干散货码头皮带流程智能巡检系统

杨廷帅 杨洪锡 赵 磊 刘 强 嵇境超 王钦斌

山东港口集团青岛港国际股份有限公司前港分公司

1 引言

随着国内制造业的飞速发展，对各类矿石等干散货的进口需求日益增加，皮带机作为干散货港口运输的核心设备，其安全、高效地运转是干散货码头的命脉所在[1]。干散货码头作业区域大，上百条皮带机组成庞大的流程网络，在生产作业繁忙时，需要安排巡检员调整转载漏斗挡板进行流程切换作业。巡检员需在皮带流程与转载楼间往复作业，存在劳动强度大、工作效率低等问题。

现阶段，干散货码头输运特殊货种(粘湿货种、大块货物等)的数量日益增加。在特殊货种装卸过程中，需要巡检员定点监护皮带流程运转，当出现皮带跑偏、物料洒漏、漏斗磨损等问题时及时处置，避免影响生产效率。同时为避免皮带机等设备由于长时间作业造成疲劳损坏，需要巡检员定期检查驱动部位的异常磨损和发热等问题。在巡检员检查设备过程中难以实现彻底的人机分离，存在较大的安全隐患[2]。

2 皮带流程监护存在问题

2.1 环保抑尘与节约用水问题

由于干散货码头作业区域较大，进行物料装车或装船等作业时，物料需途经多条皮带流程，在此过程中，极易产生扬尘造成空气污染。现阶段，干散货码头针对扬尘问题，通常采用洒水方式进行抑尘作业。抑尘作业时需要巡检员在流程沿线扬尘严重区域或货物堆场手动开启洒水管路开关，巡检员长时间暴露在扬尘区，工作环境恶劣。同时由于不同堆场的洒水开关位置不统一，巡检员无法及时关闭洒水管路开关，常造成水资源浪费。

北方港口冬季运输物料时，因天气严寒，含水量较大的物料在转运过程中经常冻结在滚筒表面形成冻瘤。同时由于气温低，导致皮带塑性下降，随着冻瘤不断变大，常发生皮带撕裂问题，严重危害设备运转安全。目前，针对冻瘤问题，干散货码头通常安排巡检员在冻瘤易形成处喷洒防冻液，这种方法虽然有效减少了冻瘤的形成，但存在人员劳动强度大、作业效率低等问题，无法适应港口繁忙的生产作业环境[3]。

2.2 现场作业任务重

干散货码头进行物料转运作业时经常出现皮带跑偏、皮带损伤、漏斗堵塞、漏斗破损、物料洒漏等问题，需要巡检人员现场定点监护，发现问题立即处置，避免影响生产进程。同时港区生产流程转换频繁，还需巡检人员在转载机房内操作翻板进行流程转换等作业，巡检员在皮带流程与转载楼间来回穿梭，劳动强度大，且存在安全隐患[4]。

2.3 设备检查工作量大

干散货码头设备安全防护水平较低，多达上万个滚筒轴承、减速箱、电机等运转部件均采用人工点检方式进行检查。巡检机进行设备检查时，需要使用测温枪检测转动部位温度情况，并通过人工触摸方式确定设备内部有无异常振动。此类设备检查方式存在效率低、误差较大等缺点。同时,由于不能将常年检查数据进行对比与分析,确定设备磨损趋势，进而无法有效实现设备故障的预控管理[5]。

2.4 人工成本高

干散货码头作业繁忙，由于皮带机等作业设备自动化程度低，大部分工作需要人工完成，对人力依赖性强。同时,由于码头作业环境差、户外作业劳动强度大，存在人员流失严重、补员困难等问题，导致人工成本日益增加，严重制约干散货码头发展。

3 智能化流程监护系统

根据干散货码头作业环境及设备情况，借助PLC控制技术、无人机技术、视觉识别技术等多种信息化手段，研发智能流程作业监控系统、智能控制系统、智能设备监护系统，并基于工业以太网技术，将三者互联互通，建立智能化流程监护系统。智能化流程监护系统组成见图1。

图1 智能化流程监护系统组成

3.1 智能流程作业监控系统

3.1.1 智能监控系统

在干散货码头皮带流程沿线的关键部位安装数百个高清摄像头，借助工业以太网技术，将全部摄像头接入干散货码头内部网络，实现了在监控室内进行干散货码头流程作业关键区域的监护作业。在此基础上，在滚筒驱动及其他设备的运转区域，加装人员识别系统和语音报警系统。巡检员进入设备的运转区域时，高清摄像头自动识别人脸，现场音响立即播放警示语音，提醒巡检员注意安全。

3.1.2 无人机扫描技术

为了弥补智能监控系统对整个干散货码头的覆盖面不全面问题，采用无人机技术，定时巡视各个作业区域。通过在无人机机架处加装高清摄像头和三维扫描雷达，对干散货码头进行图片采集和三维模型扫描，运用合成系统将采集的图片与扫描的三维模型相拟合，生成整个干散货码头的三维形貌图，实现了对整个干散货码头的全方位监控，动态掌控作业区域人员、设备、货垛的情况(见图2)。同时借助合成系统中的质量计算模块，根据货垛三维模型和货物比重、含水量等相关参数，可准确计算出单个货垛的货物质量，为堆场管理提供数据支持。

图2 港区三维形貌图

3.2 智能控制系统

3.2.1 翻板远程控制系统

为避免巡检员上下攀爬转载楼调整翻板进行流程转换作业，借助PLC控制技术，编写远程控制程序，将PLC控制程序接入翻板控制系统，建立翻板远程控制系统。基于工业以太网技术，将翻板远程控制系统接入干散货码头内网，实现了在监控室内进行翻板控制作业，降低了巡检员进行流程转换作业的劳动强度。为了确保翻板远程控制的准确性，在翻板动力缸对面加装高清摄像头，在监控室内实时监控翻板状态，出现异常情况可及时处置，避免因翻板控制系统失效造成设备隐患。

