散货码头带式输送机调速节能研究进展

曾 飞，吴 青，初秀民，代超磊

ZENG Fei1,2,WU Qing1,CHU Xiu-min3,DAI Chao-lei1

（1. 武汉理工大学 港口装卸技术交通行业重点实验室，武汉 430063；2. 南通大学 交通学院，南通 226019；3. 水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心，武汉 430063）

0 引言

随着港口行业迅猛发展，我国港口拥有生产用码头泊位超3.1万，完成货物吞吐量连续9年位居世界第一，已成为世界港口大国[1]。港口综合运输能力的提升对我国国民经济、对外贸易发展提供了强有力的支撑,但同时也带来了巨大能耗问题。以2009年统计数据为例，我国港口生产能源消耗量355.34万吨标准煤，但单耗平均达5.6吨标准煤/万吨，利用率远低于世界水平[2]。因此树立绿色港口发展理念，增强节能技术科技创新及支撑能力，对促进港口节能减排和加快绿色港口构建具有重要现实意义。此外，交通部特别将干散货码头节能减排技术研究开发列为《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》([2011]474号文件)重要任务之一，最大限度降低带式输送机能耗是散货码头节能任务的关键。国内外相继采用优化启动工艺、控制电机运行数量、电机“Y”-“D”接法切换、物料流量自动控制、加设软启动装置、优化托辊性能及排列方式等技术对原设备改造来降低设计裕量过大造成的能耗，节电经济效益显著[3～8]。考虑到散料装卸过程具有连续性、复杂性和不平衡性，基于系统级的带式输送机调速控制技术更具节能潜力[9]。笔者在剖析带式输送机控制机理基础上，对带式输送机输送状态检测技术、变速传送控制技术及系统优化和智能决策3个方面研究现状进行总结和分析，提出以建立散货码头带式输送机调速控制模拟实验平台为基础，结合多智能体(Multi-Agent)和协调学理论研究多带式输送机协调控制机理，构建并优化带式输送机群节能控制模型，并将研究港口散货物流仿真及优化作为调速策略有效性分析的重要技术手段。

1 带式输送机输送状态检测技术

根据经验，带式输送机上物料流连续性越强、平均流量越稳定、分布越均匀，系统耗电量就越低。因此，根据物料瞬时传送状态(物料瞬时流量、物料分布、均匀性等)准确、均匀地调节执行设备作业速率，即可提高系统能效。带式输送机输送状态检测包括检测装置开发和识别算法研究两部分。

1.1 带式输送机物料状态检测装置

带式输送机物料状态检测装置是通过安置于现场的监测传感器(光电发射带和光电接收带、摄像机等)采集皮带上物料状态信号并传输至现场控制分站或中控室，为管理人员调速策略研究和智能决策提供依据。目前，国内外针对带式输送机物料流量检测装置开发与研究较多，包括皮带秤、核子秤、视觉检测等。上述3种物料流量检测方式虽具有一定实用性，但仍存在一定缺陷：1)电子皮带秤目前检测精度最高，但因计量原理是基于散料为理想状态分布前提下取计量段内物料瞬时流量的平均值，故测量值没有考虑真实散料分布随机性、无规律等统计特性因素影响。另外，其测量精度易受称重传感器、皮带速度传感器硬件限制；2)核子秤成本高、结构复杂，难以适应散货码头干散货作业的恶劣环境；3)物料流量视觉检测方式柔性大、测量精度高、成本低，可真实反映物料流状态(物料瞬时流量、物料分布、均匀性、物料速度等），是物料流非接触式动态计量较为理想检测方案，但目前还没有成熟的视觉检测装置问世。因此，今后可进一步对物料流视觉检测系统研制展开研究。

1.2 散料特性识别

从前面分析可看出，散状物料特性与带式输送机运行状态有着密切关系，因此，如何准确识别散状物料特性也是当前研究的一项重要内容。散状物料特性通常可通过单颗粒和颗粒体集合来表征，由堆积密度、流动特性、粒径分布、研磨性等参数体现。 目前，国外在煤矿混合配比、煤矿质量检测等领域对散状物料特性识别稍有研究，主要通过机器视觉和图像处理等方法在线实现。目前散料特性识别算法研究大多应用于煤矿质量检测、配比方面，用于带式输送机带速节能控制决策的实例还很少。事实上，带式输送机上散料分布状态直接影响带式输送机能耗大小，因此，如何设计合理的带式输送机状态视觉检测装置，提高物料状态识别算法准确性将是带式输送机调速节能控制的一个研究方向。

2 带式输送机速度传送技术

带式输送机速度传送技术是按照散货码头物料装船/卸船工艺，采用PLC作为控制核心，根据调速控制策略对带式输送机电机实施现场/远程调速控制。带式输送机速度传送技术包括带式输送机调速驱动装置、带式输送机功率平衡研究、带式输送机调速控制策略三部分。

