研究背景     

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使用其中需要經歷多個環節與步驟，通常在運輸至終端客戶使用之前會在堆場內進行倉儲，這種砂石骨料堆場規模大小不一，有的就近建設在破碎篩分產線附近，有的建立在城市邊緣便于服務客戶，而更多地會考慮水路運輸的低廉成本而建設在沿岸碼頭。本設計將試圖以砂石骨料堆場現狀為分析切入點，提取我國砂石骨料倉儲堆場的共性，提出服務于砂石骨料堆場的智慧倉儲及輸送系統。進一步的，該系統經過需求調整，還可以服務于煤炭、鋼鐵、有色金屬原料等散料倉儲堆場。

以占砂石骨料堆場數量比較較高的堆場碼頭為例對堆場現狀進行簡單分析。我國擁有漫長的海岸及江河岸線，隨著港口行業迅猛發展。根據中華人民共和國交通運輸部《2011中國航運發展報告》，我國港口擁有生產用泊位已超過3.1萬個，連續9年完成貨物吞吐量位居世界第一，業已成為世界港口大國。而與此同時，占全國港口、碼頭數量相當比例的砂石骨料堆場碼頭卻長時間處于行業發展的低端位置：生產效率低、設備能耗高、小散亂的非法碼頭林立、資源利用效率大打折扣，制約了碼頭疏運能力建設。據統計，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。隨著基礎設施建設突飛猛進，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，關停非法碼頭，合并小碼頭，對砂石骨料堆場碼頭進行技術、管理升級，推動行業向健康方向發展，提高抵御經濟競爭風險能力，增加碼頭運營收益。

堆場物聯網技術的應用背景

物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT），是通過布設各種不同功能原理與使用場景的信息傳感裝置，按照通信協議將物與物相互連接，實現信息交換和通信，將感知的信息進行實時、準確的傳送，通過云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數據和信息進行分析處理，進一步對物體實施智能化的控制，以此實現智能化識別、定位、監控、管理的網絡，真正達到了人與物的溝通。

針對砂石骨料堆場而言，它的自身特點使得物聯網技術的大規模應用能夠獲得最大效果。堆場占地面積大，吞吐量達，是水路、陸路交通的集結點和樞紐；堆場規?；喜⒑?，作業的復雜性越來越高；作業過程中從各種設備中采集到的數據信息量大，類型復雜，數據對時效性的要求高；砂石骨料堆場行業上下游相關企業眾多，容易形成產業集群。在砂石骨料堆場這樣復雜、大規模運作的環境中最能體現物聯網技術的優勢：讓堆場作業更高效、更可靠、更少人工、更低成本。

因此建設砂石骨料智慧倉儲及輸送系統是幫助堆場企業匯聚各類優勢資源、加快信息化智能化建設步伐、抓住整合兼并機遇、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分析與設計     

系統總體框架及子系統設計

首先建設砂石骨料智慧堆場及輸送系統需要充分借鑒國家已有相關標準和規范，實現良好的可靠性、兼容性和擴展性。其次需考慮滿足用戶的實際需求功能，實現信息自動化采集、存儲和應用，降低物流服務成本，提高生產工作效率，優化生產流程。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總體框架如下圖所示：

采集層包括多種傳感終端設備，通過這些傳感設備識別物體、采集信息，將砂石骨料堆場所涉及的皮帶輸送機、卸料小車、氣動浮門、振動給料機等設備工作過程中發生的物理時間信息和數據進行采集，包括堆場運料車輛、入料量、出料量、庫存量、物料高度等物理量信息。實際上是將物理世界轉化為數字信號進行描述。

網絡層將傳感器采集的信息匯聚起來，向數據庫進行傳輸，為系統的決策提供數據支撐的依據。數據傳輸的實時性以及準確性是該層的關鍵。

匯聚層按照規范的程序和數據標準對數據資源進行標準化處理、交換和管理。主要功能包括：數據的采集與回送處理、輸入處理、輸出處理、數據統計、運算和控制、報警處理、網絡通信及并發處理等。

應用層的表現形式為該系統各個子系統及其模塊?，F場操作人員、管理人員、堆場業主等多方均可通各種設備訪問應用子系統。

智慧堆場倉儲及輸送物聯網系統各子系統模塊如下圖所示：

 

智慧堆場智能入庫系統

砂石骨料堆場入庫骨料通常通過卡車運輸，目前堆場對于入場車輛、骨料類型檢驗、稱重和相關信息錄入工作基本由人工完成，需要設置多個人員崗位，且數據在進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可以對進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、并根據校驗結果自動判斷是否放行并指引行進及下料路徑。此系統可提高車輛入庫速度，提高數據收集檢驗的及時、準確性，減少堆場工作人員，降低運營成本。

