通過分析我國砂石骨料倉儲堆場生產(chǎn)現(xiàn)狀、信息化建設(shè)情況及未來發(fā)展中對于信息化、智能化的需求，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化砂石骨料倉儲堆場整體解決方案，并對未來砂石骨料倉儲堆場的建設(shè)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能化砂石骨料堆場的應(yīng)用，將對我國砂石骨料行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大積極的意義，有助于提堆料場生產(chǎn)效率、降低運(yùn)行成本、提升競爭能力。
研究背景
1.1 砂石骨料堆場智能化研究的意義
砂石骨料從開采到最終被建筑業(yè)使用其中需要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)與步驟，通常在運(yùn)輸至終端客戶使用之前會在堆場內(nèi)進(jìn)行倉儲，這種砂石骨料堆場規(guī)模大小不一，有的就近建設(shè)在破碎篩分產(chǎn)線附近，有的建立在城市邊緣便于服務(wù)客戶，而更多地會考慮水路運(yùn)輸?shù)牡土杀径ㄔO(shè)在沿岸碼頭。本設(shè)計將試圖以砂石骨料堆場現(xiàn)狀為分析切入點(diǎn)，提取我國砂石骨料倉儲堆場的共性，提出服務(wù)于砂石骨料堆場的智慧倉儲及輸送系統(tǒng)。進(jìn)一步的，該系統(tǒng)經(jīng)過需求調(diào)整，還可以服務(wù)于煤炭、鋼鐵、有色金屬原料等散料倉儲堆場。
以占砂石骨料堆場數(shù)量比較較高的堆場碼頭為例對堆場現(xiàn)狀進(jìn)行簡單分析。我國擁有漫長的海岸及江河岸線，隨著港口行業(yè)迅猛發(fā)展。根據(jù)中華人民共和國交通運(yùn)輸部《2011中國航運(yùn)發(fā)展報告》，我國港口擁有生產(chǎn)用泊位已超過3.1 萬個，連續(xù)9年完成貨物吞吐量位居世界第一，業(yè)已成為世界港口大國。而與此同時，占全國港口、碼頭數(shù)量相當(dāng)比例的砂石骨料堆場碼頭卻長時間處于行業(yè)發(fā)展的低端位置：生產(chǎn)效率低、設(shè)備能耗高、小散亂的非法碼頭林立、資源利用效率大打折扣，制約了碼頭疏運(yùn)能力建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年年底，僅湖北一省長江干流岸線就共有477個非法碼頭，其中砂石堆場碼頭占七成以上。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)，砂石需求量激增，在此雙重背景下，多個省市均出臺了整治砂石骨料堆場碼頭的政策法規(guī)，關(guān)停非法碼頭，合并小碼頭，對砂石骨料堆場碼頭進(jìn)行技術(shù)、管理升級，推動行業(yè)向健康方向發(fā)展，提高抵御經(jīng)濟(jì)競爭風(fēng)險能力，增加碼頭運(yùn)營收益。
1.2 堆場物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用背景
物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，簡稱IOT)，是通過布設(shè)各種不同功能原理與使用場景的信息傳感裝置，按照通信協(xié)議將物與物相互連接，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信，將感知的信息進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確的傳送，通過云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，進(jìn)一步對物體實(shí)施智能化的控制，以此實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控、管理的網(wǎng)絡(luò)，真正達(dá)到了人與物的溝通。
針對砂石骨料堆場而言，它的自身特點(diǎn)使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用能夠獲得最大效果。堆場占地面積大，吞吐量達(dá)，是水路、陸路交通的集結(jié)點(diǎn)和樞紐；堆場規(guī)模化合并后，作業(yè)的復(fù)雜性越來越高；作業(yè)過程中從各種設(shè)備中采集到的數(shù)據(jù)信息量大，類型復(fù)雜，數(shù)據(jù)對時效性的要求高；砂石骨料堆場行業(yè)上下游相關(guān)企業(yè)眾多，容易形成產(chǎn)業(yè)集群。在砂石骨料堆場這樣復(fù)雜、大規(guī)模運(yùn)作的環(huán)境中最能體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢：讓堆場作業(yè)更高效、更可靠、更少人工、更低成本。
