楊 凱 董 春
1 散貨碼頭常用生產工序及全自動發展現狀
當前，世界大宗散料（煤、鐵礦石）中轉運輸主要依靠大型散料港口，卸船機（或門式起重機）將散料從貨船卸料到地面帶式輸送機，使用堆料機或鬥輪堆取料機將地面帶式輸送機傳輸過來的散料順序堆放在長形散貨堆場上，稱為進場工序。使用鬥輪取料機或鬥輪堆取料機將堆場的散料取到地面帶式輸送機上，再用裝船機裝載到散貨船，稱為出場工序。使用多臺鬥輪堆取料機取不同物料，再通過帶式輸送機運輸到堆料機重新堆放稱為混礦工序。使用1 臺鬥輪堆取料機取料，再通過帶式輸送機輸送到堆料機堆料稱為轉場工序。此外，不通過堆、取作業，將物料從卸船機卸料，經地面帶式輸送機直接輸送到裝船機裝船稱為直裝工序。
在港口全自動化方面，上海振華（ZPMC）製造的廈門遠海和青島港貨櫃自動化碼頭已投入使用，上海洋山港、唐山港自動化碼頭即將投入使用。半自動化在散貨碼頭得到廣泛應用，基於雷射掃描的堆料機單機全自動化在上海羅涇港已取得初步成果。ZPMC 在日照嵐橋散貨港口已研發出基於雷射掃描的全自動堆料機、取料機及遠程控制系統。
2 堆料機各種堆料工藝及特點
堆料機堆放散裝物料有多種方法，如迴轉連續堆料法、迴轉步進堆料法、人字形大車連續堆料法、大車步進堆料法、大車橫行堆料法。此外，圓形料場有其專用的圓形堆料機堆料工藝。
迴轉連續堆料法堆料時，懸臂迴轉連續運行，從左側運行到右側，然後大車向後步進一段距離，懸臂迴轉再從右側運行到左側，如此反覆，直至物料堆完或達到堆場後側邊界。
迴轉步進堆料法（或稱定點堆料[1]，見圖1）與迴轉連續堆料法類似，大車的運行相同，都是在懸臂迴轉最內側或最外側時大車向後步進一步，區別在於迴轉的運行不是連續的，而是等料堆堆到一定高度時，迴轉每次步進一個角度，直至臂架迴轉到達堆料內側或外側邊界，大車再向後一步。如需要混勻效果時也可分層迴轉
圖1 迴轉步進堆料實景圖
人字形大車連續堆料法，指堆料時大車先向前或向後連續運行，在料堆前後邊界時大車再反方向連續運行，或迴轉步進一個角度後大車再反向連續運行，直至物料堆完或區域內物料達到預定堆料高度。這種堆料方式料堆截面形狀為人字形，一般用於混礦工序。大車步進堆料法與大車連續堆料法類似，也是在大車前後邊界處迴轉步進一個角度，大車再反向步進運行。與大車連續堆料法的區別在於大車運行時不連續，而是等料堆達到一定高度後，大車步進一定的距離，直至達到大車前後邊界再迴轉（或大車迴轉聯動）步進一步。大車橫行堆料法，首先將臂架迴轉到外側做好第一個料堆，然後迴轉與大車連續聯動運行，保持落料點沿著垂直於大車軌道的方向向內側步進（或連續）移動，直至達到內側邊界，這時大車向後移動一個步進距離，然後迴轉與大車再聯動運行，保持落料點沿著垂直於大車軌道的方向由內側向外側步進（或連續）移動，直至達到外側邊界。如此反覆進行，直至物料堆完或達到大車後側邊界。
連續堆料法堆料更均勻，特別適於混料的情況，但是機構持續運行，比步進堆料法能耗高。而迴轉堆料法比大車堆料法節能，因為迴轉機構電機功率比大車機構的小得多。對於人字形大車混料的情形，國內已有關於堆料層數與大車行走速度對均化比影響的研究[3]。迴轉堆料法堆出的物料為弧形，特別適合迴轉式鬥輪（堆）取料機取料，取料時在每堆物料起點和終點處效率也不降低。綜合比較，迴轉步進堆料法在節能、場地空間利用以及取料效率等方面均最優。
3 迴轉步進堆料法實現方式
迴轉步進堆料法的限制條件主要有：平行於大車軌道方向（定義為X 軸方向）的前後位置Xf、Xb，垂直於大車軌道方向（定義為Y 軸方向）的內外側位置Yi、Yo，垂直水平方向（定義為Z 軸方向）的堆料高度Z h，料堆大車步進距離Xs，迴轉步進角度θ s，物料安息角θ a，堆料噸數T w。當Yi、Yo、Z h、Xs、θ s、θ a 不限制時採用預設值，僅需指定大車區域及堆場編號（用於分辨左側還是右側堆場）及堆料噸數即可。
