须保证每个卸船机漏斗内有足够的余料，以有效避免在抓斗卸料过程中物料不受震动给料器的控制，而直接冲出给料器。因此设定漏斗重量低于额定重量20 %时，停止振动器给料。

为保证卸船的整体效率，各个船舱实现均匀卸载，各个卸船机震动给料器物料供给要尽量保持均匀一致。为保证连续供料，避免震动器频繁启停，就需要根据不同漏斗内的物料调整震动器的给料频率。通过实时调节各个震动给料器的给料系数来实现，由于本系统总的输出流量是5（或多个）个震动给料器输出流量叠加产生的，因此当某个给料器的震动频率发生变化时，均会影响总的输出流量。为保证总的输出流量稳定不变，当某一个或几个震动给料器需要调整给料系数时，其它震动给料器也要随之自动调整，以实现总的输出保持不变。我们在每个出料口安装红外扫描仪，扫描皮带的物料的体积，以便检测皮带上的物料有无撒漏。

4 系统设计及各环节介绍

针对解决多台卸船机协同作业，保持总流量可控的问题，我们基于Smith 预估补偿系统，建立具备识别功能数学模型设计协同给料系统。系统原理图如图1 所示。

图1 全自动给料系统原理图

4.1 输入输出采样

由于5 个震动给料器设备参数相同，各个漏斗在相同的震动频率下给料能力也是相同的。初始阶段将给料系数均设置为1.0。开始给料时按照皮带机最大流量的1/2（7 500*1/2=3 750）给定初始流量，根据5 台卸船机给料点距离皮带秤最远位置运输到编组卸船机做前端扫描仪下方的时间作为调整周期T（Lmax/4=T）,每隔一个周期将流量增加50 t/h，直到达到皮带的设计流量7 500 t/h，共耗时75 T 的时间，流量达到额定。通过采样程序将这75 个设定值的输入用X 表示，将这75 个输入值对应的扫描仪的体积反馈值记录在输出采样表中，用Y 表示。扫描仪所扫描的皮带上断面的体积目的是保证断面。

4.2 建立动态模型

静态纯滞后系统的开环传递函数如下式所示，其中G0(s)为不包括纯滞后时间τ 的对象模型，

式中：

τ 为纯滞后时间；

K0为系统放大倍数；

T0为动态时间常数。

系统的放大倍数是根据震动给料器的实际输入值自动匹配相应的放大倍数，从而使系统的开环传递函数建立动态特性。

在所有的时滞后补偿控制方法中，Smith 预估控制方法是应用最为广泛的方法之一。Smith 预估控制是一种针对纯滞后系统设计的控制策略。在控制理论中，滞后指在时间上被控变量的变化落后于扰动变化，是一种十分常见的现象。因为在实际工业生产中，控制通过往往不同程度的存在滞后情况。Smith 预估控制方法是通过在PID 反馈控制基础上，引入一个预估补偿量，使闭环特性方程不含纯滞后项，从而使控制质量得到大大的提高。我们将假想的变量B 测量出来，并将其信号反馈至控制器，这样就把纯滞后环节移到了控制回路以外。理想结构示意图如图2 所示:

图2 反馈回路的理想结构示意图

由图2 可以得出闭环传递函数：

由以上推导公式可得出如下结论，纯滞后补偿控制系统在单位阶跃输入时，输出量y(t)的响应曲线和系统的其他性能指标与控制对象不含纯滞后特性时完全相同，只是在时间轴上滞后τ，闭环系统输出特性曲线，如图3 所示。

图3 闭环系统输出特性曲线

4.3 总输出量保持不变的给料调整方案

我们采用分子分母同时加减综合不变的方案来调整给料参数。我们用以下数学模型进行分析：

若第n 个分子需要调整增加0.2，则所有分母也调整0.2，以确保总和不变。

例如：5 台卸船机对同一皮带机卸料，若第三个分子需要调整0.3，则（1/5.3+1/5.3+1.3/5.3+1/5.3+1/5.3）×5=5。

5 结语

全自动给料控制系统经实际应用，效果良好，从根本上消除了给料不均所导致的皮带过载、物料过大造成的撒漏等问题，保证皮带机维持额定输送量运行，避免皮带机超载、空载运行等情况对设备所造成的损伤及能耗的增加，提高了矿石码头的卸船效率。