因此建設(shè)砂石骨料智慧倉儲及輸送系統(tǒng)是幫助堆場企業(yè)匯聚各類優(yōu)勢資源、加快信息化智能化建設(shè)步伐、抓住整合兼并機(jī)遇、提升競爭力的必要手段。
砂石骨料智慧堆場倉儲及輸送系統(tǒng)分析與設(shè)計
2.1 系統(tǒng)總體框架及子系統(tǒng)設(shè)計
首先建設(shè)砂石骨料智慧堆場及輸送系統(tǒng)需要充分借鑒國家已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)良好的可靠性、兼容性和擴(kuò)展性。其次需考慮滿足用戶的實(shí)際需求功能，實(shí)現(xiàn)信息自動化采集、存儲和應(yīng)用，降低物流服務(wù)成本，提高生產(chǎn)工作效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程。最終提高整體智能化水平。
砂石骨料智慧堆場倉儲及輸送系統(tǒng)總體框架如下圖所示：
采集層包括多種傳感終端設(shè)備，通過這些傳感設(shè)備識別物體、采集信息，將砂石骨料堆場所涉及的皮帶輸送機(jī)、卸料小車、氣動浮門、振動給料機(jī)等設(shè)備工作過程中發(fā)生的物理時間信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括堆場運(yùn)料車輛、入料量、出料量、庫存量、物料高度等物理量信息。實(shí)際上是將物理世界轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行描述。
網(wǎng)絡(luò)層將傳感器采集的信息匯聚起來，向數(shù)據(jù)庫進(jìn)行傳輸，為系統(tǒng)的決策提供數(shù)據(jù)支撐的依據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性以及準(zhǔn)確性是該層的關(guān)鍵。
匯聚層按照規(guī)范的程序和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、交換和管理。主要功能包括：數(shù)據(jù)的采集與回送處理、輸入處理、輸出處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、運(yùn)算和控制、報警處理、網(wǎng)絡(luò)通信及并發(fā)處理等。
應(yīng)用層的表現(xiàn)形式為該系統(tǒng)各個子系統(tǒng)及其模塊。現(xiàn)場操作人員、管理人員、堆場業(yè)主等多方均可通各種設(shè)備訪問應(yīng)用子系統(tǒng)。
智慧堆場倉儲及輸送物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各子系統(tǒng)模塊如下圖所示：
2.2 智慧堆場智能入庫系統(tǒng)
砂石骨料堆場入庫骨料通常通過卡車運(yùn)輸，目前堆場對于入場車輛、骨料類型檢驗、稱重和相關(guān)信息錄入工作基本由人工完成，需要設(shè)置多個人員崗位，且數(shù)據(jù)在進(jìn)行人工審核及輸入時也極容易出錯。
智慧堆場智能入庫系統(tǒng)可以對進(jìn)入堆場車輛身份信息自動驗證、確定車載骨料類型、自動稱重、并根據(jù)校驗結(jié)果自動判斷是否放行并指引行進(jìn)及下料路徑。此系統(tǒng)可提高車輛入庫速度，提高數(shù)據(jù)收集檢驗的及時、準(zhǔn)確性，減少堆場工作人員，降低運(yùn)營成本。
滿載車輛進(jìn)入堆場區(qū)域后，智能入庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
車輛到達(dá)汽車衡，司機(jī)無須下車，遠(yuǎn)距離讀卡器自動感應(yīng)車載標(biāo)簽信號并將其上傳到現(xiàn)場稱重臺控制系統(tǒng)，經(jīng)過識別軟件解碼得到車載卡號，通過局域網(wǎng)對調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索以獲取來車詳細(xì)信息。紅綠燈指示車輛通行，汽車駛?cè)氤优_，前后紅外開關(guān)實(shí)時檢測車輛對位情況，到達(dá)重量感應(yīng)閾值時自動觸發(fā)系統(tǒng)稱取皮重并抓拍圖像上傳存檔。稱重完成后，最新的過衡信息再次通過局域網(wǎng)存儲到調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)場語音、LED同步提示告知司機(jī)將車載骨料運(yùn)載至哪一個倒料口卸料，出口紅綠燈指示車輛駛離秤臺。系統(tǒng)檢測到秤臺重量為空時，系統(tǒng)入口的紅綠燈指示放入下一車輛。