滿載車輛進入堆場區域后，智能入庫系統結構如下圖所示：

車輛到達汽車衡，司機無須下車，遠距離讀卡器自動感應車載標簽信號并將其上傳到現場稱重臺控制系統，經過識別軟件解碼得到車載卡號，通過局域網對調度中心數據庫進行檢索以獲取來車詳細信息。紅綠燈指示車輛通行，汽車駛入秤臺，前后紅外開關實時檢測車輛對位情況，到達重量感應閾值時自動觸發系統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存儲到調度中心數據庫?，F場語音、ＬＥＤ同步提示告知司機將車載骨料運載至哪一個倒料口卸料，出口紅綠燈指示車輛駛離秤臺。系統檢測到秤臺重量為空時，系統入口的紅綠燈指示放入下一車輛。

通過廣泛征集專家經驗并調查現場環境，系統建立了一套滿足智慧堆場智能入庫系統控制要求的規則庫采用非數學廣義模型控制過程，對各個工作點采用多種擬人處理策略以及部分預處理方法，最終實現車輛智能調度，并且在無人干預的情況下自主驅動執行機構實現控制功能，完成卸車任務。智能調度軟件結構包括物理層、中間層、應用層三部分，流程如下圖所示：

 

 

智慧堆場倉儲調度系統

小規模、低水平的傳統砂石骨料堆場，倉儲堆料主要依靠人工完成，有相當大的隨意性，卸料點很難對準下料孔，造成庫內死料多，影響堆場的利用率，推升了單噸堆裝成本。

當砂石骨料堆場不可避免的進行整合、重組后，一些大型砂石堆場出現，這些堆場的倉儲堆料區域動輒占地一、二百畝，如此巨大的倉儲區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。

智慧堆場倉儲調度系統堆料部分的設計充分利用堆場面積，不同料型成品料的堆積區域可以自由調整。

 

▲ 堆場平面布置示意圖

根據每種物料的堆放總倉儲容量及設計漏料孔位置，對輸送堆場產品進行裝卸自動計量。多種規格骨料入庫量統計、出庫量統計、庫存統計以及庫位存量統計。

實現對卸料小車的精確卸料定位、通過堆高檢測系統對料倉庫位堆高進行實時在線監測，并將數據傳輸至集散控制系統，最終達到堆場料堆的可視化。系統可根據料高實時數據自動調度卸料小車尋找卸料位置。

通過物聯網管控系統、對砂石骨料堆場實時堆料量、堆料位置、布料小車的定位、輸送速度等進行自動計量和歷史統計分析，進行實時的生產監督管理。

智慧堆場輸送裝車/船系統

傳統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，容易造成給料機空開或料堆已取空給料機仍工作的情況。裝車/船采用操作工開皮帶，堆場工人觀察船只吃水，遠程通知操作工調節的方式。無法避免工人偷賣物料的情況。

堆場存儲的各種規格砂如何實現快速、高效、計量準確的輸送至貨輪，是智能化堆場建設的一個重要問題。

傳統的裝車/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，只能依靠現場臨時觀察或根據經驗判斷打開哪個給料機輸送物料。傳統裝車/船流程如下圖所示：

▲ 傳統裝車/船流程圖

因為需要人工判斷從某個料倉、某個庫位中取砂，而又缺乏數據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送料，這樣操作方式效率很低且浪費時間、人工。并且當某個庫位的庫存全部輸出后，如果現場觀察人員沒有及時發現并通知操作人員關閉對應的給料機，那么就白白浪費了電力。

▲ 智慧堆場料堆、氣動浮門與給料機效果圖

采用物聯網技術建設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/船系統的核心在于輸送物料實時計量與庫存情況實時反饋，運用物聯網技術的智能化輸送裝車/船流程可選擇手動模式或自動模式進行操作。

在手動模式下，操作員首先輸入需要裝車/船的物料量，接著根據庫存情況選擇開啟哪些給料機及其對應的皮帶輸送機。在裝車/船過程中，可能會出現某個庫位料取盡的情況，系統會提示操作員關閉該給料機以節省能源消耗。當裝車/船計量已達到預設裝車/船量時，系統自動停止給料機工作，之后依次關閉地籠皮帶機、主皮帶機、裝車/船皮帶機將皮帶輸送機上的余料輸送完畢。

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，系統可以自動尋找最佳的裝車/船庫位，并自動開啟對應的給料機、皮帶輸送機，在裝車/船過程中自動關閉已取空庫位對應的給料機。當裝車/船計量已達到預設裝車/船量時，系統自動停止給料機工作，之后依次關閉地籠皮帶機、主皮帶機、裝車/船皮帶機將皮帶輸送機上的余料輸送完畢。

