新型斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

虞學(xué)明

摘 要：本文基于料堆建模技術(shù)、堆取料自動(dòng)控制技術(shù)和空間防碰撞技術(shù)，提出一種新型碼頭斗輪機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)斗輪機(jī)上各類傳感器與自動(dòng)化控制器連接通訊，實(shí)時(shí)采集料場(chǎng)的信息，形成料堆三維模型，經(jīng)過(guò)邏輯處理，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制，可有效解決作業(yè)超載以及機(jī)構(gòu)碰撞問(wèn)題，提高系統(tǒng)的安全性，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，規(guī)避人為事故的發(fā)生，同時(shí)減少堆取料機(jī)啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī);自動(dòng)化控制;堆取料工藝;三維掃描

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0088-03

斗輪堆取料機(jī)（以下簡(jiǎn)稱斗輪機(jī)），是一種用于散貨碼頭的主要裝卸搬運(yùn)設(shè)備。以往，斗輪機(jī)都是采用手動(dòng)或半自動(dòng)堆取料方式，由于司機(jī)對(duì)操作的熟練程度不同，且作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，容易導(dǎo)致人為事故的發(fā)生[1]。斗輪機(jī)自動(dòng)化可以讓司機(jī)在中央控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程取料，讓堆場(chǎng)不再有人參與，實(shí)現(xiàn)單人操作多臺(tái)斗輪機(jī)同時(shí)作業(yè)。

隨著自動(dòng)化電控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外漸漸實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)全自動(dòng)化無(wú)人控制。目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家港口大多使用的都是斗輪機(jī)全自動(dòng)無(wú)人化運(yùn)行，近年我國(guó)的天津港、曹妃甸港、青島港等碼頭斗輪機(jī)也進(jìn)行了自動(dòng)化的改造，日照嵐橋30萬(wàn)噸級(jí)礦石碼頭的斗輪機(jī)初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)的調(diào)試工作[2]。

在斗輪機(jī)自動(dòng)化控制過(guò)程中，主要需要解決三個(gè)難題，一是料堆建模問(wèn)題，二是堆取料的控制，三是防碰撞問(wèn)題[3]。本文從這三個(gè)難題出發(fā)，基于料堆建模技術(shù)、堆取料自動(dòng)控制技術(shù)和空間防碰撞技術(shù)，提出一種新型碼頭斗輪機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型斗輪機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)包含：通訊模塊、定位模塊、料堆檢測(cè)模塊、斗輪電流檢測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、安全防撞模塊、本地HMI操作模塊、視頻模塊、遠(yuǎn)程操作管理模塊等，各模塊之間通過(guò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

2 斗輪機(jī)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)

2.1通訊模塊

斗輪機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)模塊之間通過(guò)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。利用工業(yè)通訊模塊、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用網(wǎng)線/光纜方式連接，建立中控系統(tǒng)與地面堆斗輪機(jī)之間工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)控制網(wǎng)的鏈路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息數(shù)據(jù)交換、共享。

2.2定位模塊

要實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)的自動(dòng)堆取料，首先要實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)的自動(dòng)定位。斗輪機(jī)主要包括三個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，即斗輪機(jī)大車(chē)行走、斗輪旋轉(zhuǎn)、懸臂回轉(zhuǎn)、俯仰。

2.2.1編碼器定位

斗輪機(jī)大車(chē)行走采用絕對(duì)值編碼器進(jìn)行定位，臂回轉(zhuǎn)采用高精度編碼器進(jìn)行定位，懸臂俯仰則采用在懸臂中間位置安裝傾角儀進(jìn)行定位。

2.2.2 GPS定位系統(tǒng)

在斗輪機(jī)懸臂前端安裝GPS裝置用于精確定位斗輪機(jī)位置，GPS絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)在中央處理服務(wù)器轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)用（X，Y，Z）表示，分別代表料場(chǎng)長(zhǎng)度方向維度、料場(chǎng)寬度方向維度、料堆高度方向維度。轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)用于各機(jī)構(gòu)的位置控制和切入點(diǎn)、切出點(diǎn)定位的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

為確保斗輪機(jī)各機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，采用GPS、編碼器兩套定位系統(tǒng)，兩套定位系統(tǒng)互為冗余，互相校驗(yàn)。如果其中一套出現(xiàn)故障或者信號(hào)不穩(wěn)定，PLC對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行采集、處理，瞬間切換到另一套定位系統(tǒng)，確保自動(dòng)化作業(yè)正常運(yùn)行。

3斗輪機(jī)自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)

3.1料堆檢測(cè)模塊

料堆建模有圖像建模和激光掃描儀建模兩種方式，而圖像建模耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，不適用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為獲取料堆的三維輪廓數(shù)據(jù)，采用激光掃描儀。掃描系統(tǒng)工作流程圖如圖2。