通過廣泛征集專家經(jīng)驗并調(diào)查現(xiàn)場環(huán)境，系統(tǒng)建立了一套滿足智慧堆場智能入庫系統(tǒng)控制要求的規(guī)則庫采用非數(shù)學(xué)廣義模型控制過程，對各個工作點(diǎn)采用多種擬人處理策略以及部分預(yù)處理方法，最終實(shí)現(xiàn)車輛智能調(diào)度，并且在無人干預(yù)的情況下自主驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制功能，完成卸車任務(wù)。智能調(diào)度軟件結(jié)構(gòu)包括物理層、中間層、應(yīng)用層三部分，流程如下圖所示：
2.3 智慧堆場倉儲調(diào)度系統(tǒng)
小規(guī)模、低水平的傳統(tǒng)砂石骨料堆場，倉儲堆料主要依靠人工完成，有相當(dāng)大的隨意性，卸料點(diǎn)很難對準(zhǔn)下料孔，造成庫內(nèi)死料多，影響堆場的利用率，推升了單噸堆裝成本。
當(dāng)砂石骨料堆場不可避免的進(jìn)行整合、重組后，一些大型砂石堆場出現(xiàn)，這些堆場的倉儲堆料區(qū)域動輒占地一、二百畝，如此巨大的倉儲區(qū)域已完全無法依靠人工肉眼觀察卸料位置與庫存情況，更無從操作骨料輸送。
智慧堆場倉儲調(diào)度系統(tǒng)堆料部分的設(shè)計充分利用堆場面積，不同料型成品料的堆積區(qū)域可以自由調(diào)整。
堆場平面布置示意圖
根據(jù)每種物料的堆放總倉儲容量及設(shè)計漏料孔位置，對輸送堆場產(chǎn)品進(jìn)行裝卸自動計量。多種規(guī)格骨料入庫量統(tǒng)計、出庫量統(tǒng)計、庫存統(tǒng)計以及庫位存量統(tǒng)計。
實(shí)現(xiàn)對卸料小車的精確卸料定位、通過堆高檢測系統(tǒng)對料倉庫位堆高進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸至集散控制系統(tǒng)，最終達(dá)到堆場料堆的可視化。系統(tǒng)可根據(jù)料高實(shí)時數(shù)據(jù)自動調(diào)度卸料小車尋找卸料位置。
通過物聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)、對砂石骨料堆場實(shí)時堆料量、堆料位置、布料小車的定位、輸送速度等進(jìn)行自動計量和歷史統(tǒng)計分析，進(jìn)行實(shí)時的生產(chǎn)監(jiān)督管理。
可視化料高示意圖
2.4 智慧堆場輸送裝車/船系統(tǒng)
傳統(tǒng)方式管理下的堆場在出料裝車/船時，無法得知具體每個料堆的余料情況，容易造成給料機(jī)空開或料堆已取空給料機(jī)仍工作的情況。裝車/船采用操作工開皮帶，堆場工人觀察船只吃水，遠(yuǎn)程通知操作工調(diào)節(jié)的方式。無法避免工人偷賣物料的情況。
堆場存儲的各種規(guī)格砂如何實(shí)現(xiàn)快速、高效、計量準(zhǔn)確的輸送至貨輪，是智能化堆場建設(shè)的一個重要問題。
傳統(tǒng)的裝車/船方式中，因為操作人員對庫位的具體存儲情況了解不透明，只能依靠現(xiàn)場臨時觀察或根據(jù)經(jīng)驗判斷打開哪個給料機(jī)輸送物料。傳統(tǒng)裝車/船流程如下圖所示：
傳統(tǒng)裝車/船流程圖
因為需要人工判斷從某個料倉、某個庫位中取砂，而又缺乏數(shù)據(jù)支撐告知操作人員具體庫位庫存情況，所以需要人工在料倉的各個庫位間觀察庫存情況，告知操作員打開哪些給料機(jī)送料，這樣操作方式效率很低且浪費(fèi)時間、人工。并且當(dāng)某個庫位的庫存全部輸出后，如果現(xiàn)場觀察人員沒有及時發(fā)現(xiàn)并通知操作人員關(guān)閉對應(yīng)的給料機(jī)，那么就白白浪費(fèi)了電力。
智慧堆場料堆、氣動浮門與給料機(jī)效果圖
采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的智慧堆場輸送裝車/船流程如下圖所示：
智慧堆場輸送裝車/船流程圖
智慧堆場輸送裝車/船系統(tǒng)的核心在于輸送物料實(shí)時計量與庫存情況實(shí)時反饋，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化輸送裝車/船流程可選擇手動模式或自動模式進(jìn)行操作。
在手動模式下，操作員首先輸入需要裝車/船的物料量，接著根據(jù)庫存情況選擇開啟哪些給料機(jī)及其對應(yīng)的皮帶輸送機(jī)。在裝車/船過程中，可能會出現(xiàn)某個庫位料取盡的情況，系統(tǒng)會提示操作員關(guān)閉該給料機(jī)以節(jié)省能源消耗。當(dāng)裝車/船計量已達(dá)到預(yù)設(shè)裝車/船量時，系統(tǒng)自動停止給料機(jī)工作，之后依次關(guān)閉地籠皮帶機(jī)、主皮帶機(jī)、裝車/船皮帶機(jī)將皮帶輸送機(jī)上的余料輸送完畢。