迴轉步進堆料示意圖見圖2，全自動迴轉步進堆料流程圖見圖3。
圖2 迴轉步進堆料示意圖
圖3 全自動迴轉步進堆料流程圖
根據中控指導參數，在限定區域內根據料堆安息角等條件建立三維模型，根據模型計算得出迴轉圓弧個數，每個圓弧起點位置（起點圓錐頂點三維坐標及轉換成的俯仰和迴轉角度、大車位置），每個圓弧終點位置（終點圓錐頂點三維坐標及各機構的角度、位置），弧形料堆間隔（大車步進值），堆料高度（預設為堆場允許最大堆料高度或堆料機可堆最大高度），迴轉步進值；分層或續堆時如新給定堆料高度大於原料堆高度，則在原料堆上先滿足新的料堆高度後才在空場地上擴展。
堆料過程：全自動啟動後，根據大車當前位置與目標位置及堆場物料情況決定是否需「零位移機」，堆料機移動到目標啟動位置後，啟動臂架帶式輸送機，等待地面帶式輸送機輸送物料過來。當檢測到物料過來後，如為「始堆」則應先建立一個初始料堆，待料堆高度達到目標高度後，懸臂先向右旋轉一個步進角度堆料，待檢測到落料點料堆高度達到目標值後再向右步進一步，直至達到右側終點位置，此時大車自動後退一個步進值堆料，待達到堆料高度後，旋轉調轉方向向左，如此反覆運行直至達到堆料噸數或大車達到後側邊界位置，自動堆料結束。如達到計算終點位置（即滿足邊界條件）時還有餘料未堆完，則報警至中控，並轉為手動模式，如一定時間內無人手動幹預，則強制停止堆料流程。如完成計劃堆料噸數後還未達到邊界條件則報警提示堆料完成，如流程在一定時間內未停止，則按照原方式自動續堆直至達到邊界條件為止。旋轉堆料的料堆輪廓平滑度與大車後退的步進值大小、迴轉步進值大小有關，大車、迴轉的步進值越小，則料堆形狀越整齊、美觀，也越便於取料。
4 實時堆料高度檢測方法
實時堆料高度檢測有多種方法，可以採用機械限位，如電容式物位計、超聲波測距儀、雷射掃描儀、圖像識別等。電容式物位計測量準確，但是需要接觸物料，容易磨損，且只能測量固定的距離，靈活度差；超聲波測距儀不用接觸物料，且能測量一段連續的距離，但是測量角度有限制，而且測量結果精度較低；雷射掃描儀對環境適應能力強，測距範圍廣，通過增配的伺服驅動旋轉機構旋轉，或通過堆料機大車及迴轉移動掃描料堆，可以建立三維輪廓坐標地圖，對於全自動取料用處非常大，但是價格較貴。圖像識別對粉塵環境適應能力較差，難以準確測量距離，也不推薦。綜合比較，雷射掃描儀對於實時堆料高度檢測及全自動取料都具有明顯的優勢，推薦採用。
採用2 個雷射掃描器，分別安裝在堆料機（或堆取料機）懸臂左右兩側，2 個雷射器可安裝在懸臂頭部的臂架帶式輸送機左右兩側的下方鋼結構上（見圖4），雷射頭朝向正下方，左側雷射器掃描面與懸臂平行。右側雷射器裝配一個伺服驅動旋轉機構（見圖5），可以大角度（超過180°）旋轉，伺服驅動旋轉機構0°時雷射器掃描面與懸臂垂直，在伺服驅動機構作用下，至少可以從－ 90°旋轉到90°，掃描面全覆蓋懸臂下方。可以在雷射器上加罩殼進行防塵保護。雷射器安裝好後，在雷射器罩殼的4 個角上貼上反光片，使用萊卡等測量設備標定雷射器與整個堆料機的位置關係，以便根據位置關係進行坐標轉換。堆料機零位移機時懸臂平行於大車軌道，這時使用右側雷射器掃描測得的料堆輪廓距離數據（極坐標），實時存儲並通過坐標轉換建立或更新料堆輪廓三維坐標（XYZ 坐標）地圖。懸臂迴轉時，2個雷射測得數據同時實時更新料堆輪廓三維坐標地圖。在三維坐標地圖資料庫中可通過XY 坐標查詢得Z 坐標（高度值）。
圖4 安裝在懸臂一側的雷射掃描器