激光掃描儀對(duì)料堆表面進(jìn)行二維高速連續(xù)掃描，獲取料堆表面上各點(diǎn)的位置信息;通過(guò)高速通訊接口獲取的來(lái)自斗輪機(jī)的大車(chē)行走、俯仰、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及斗輪機(jī)本身的尺寸數(shù)據(jù)、激光掃描儀的安裝位置數(shù)據(jù);對(duì)兩個(gè)掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、空間變換;對(duì)激光數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

通過(guò)機(jī)構(gòu)平移及回轉(zhuǎn)擺動(dòng)獲得第三維數(shù)據(jù)，利用坐標(biāo)變換和三維重建算法構(gòu)建料堆的三維立體模型，同時(shí)濾除由于抖動(dòng)和遮擋產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù);利用LOD技術(shù)，根據(jù)料堆模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定模型渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

通過(guò)三維圖形處理軟件將三維模型中的關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)，包括堆料高度、寬度、起始位置、終止位置及其他位置數(shù)據(jù)傳送到單機(jī)全自動(dòng)作業(yè)控制程序模塊中，為全自動(dòng)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2堆取料自動(dòng)控制技術(shù)

在自動(dòng)化控制模塊中，自動(dòng)化控制包括大車(chē)行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、尾車(chē)、中間皮帶、懸臂皮帶等10余個(gè)動(dòng)力機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制。斗輪機(jī)堆取料工藝的選擇會(huì)影響設(shè)備的安全性及工作效率，下面對(duì)堆料和取料方式分別研究，結(jié)合堆取料的工藝流程，得出效率高的堆取料方式，進(jìn)行邏輯化編程，實(shí)現(xiàn)堆取料的自動(dòng)化控制。

3.2.1自動(dòng)堆料模塊

（1）定點(diǎn)堆料。堆料時(shí)把大臂架調(diào)整到適當(dāng)高度，在堆料過(guò)程中一面堆料一面抬高大臂堆料高度，直至達(dá)到堆高要求后開(kāi)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)一個(gè)位置，繼續(xù)從下往上堆料。這種堆料方式，動(dòng)作單一，消耗功率小，操作也很簡(jiǎn)單。

（2）回轉(zhuǎn)堆料。將斗輪機(jī)先固定在某一位置，即大車(chē)暫不行走，物料按臂架回轉(zhuǎn)半徑的軌跡堆出，由低到高逐層進(jìn)行，堆到需要長(zhǎng)度后，再升高一個(gè)高度，進(jìn)行第二層第三層堆料，直至堆到要求高度。這種堆料優(yōu)點(diǎn)是堆料有規(guī)則，缺點(diǎn)是繁瑣、功率消耗大。

（3）鱗狀定點(diǎn)堆料。①新堆的場(chǎng)合：當(dāng)垛位內(nèi)沒(méi)有貨料時(shí)，可采用新堆方式，斗輪機(jī)根據(jù)堆積方向和垛位的起始地址，自動(dòng)計(jì)算出推薦的堆積起始地址，堆積方式如圖3。先堆1列1行（再寸動(dòng)）-1列2行-1列3行等，直至到系統(tǒng)計(jì)算推薦（或人工設(shè)置堆積結(jié)束地址）;然后再堆2列3行-2列2行-2列1行。事先設(shè)定列與列的間距，系統(tǒng)根據(jù)料場(chǎng)寬度和列間距自動(dòng)計(jì)算合理列數(shù)。該模式的結(jié)束地址由系統(tǒng)根據(jù)需要堆積的來(lái)料量、料堆高度和寬度計(jì)算得到一個(gè)推薦的堆積長(zhǎng)度（即堆積結(jié)束地址），人工也可根據(jù)實(shí)際情況修改該計(jì)算值，當(dāng)自動(dòng)堆積達(dá)到結(jié)束地址值時(shí)，若尚有余料，由于余料量一般會(huì)較少，系統(tǒng)對(duì)余料的堆積方式會(huì)自動(dòng)切換到上述堆積方式。視實(shí)際情況，操作人員可設(shè)定新的堆積起始點(diǎn)和堆積方向，按照給定的堆積方向，以上述方式進(jìn)行余料堆積。②補(bǔ)堆的場(chǎng)合。當(dāng)垛位內(nèi)有貨料時(shí)，可以采用補(bǔ)堆方式，補(bǔ)堆可以先對(duì)垛內(nèi)余料進(jìn)行掃描，進(jìn)行掃描后的垛位可以使用系統(tǒng)進(jìn)行垛形計(jì)算，模型系統(tǒng)會(huì)根據(jù)垛形尋找缺口找到推薦落料點(diǎn)，后續(xù)堆積方式與新堆的堆積方式相類似。