自動模式與手動模式的不同在于，操作員輸入裝車/船總量后，系統(tǒng)可以自動尋找最佳的裝車/船庫位，并自動開啟對應(yīng)的給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)，在裝車/船過程中自動關(guān)閉已取空庫位對應(yīng)的給料機(jī)。當(dāng)裝車/船計量已達(dá)到預(yù)設(shè)裝車/船量時，系統(tǒng)自動停止給料機(jī)工作，之后依次關(guān)閉地籠皮帶機(jī)、主皮帶機(jī)、裝車/船皮帶機(jī)將皮帶輸送機(jī)上的余料輸送完畢。
采用智慧堆場輸送裝車/船系統(tǒng)后，卸料過程變得高效，快捷。為產(chǎn)線管理方提供精確到每個料庫中每個料堆的飽滿情況，為輸出調(diào)度、提供數(shù)據(jù)支持，避免給料機(jī)空轉(zhuǎn)，提升管理水平降低運(yùn)行成本。減少產(chǎn)品損耗及盜賣情況。遠(yuǎn)程計量精確計算各種產(chǎn)品的輸出情況，一旦達(dá)到預(yù)設(shè)值，立即自動切斷給料機(jī)，杜絕人為損失。
2.5 智慧堆場集散控制系統(tǒng)
大型砂石骨料堆場占地面積大，皮帶輸送設(shè)備、給料機(jī)、氣動浮門數(shù)量均以百計，如采用傳統(tǒng)的控制方式會造成諸多問題：
現(xiàn)場接線復(fù)雜，檢修排查困難，無法快速熟悉現(xiàn)場操作方法；同時控制機(jī)柜需要增加大量的I/O模塊，增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；無法提供實(shí)時報警，現(xiàn)場只能用機(jī)械式儀表的方式展現(xiàn)簡單的設(shè)備運(yùn)行情況，無法根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況提供各類報警閾值，操作工人無法及時排查設(shè)備出現(xiàn)故障的設(shè)備，容易造成安全事故；無法全面監(jiān)控掌握現(xiàn)場的運(yùn)行狀況，由于現(xiàn)場儀表分散，彼此之間無明顯的邏輯關(guān)系，無法及時全面掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況；無法設(shè)計設(shè)備之間的運(yùn)行連鎖、相互感知的關(guān)系，需要非常熟練的操作工人才能有序的完成對生產(chǎn)線的控制。
智慧堆場集散控制系統(tǒng)可以通過操控工作站來控制整個生產(chǎn)線，并且監(jiān)視整個堆場的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，它是以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的計算機(jī)控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)的組成主要包括工業(yè)控制計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、智能控制機(jī)柜以及定制的組態(tài)軟件。控制機(jī)柜與工業(yè)控制計算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，工業(yè)控制計算機(jī)上擴(kuò)展通信卡，機(jī)柜通過智能通訊模塊掛在總線上。每個機(jī)柜分配唯一的邏輯地址。
智慧堆場集散控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理、主控界面、設(shè)備參數(shù)、操作指令、報警信息、報表統(tǒng)計等功能。
系統(tǒng)管理的特色為不同的級別的操作人員擁有不同的登錄口令，并且分配不同的權(quán)限，權(quán)限低的操作者分配低級別的操作指令，權(quán)限高的操作著分配高級別的操作指令，確保關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵動作只能由熟練的人員操作，有效防止誤操作或者其他原因造成設(shè)備損失以及人身損害。
主控界面是設(shè)備運(yùn)行時監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的主要界面。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)在界面上均以顏色燈的方式顯示出來。綠色燈表示對應(yīng)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，黃色等表示設(shè)備處于正常停機(jī)狀態(tài)，紅色燈表示設(shè)備處于故障狀態(tài)，結(jié)合報警信息欄的提示，若設(shè)備發(fā)生故障，可以快速定位設(shè)備故障，縮短故障排查時間。