2.1 带式输送机调速驱动装置

带式输送机输送带是粘弹性体，在静止或运行时内部贮藏了大量能量。为确保带式输送机起动平稳性，降低启动张力对电气和机械部分的冲击，需加设调速启动装置。目前，调速启动方式有直流电机驱动、变频调速、可控硅电动机调速、调速型液力偶合器、液体粘性传动调速、CST可控驱动等几种，其中液力偶合器和变频调速应用较为广泛。液力耦合器虽能部分解决带式输送机软启动问题，但较变频器驱动存在明显劣势：1)电机必须先空载启动，造成启动过程中产生巨大冲击；2)长时工作引起液体温度升高，融化合金塞，引起漏液；3)由于带式输送机加载时间较短易引起皮带张力变化，因此对皮带带强要求较高；4)难以解决多电机驱动时功率平衡问题。随着变频调速技术成熟，带式输送机越来越多地采用变频调速起动。采用变频器软启动方式，可使皮带在启动过程中缓慢释放内部能量，同时也能达到多电机驱动功率平衡。另外，因系统功率因数和效率均提高，所以其社会效益和经济效益都非常明显，具有良好的推广价值。

2.2 带式输送机功率平衡研究

高强度、长距离、大运量带式输送机主要采用多滚筒多电机驱动。实际调速过程中，长距离高速带式输送机功率平衡控制，也是带式输送机调速节能技术中值得研究的问题。

根据带式输送机具有死区、时滞、摩擦和粘弹性等动力学特性，国际上早期主要根据输送带运动的力平衡方程、几何方程和物理方程对其进行动力学分析，并采用解析法和数值法建立其连续模型的动力学方程解决其控制问题[10,11]。然而，随着多电机功率分配不均衡情况在长距离、大运量带式输送机系统中出现，采用经典解析方法解决具有非线性和时变性复杂动力学模型及其困难。因此，近年来针对多电机功率平衡控制问题许多学者展开了多机驱动功率平衡调整原理研究，探讨了影响功率平衡的主要因素[12,13]，提出了模糊控制法[14,15]、内模控制法、神经网络控制法[16]、转矩分配法[17]四类功率协调控制方法。

2.3 带式输送机调速控制策略

带式输送机传送装置的效率由其传送速度决定，传送速度越高则传送效率也越高。目前港口现有带式输送机各处传送速度均一致，若需要某段区间带式输送机带速必须超过其规定速度，则需研制带式输送机变速传送装置[18]。然而，因带式输送机功耗设计公式尚未考虑真实散料分布随机性、无规律等统计特性因素影响，现有控制策略模型与真实情况差异较大；另外，目前尚无带式输送机群并行协调控制定性研究方法，现存方法的普适性和实用性有待进一步研究。

3 系统优化和智能决策技术

散货码头散料装卸运作是一个复杂、随机、离散动态过程，很难凭借经验判断或应用数学规划方法进行优化,一般采用港口系统仿真技术和实验技术进行研究。港口系统仿真是一种将系统仿真技术应用于港口系统，建立港口物流系统的仿真模型，并进行实验研究的方法。其中，建立可信的系统模型是研究港口系统仿真最重要前提。目前，港口系统建模方法有形式化建模技术(循环排队网络法、极大代数法、扰动分析法、PetriNet技术)和非形式化建模技术(活动循环图、流程图法、面向对象技术)两类，大多用来解决港口装卸设备配置、堆场作业、散料装卸工艺等建模与优化问题。纵观目前国内外散货码头仿真研究，取得的成果已经能对码头设计、运营提供较高价值的数据分析结果与决策支持，但仍存在模型偏离实际、功能单一、适用范围窄等不足。影响带式输送机系统功耗因素十分复杂，涉及阻力系数、带速、物料输送状态等，为验证理论分析正确性及控制策略有效性，实验室或现场实测是有效的技术手段。

4 讨论

分析国内外已开展的带式输送机调速节能研究发现，由于影响带式输送机功耗的物料流状态参数获取不足，使得带式输送机能耗影响机理分析方法和手段有限。因此，采集并分析带式输送机输送状态相关信息，建立带式输送机群真实能耗数学模型是开展调速控制策略研究的必要基础。利用系统优化和仿真技术，结合多智能体和协调学理论，构建并优化带式输送机系统最优调速控制策略和作业流程，是建立我国“绿色港口、智慧港口”有效技术保证。同时，由于国内外还没有一套用于功耗机理分析的带式输送机输送状态视觉检测装置和识别软件。因此，构建基于视觉技术、物流仿真及优化技术于一体的散货码头带式输送机调速控制模拟实验平台，开展带式输送机系统调速节能协调控制、节能控制流程优化与评价将是今后节能控制研究重点。

4.1 散货码头带式输送机调速控制模拟系统构架设计

为开展上述散货码头带式输送机调速控制技术领域研究，笔者设计的散货码头带式输送机调速控制模拟系统架构如图1所示，由信息采集层、控制执行层、智能决策层组成。

图1 散货码头带式输送机调速控制模拟系统结构图

4.2 关键技术分析

4.2.1 物料流状态视觉检测系统研制

物料流状态视觉检测系统包括物料流状态视觉检测装置和物料流状态识别软件。物料流状态视觉检测装置由图像传感器、图像采集模块、视频图像无线通讯、智能控制终端等组成，选取输送带合适段进行安装，以带式输送机上物料流为研究对象，实时采集物料流视频图像并无线传输至远程智能控制终端。由于受散货码头恶劣环境所限，要求装置具有实时、远程、无线传输等特点，同时应对粉层工作环境具备良好适应性。物料流状态识别软件集视频图像预处理、物料流状态检测、提取、识别于一体，实现物料流状态信息(瞬时流量、均匀性、连续性、分布性等)实时检测与识别，要求物料流状态识别率≥95%。