自動(dòng)堆料過(guò)程中，斗輪機(jī)按照作業(yè)計(jì)劃，自動(dòng)進(jìn)行堆料計(jì)算，并進(jìn)行自動(dòng)對(duì)位，“定點(diǎn)堆積法”功能由斗輪機(jī)機(jī)上PLC實(shí)現(xiàn)，垛型種類以定點(diǎn)堆積為主，堆積點(diǎn)達(dá)到指定高度時(shí)，俯仰和回旋角度保持不變，斗輪機(jī)進(jìn)行寸動(dòng)，落料點(diǎn)移動(dòng)到先前已成型料堆的肩處，并開(kāi)始第二堆的作業(yè)，以此類推，直至堆料作業(yè)結(jié)束。

3.2.2自動(dòng)取料模塊

本功能模塊主要包括遠(yuǎn)程手動(dòng)操作模式、半自動(dòng)操作模式、全自動(dòng)操作模式三種作業(yè)模式，并為全自動(dòng)取料各設(shè)一套自動(dòng)取料工藝，具體方案如下：

（1）中控手動(dòng)取料作業(yè)?？赏ㄟ^(guò)中控室操作平臺(tái)上的操作面板，進(jìn)行取料機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰動(dòng)作，結(jié)合上位機(jī)軟件及視頻監(jiān)控圖像，達(dá)到遠(yuǎn)程手動(dòng)操控取料的目的。

（2）半自動(dòng)操作模式。半自動(dòng)取料是指在激光三維掃描及三維成像系統(tǒng)在異常條件下導(dǎo)致全自動(dòng)操作系統(tǒng)不能正常工作而開(kāi)發(fā)的一套作業(yè)模式。半自動(dòng)取料控制模式下，取料機(jī)對(duì)位需要人工輸入目標(biāo)作業(yè)地址，在達(dá)到作業(yè)位置后，需要人工手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)層作業(yè)，開(kāi)層后，人工輸入取料作業(yè)左右邊界條件，取料機(jī)自動(dòng)進(jìn)行取料作業(yè)，在對(duì)該層作業(yè)完成后，需人工進(jìn)行換層，手動(dòng)定位切入點(diǎn)完成后，繼續(xù)當(dāng)前層的自動(dòng)取料作業(yè)，直至作業(yè)結(jié)束。

（3）全自動(dòng)操作模式。旋轉(zhuǎn)分層取料工藝，根據(jù)料堆長(zhǎng)度分為旋轉(zhuǎn)分層分段取料工藝和旋轉(zhuǎn)分層不分段取料工藝兩種作業(yè)方式[4]，為了使取料效率最大化，采用取料效率高的旋轉(zhuǎn)分層不分段取料工藝，可以避免作業(yè)過(guò)程中由于塌垛而造成設(shè)備的斗輪和臂架過(guò)載的危險(xiǎn)，適用于較低、較短的料堆，在作業(yè)中臂架不會(huì)碰及料堆。為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分層等量取料，在自動(dòng)控制方式下，按等量取料算法，臂架旋轉(zhuǎn)速度與瞬時(shí)流量成正比，斗輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流與取料瞬時(shí)流量成正比，可以通過(guò)變頻器計(jì)算的電機(jī)電流反饋實(shí)時(shí)發(fā)送給PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流量控制。PLC通過(guò)PID算法，將斗輪電機(jī)電流作為反饋信號(hào)，將臂架旋轉(zhuǎn)速度作為控制源，實(shí)現(xiàn)恒流量取料控制。

3.3防撞系統(tǒng)

（1）雷達(dá)防撞：斗輪斗輪機(jī)大車(chē)門(mén)腿上分別安裝4個(gè)雷達(dá)傳感器，當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)到軌道上有障礙物時(shí)，發(fā)出報(bào)警，大車(chē)停止運(yùn)行。

（2）激光防撞：在懸臂兩側(cè)安裝多個(gè)激光距離傳感器，多個(gè)傳感器在懸臂外圍形成包圍圈，有效地保護(hù)懸臂在堆取料過(guò)程中的安全。

（3）超聲波防撞：在斗輪和懸臂處安裝超聲波測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斗輪、懸臂與料堆的相對(duì)位置，當(dāng)有碰撞發(fā)生時(shí)，斗輪機(jī)本地PLC避讓或停止作業(yè)，并發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

斗輪機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)深入發(fā)展的產(chǎn)物，正向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，自動(dòng)化斗輪機(jī)的投入使用能夠改善作業(yè)人員的勞動(dòng)環(huán)境，降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保障人身安全。本文設(shè)計(jì)的新型斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，著重于解決斗輪機(jī)自動(dòng)化控制中料堆建模、堆取料控制、防碰撞三大問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)自動(dòng)化控制，提高料場(chǎng)的工作效率，改善工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳磊，趙憲花.散貨碼頭智能化發(fā)展制約因素研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2016，16（01）：62-63.

[2]高玉軍，孫波，褚衍剛，趙朋朋.堆取料機(jī)自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)在董家口礦石碼頭的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2019，38（11）：172-175.

[3]潘宗才. 斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研制[D].廣西大學(xué)，2018.

[4]李祥軍.臂式斗輪堆取料機(jī)堆、取料工藝[J].科技風(fēng)，2019（10）：154.