通過組態(tài)軟件讀取所有智能控制機(jī)柜的運(yùn)行狀態(tài)，在組態(tài)軟件中可以對設(shè)備的運(yùn)行關(guān)系進(jìn)行連鎖。例如，給料機(jī)的輸送機(jī)由于故障停機(jī)了，可以確保給料機(jī)自動停止，從而節(jié)省操作或者巡視人員所需的發(fā)現(xiàn)故障的時間，確保設(shè)備安全。
設(shè)備參數(shù)界面的功能是設(shè)置各個設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，比如報警的油溫、軸溫、自動模式下設(shè)備的啟停時間間隔等。通過集散控制系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)修改非常簡單，只要預(yù)先給操作人員分配相應(yīng)的權(quán)限即可。
操作指令界面集中了大量的設(shè)備控制用的裝置。設(shè)備的操作采用虛擬按鈕和虛擬拖動條等形式，如下圖所示，不僅可以節(jié)省大量的硬件，通過有效的排列組合，還可以使操作人員的操作舒適性，減少誤操作的可能性。
報警信息界面組態(tài)了大量的報警信息。報警信息采用彈出式的方式，未出現(xiàn)故障時，不會彈出報警；一旦現(xiàn)場設(shè)備有故障報警，組態(tài)界面上就會彈出提示，供操作人員快速判讀并處理故障。
報表統(tǒng)計可以自動統(tǒng)計生產(chǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)供參考使用。通過報表統(tǒng)計界面，可以實(shí)時監(jiān)控輸送機(jī)的瞬時產(chǎn)量、累計產(chǎn)量等信息，并且可以查詢立式數(shù)據(jù)。
采用智慧堆場集散控制系統(tǒng)后，可大為減少現(xiàn)場接線，減少設(shè)備維護(hù)、維修的周期，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；全面掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行情況。在組態(tài)界面上，通過圖形化的方式全面反映現(xiàn)場設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行情況；可以提供實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)報警，彈出報警信息，提醒工人快速處理報警信息，減少故障的幾率，將故障的損失降低；通過設(shè)計合理有序靈活的設(shè)備之間的連鎖、解鎖、啟停順序關(guān)系，確保生產(chǎn)按照既定的最優(yōu)路線運(yùn)營；提高產(chǎn)線運(yùn)營方管理水平。對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便查閱的同時還可以用來分析產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，可查詢設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和報警信息。
結(jié)論和展望
我國砂石骨料堆場的發(fā)展水平相對較低，偶有信息化大型堆場也只停留在物流信息化、無紙化方面。未來智慧化的堆場將不局限于砂石骨料堆場，并推廣至散貨堆場業(yè)務(wù)。將廣泛應(yīng)用傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、射頻識別技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，以統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用軟件即服務(wù)或平臺即服務(wù)的運(yùn)營模式，通過公有云提供公共信息交換第三方服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)和核心服務(wù)，通過私有云提供業(yè)務(wù)信息平臺服務(wù)，借助物聯(lián)網(wǎng)感知、互聯(lián)和智慧的技術(shù)特征，通過更快速的感知和更深度的智能，使堆場裝備、車/船貨信息以及散貨堆場物流的各種資源與各個參與方之間進(jìn)行互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)堆場多式聯(lián)運(yùn)信息互通、多港口間有效溝通和對物資、設(shè)備等的有效管理。
通過對大量倉儲、轉(zhuǎn)運(yùn)堆場的實(shí)地需求調(diào)研，結(jié)合行業(yè)信息化建設(shè)情況及對未來的智能化要求，認(rèn)為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧堆場是實(shí)現(xiàn)砂石骨料堆場智能化的必然歸宿。
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