采用智慧堆場輸送裝車/船系統后，卸料過程變得高效，快捷。為產線管理方提供精確到每個料庫中每個料堆的飽滿情況，為輸出調度、提供數據支持，避免給料機空轉，提升管理水平降低運行成本。減少產品損耗及盜賣情況。遠程計量精確計算各種產品的輸出情況，一旦達到預設值，立即自動切斷給料機，杜絕人為損失。

智慧堆場集散控制系統

大型砂石骨料堆場占地面積大，皮帶輸送設備、給料機、氣動浮門數量均以百計，如采用傳統的控制方式會造成諸多問題：

現場接線復雜，檢修排查困難，無法快速熟悉現場操作方法；同時控制機柜需要增加大量的I/O模塊，增加系統的負擔，降低系統的穩定性；無法提供實時報警，現場只能用機械式儀表的方式展現簡單的設備運行情況，無法根據現場實際情況提供各類報警閾值，操作工人無法及時排查設備出現故障的設備，容易造成安全事故；無法全面監控掌握現場的運行狀況，由于現場儀表分散，彼此之間無明顯的邏輯關系，無法及時全面掌握生產線的運行狀況；無法設計設備之間的運行連鎖、相互感知的關系，需要非常熟練的操作工人才能有序的完成對生產線的控制。

智慧堆場集散控制系統可以通過操控工作站來控制整個生產線，并且監視整個堆場的所有運行數據，它是以通信網絡為紐帶的計算機控制系統。

系統的組成主要包括工業控制計算機、通信網絡、智能控制機柜以及定制的組態軟件。控制機柜與工業控制計算機之間的通信網絡采用Profibus-DP現場總線技術，工業控制計算機上擴展通信卡，機柜通過智能通訊模塊掛在總線上。每個機柜分配唯一的邏輯地址。

智慧堆場集散控制系統主要包括系統管理、主控界面、設備參數、操作指令、報警信息、報表統計等功能。

系統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，并且分配不同的權限，權限低的操作者分配低級別的操作指令，權限高的操作著分配高級別的操作指令，確保關鍵設備、關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備損失以及人身損害。

主控界面是設備運行時監視現場設備運行狀態的主要界面。設備的運行狀態在界面上均以顏色燈的方式顯示出來。綠色燈表示對應的設備運轉正常，黃色等表示設備處于正常停機狀態，紅色燈表示設備處于故障狀態，結合報警信息欄的提示，若設備發生故障，可以快速定位設備故障，縮短故障排查時間。

通過組態軟件讀取所有智能控制機柜的運行狀態，在組態軟件中可以對設備的運行關系進行連鎖。例如，給料機的輸送機由于故障停機了，可以確保給料機自動停止，從而節省操作或者巡視人員所需的發現故障的時間，確保設備安全。

設備參數界面的功能是設置各個設備的運行參數，比如報警的油溫、軸溫、自動模式下設備的啟停時間間隔等。通過集散控制系統的設備參數修改非常簡單，只要預先給操作人員分配相應的權限即可。

操作指令界面集中了大量的設備控制用的裝置。設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。

報警信息界面組態了大量的報警信息。報警信息采用彈出式的方式，未出現故障時，不會彈出報警；一旦現場設備有故障報警，組態界面上就會彈出提示，供操作人員快速判讀并處理故障。

報表統計可以自動統計生產的關鍵數據供參考使用。通過報表統計界面，可以實時監控輸送機的瞬時產量、累計產量等信息，并且可以查詢立式數據。

采用智慧堆場集散控制系統后，可大為減少現場接線，減少設備維護、維修的周期，提高系統穩定性；全面掌握生產線的運行情況。在組態界面上，通過圖形化的方式全面反映現場設備的生產運行情況；可以提供實時運行數據報警，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；通過設計合理有序靈活的設備之間的連鎖、解鎖、啟停順序關系，確保生產按照既定的最優路線運營；提高產線運營方管理水平。對運行數據進行存儲，方便查閱的同時還可以用來分析產線的運行狀態，可查詢設備歷史運行數據和報警信息。

結論和展望

我國砂石骨料堆場的發展水平相對較低，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務。將廣泛應用傳感技術、網絡通信技術、射頻識別技術等物聯網核心技術，以統一的信息標準為基礎，采用軟件即服務或平臺即服務的運營模式，通過公有云提供公共信息交換第三方服務、基礎設施服務和核心服務，通過私有云提供業務信息平臺服務，借助物聯網感知、互聯和智慧的技術特征，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行互聯互通，實現堆場多式聯運信息互通、多港口間有效溝通和對物資、設備等的有效管理。

通過對大量倉儲、轉運堆場的實地需求調研，結合行業信息化建設情況及對未來的智能化要求，認為基于物聯網技術的智慧堆場是實現砂石骨料堆場智能化的必然歸宿。