4.2.2 基于多智能体的多输送机协同控制模型构建

散货码头带式输送机自适应调速控制系统是以离散事件系统为主的复杂混合系统，具有调度复杂性、生产离散性、工作关联性等特性。在调速过程中，由于多带式输送机组合受多种条件约束和随机因素影响，其协同控制模型构建具有多目标、多因素、多层次等要求。针对传统数学优化方法难以处理如此复杂系统现状，具体可采用基于多智能体技术(Multi-Agent,MAS)构建散料码头设备机群电机调速控制模型，以实现降低皮带机能耗、减少电费经济消耗、提高装卸设备效率的优化目标。另外，可采用MATLAB 数值仿真技术优化多输送机协同控制模型参数。

4.2.3 散货码头物流装卸作业仿真技术

散货码头物料装卸系统是一类复杂的混合离散系统，具有动态非线性、问题规模大、讲求系统集成等特性，为此，采用Arena或Anylogic开发平台、数据计算平台Matlab构建散货码头物料装卸作业仿真平台，应用最优化理论以及控制技术仿真并验证提出的物料流检测及电机调速控制方法有效性，提出带式输送机调速节能控制技术流程。所建立的模型应满足现实性、简明性和标准化等要求，为分析和提出带式输送机调速节能控制方法和技术流程提供可靠的依据。

5 结论

1)构建带式输送机物料状态视觉检测装置，开发物料状态检测和识别算法，建立带式输送机真实能耗数学模型，为调速控制策略研究提供理论依据，是研究带式输送机节能控制技术的基础。

2)分析散货码头带式输送机调速控制优化目标和约束条件，构建多目标约束的带式输送机调速策略模型。利用数值仿真技术，分析优化目标下各约束条件间相互制约关系，优化调速策略模型参数。

3)引入多智能体及协调学相关理论，结合带式输送机群协调控制规律，开展多输送机状态辨识、多输送机分散协调控制等研究，是研究散货码头带式输送机群协调节能控制的关键与难点。

4)引入半实物仿真技术，利用散货码头带式输送机群调速控制模拟实验平台采集带式输送机输送状态数据，输入至散料输送仿真平台，提出群协调控制优化策略和技术流程。该技术将是研究带式输送机群控制策略重要技术手段。

[1] 中华人民共和国交通运输部.2011中国航运发展报告[M].北京:人民交通出版社,2012:24-29.

[2] 杨阳.港口节能减排评价研究[D].武汉:武汉理工大学,2010:7-9.

[3] 秦皇岛港股份有限公司.多流程皮带输送系统逆向启动的传输控制方法:中国,CN101585446[P].2009-11-25.

[4] Mingwang Dong,Qing Luo.Research and Application on Energy Saving of Port Belt Conveyor[J].Procedia Environmental Sciences,2011,10:32-38.

[5] 张同戌,张德文,谢文宁.港口带式输送机节能改造的技术措施[J].水运科学研究,2008,(3):34-38.

[6] 武兴华.矿用带式输送机电机系统节能技术现状与发展趋势[J].煤矿机械,2011,32(12):1-3.

[7] Tapp AG.Energy saving troughing idler technology[J].Bulk Solids Handling,2000,20(4):43-49.

[8] 杨林.大型带式输送机调速的必要性[J].煤炭工程,2002,(10):19-21.

[9] 张同戌,张德文,谢文宁.港口带式输送机节能改造的技术措施[J].水运科学研究,2008,(1):34-38.

[10] Funke.H.Zum. Dynamichen Verhalten von Forderbanlagen beim Anfahren und utillsetzen[D].Germany:University of Hannover,1973.

[11] Harrison.A.Simulation of Conveyor Dynamics[J].Bulk Solids Handling,1996,16(1):43-49.

[12] 郭建军,郭建廷.带式输送机多机拖动功率平衡问题的探讨[J].煤炭科学技术,2008,36(1):88-91.

[13] 郭春林. 带式输送机多机驱动功率平衡调整原理的研究[J]. 煤矿机械，2009，30(10)：33-34.

[14] 孙怡.基于模糊PID控制的多电机同步控制系统的研究[D].上海:华东理工大学,2012.

[15] 欧阳名三,莫丽红.采用参数预测及模糊控制的胶带多机驱动功率平衡的研究[J].煤炭学报,2005,30(2):255-258.

[16] 李鑫.基于CMAC的多驱动系统协调控制[D].合肥:合肥工业大学,2010.

[17] 余发山,韩超超,田西方.带式输送机多机变频驱动功率平衡控制研究[J].工矿自动化,2013,39(3):69-73.

[18] 北京物资学院.用于物流过程的货品变速传送装置:中国,CN200920106479.1[P].2009-12-30.