3.2.2 洒水远程控制系统

洒水远程控制系统通过在港区原有洒水管路基础上，加装防冻液喷洒管路，并使用电磁阀控制替代手动开关，借助PLC控制技术和工业以太网技术将电磁阀开关控制系统接入干散货码头内部网络，实现洒水系统的远程控制。巡检员可通过监控系统或现场其他作业人员反馈的扬尘区域和易形成冻瘤的滚筒区域，选择指定水枪进行洒水抑尘和防冻液喷洒作业，有效解决扬尘和冻瘤问题，大大提高作业效率，并解决洒水开关不及时的问题，节约了水资源。

同时，为提高洒水喷淋控制系统使用的便携性，基于JAVA技术，开发了洒水喷淋控制系统手机APP，巡检员可使用手机操纵指定位置的洒水设备进行洒水喷淋作业，操作更加便捷。

3.2.3 皮带纠偏远程控制系统

干散货码头进行物料转运过程中，由于物料比重、物料体积、物料含水量等参数不同，在经过转载漏斗时，物料的落料点存在较大差异，若不及时调整皮带机位置，将导致物料在皮带流程中偏载进而造成皮带跑偏、物料洒漏等问题。现阶段，干散货码头常用手动链条式纠偏托辊进行皮带机位置调整，该装置需要巡检员拽动铁链进行位置调整，费时费力，且调整精度低。

在现有手动链条式纠偏托辊基础上，对纠偏装置结构进行改进，加装电动推杆代替链条，并将电动缸控制系统接入港区内网，在接收到跑偏信号后，远程控制电动缸推杆调整纠偏托辊位置，及时纠正皮带跑偏，防止物料洒漏。

3.2.4 皮带防撕裂系统

干散货码头转运货种种类繁多，部分货种体积较大且有明显棱角，对皮带机冲击性较强，在长时间作业过程中，易造成皮带撕裂，若停机不及时，撕裂部分不断扩大，会出现严重的物料洒漏，对皮带机造成严重损害。

皮带防撕裂系统由防撕裂拉线装置和回程落料挡板装置组成(见图3)。当存在利物穿透皮带随皮带运转时，利物会拉动皮带机承载托辊下方设置的防撕裂拉线，皮带机将自动报警并立即急停，防止皮带进一步损伤；当皮带因物料冲击而破损时，物料会从皮带撕裂处洒落到回程皮带表面，洒落的物料推动回程落料挡板摆动，传感器接受挡板摆动信号，并将信号反馈于皮带机控制系统，发出报警并自动急停。通过以上两种装置，可在皮带撕裂时及时报警急停，有效减少皮带撕裂。

图3 回程落料挡板装置

3.3 智能设备监护系统

3.3.1 光纤测温系统

原干散货码头针对流程沿线电缆、驱动滚筒、减速箱、电机轴承等转动部位因异常磨损而导致摩擦升温造成的消防隐患问题，主要采用人工检查方式进行设备巡检。随着信息化手段不断发展，通过在皮带流程关键部位安装光纤测温设备，并将测温系统接入港口内网，建立了光纤测温系统。该系统可同时对上百条皮带流程进行温度监测，出现异常温度时，系统自动报警，并精准定位异常温度所在位置，可有效预防现场设备摩擦生热引起的消防问题。同时光纤测温系统具备信息储存分析模块，可对设备长期温度变化情况进行分析，获得设备温度变化趋势，为设备更换保养提供数据支持。

3.3.2 智能异物检测系统

干散货码头转运矿石种类繁多，部分块状矿石体积较大，在运输过程中常对皮带机及转载漏斗造成严重的冲击磨损。为解决大块异物识别问题，基于智能识别系统与AI分析技术，建立智能异物检测系统。设定大块异物识别尺寸，当皮带流程中出现大块异物时，系统自动识别定位，并向巡检员报警提示，由巡检员确定是否停机清理，有效提高了大块异物识别效率，保证了皮带机安全运转。

3.3.3 智能声音识别系统

皮带机转动部位出现磨损、老化等问题时，还会产生噪声。智能声音识别系统将听觉识别技术与AI分析技术相融合，通过设定异常声响的声波，借助智能监控系统平台，对皮带驱动部位实时监测，当出现异常噪声时，系统自动报警，并定位噪声所在位置，有效保障了设备的安全运行。

4 应用成效

4.1 降低巡检员劳动强度

智能化流程监护系统的应用，改变了人员现有的作业巡检方式，实现了在监控室内进行流程作业监护、皮带流程转换、洒水抑尘开关、关键设备监测等作业，大大降低了巡检员的劳动强度，改善了巡检员的作业环境，实现了人机分离，避免了巡检员检查设备所存在的安全隐患。

4.2 节省人工成本

通过视频监控巡视、辅助作业远程控制(洒水、翻板控制、皮带纠偏控制)、无人机定时巡视等智能化改造，提高了巡检员的作业效率，降低了干散货码头对人力的依赖性，节省了人工成本。

4.3 提高干散货码头货物转运效率

智能化流程监护系统提高了流程转换效率，可在设备运转过程中进行安全检测作业，提高了干散货码头的生产效率。

5 结语

智能化流程监护系统，可提高巡检员的作业效率和劳动强度，改善工作环境，降低干散货码头的人工成本。特别在粘湿货种(如铝土、煤炭等货种)作业时，1.6 m皮带机作业量由改造前的1 800 t/h提高到2 500 t/h以上，货物转运效率大大提升。