圖5 帶伺服旋轉機構的雷射掃描器
實時堆料過程中，右側雷射器伺服旋轉機構實時旋轉掃描，實時更新懸臂下方料堆輪廓坐標數據，由於落料點處的料流從堆料機臂架帶式輸送機拋料點一直連接到料堆，在料堆三維坐標圖上落料點處的實時高度無法直接測得，只能通過落料點附近的料堆高度判斷。
落料點的判斷方法：
1）物理計算，通過臂架的俯仰角度、迴轉角度、帶式輸送機帶速，計算出料流的拋物線束，將該拋物線束放到堆場三維坐標圖中，則可得出落料點位置坐標區域。落料點中心迴轉半徑R 1 為
式中：L 1 為臂架上膠帶拋料點距俯仰角點長度，L 2為迴轉中心距離俯仰角點水平距離，θ 1 為俯仰角度，v 1為膠帶運行速度，g 為重力加速度，T 2 為垂直方向速度為v 1sinθ 1 處點到錐頂處位置經過的時間。根據落料點迴轉半徑及堆料機的位置狀態，經過坐標變換可得落料點三維坐標。在該區域外附近取一些適合點的Z 坐標值則可得實時堆料高度。
2）在掃描的料堆輪廓坐標圖上，取理論落料點周圍一定範圍內（例如X、Y 坐標±5 m 區域）的三維坐標數據進行立體幾何分析，由於自然堆積物料的安息角一般40°左右，顯然從上而下直插料堆的料流不符合自然安息角的條件，落料點處必存在安息角遠大於40°的「奇點」，這些「奇點」的Z 坐標值當然也不正確，找到這些「奇點」坐標，然後在這些「奇點」以外的附近區域找到Z 坐標極大值點則為實時堆料高度。在料流停止的特殊情況下（這時程序查詢不到「奇點」存在），以原料流位置Z 坐標為堆料高度。第一次開始堆料或料流停止情況下，機構發生移動時以理論落料點位置Z 坐標為準。
假如落料點附近掃描的料堆輪廓坐標為如下矩陣
編程序查詢料流位置坐標時，一個較簡單的辦法是，可先選擇區域內最小Y 坐標固定，X 坐標從小到大依次增加一個步進值（如0.5 m），判斷Z 坐標增量絕對值是否大於設定值（如2 m，正常自然堆積的物料在0.5m 範圍內，高度差值不應超過0.5 m），假如有Z 坐標增量大於2 m 或小於－ 2 m 的情況，記錄從Z 坐標增量大於2 m 開始（到小於－ 2 m 之間，如果有）的一條線上所有點的三維坐標。X 坐標到達選定區域最大後將Y坐標增加一個步進值並固定，X 坐標從小到大重新查詢Z 坐標增量，假如有Z 坐標增量絕對值大於2 m 的情況，也記錄區間曲線上點的三維坐標。如此反覆直到區域內Y 坐標達到最大查詢結束。將記錄的三維坐標全部列出，假如這些點坐標都在理論落料點附近（例如±3 m），則可認為這些坐標代表的確實為料流。總之，料流的特徵很明顯，根據料堆輪廓坐標數據及堆料及位置狀態，採用類似圖像識別的分析方法，是可以準確判別的。料流坐標找到後，緊挨著料流坐標附近靠近雷射器一側的點的Z 坐標極大值可以認定為實時堆料高度。
堆料機料流位置較好判定，鬥輪堆取料機由於鬥輪的存在，對料流的判斷是一個幹擾項，但是鬥輪的坐標根據機械機構尺寸及俯仰、大車、迴轉位置是可以確定的，使用鬥輪堆取料機堆料時料流的查詢則需要避開鬥輪的坐標位置。這種情況注意將帶伺服旋轉機構的雷射掃描器安裝在不靠鬥輪的一側，同理懸臂下方凸起的裝置如懸臂錨定座等都有明確的坐標位置，這些區域的數據需要處理後才能使用。
對於料流後面雷射器掃描不到的區域，其坐標值可先認定與料流高度相同並做虛擬標記，最終要從雷射器這一側的料流附近選取雷射器可直接測量的點判定實時堆料高度，避開料流後面雷射掃描器無法測得的區域。
5 結語
迴轉步進堆料法是綜合性能十分優異的一種堆料方式。通過雷射測距儀檢測實時堆料高度及通過雷射掃描器構建三維料堆輪廓，實現大車橫行全自動堆料已取得重大成果。基於雷射掃描器的全自動迴轉步進堆法即將在散貨碼頭推廣應用。