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      智能無(wú)人抓斗吊天車在有色金屬行業(yè)的應(yīng)用

      2022-09-08 04:18:04
      今日自動(dòng)化 2022年7期
      關(guān)鍵詞:天車控系統(tǒng)起重機(jī)

      鄧 君

      (湖南天橋嘉成智能科技有限公司,湖南株洲 412000)

      某有色金屬冶煉股份有限公司用于銅冶煉渣處理的精礦倉(cāng)配料車間,車間廠房長(zhǎng)210m,改造一臺(tái)純手動(dòng)抓斗吊,實(shí)現(xiàn)行車加料的全自動(dòng)運(yùn)行。為了解決該配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣,人工勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低,設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題,結(jié)合企業(yè)智能制造和智慧工廠建設(shè)整體戰(zhàn)略,對(duì)該工序的物料轉(zhuǎn)運(yùn)及上料作業(yè)進(jìn)行智能化及相關(guān)配套改造,是非常具有現(xiàn)實(shí)積極意義的。對(duì)此,文章以智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)為案例,重點(diǎn)就其在該企業(yè)精礦倉(cāng)配料車間中智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應(yīng)用作了分析,希望能達(dá)到減人增效、降低設(shè)備故障、提升操作管理水平和效率、提升工序整體自動(dòng)化和信息化水平的目的。

      1 智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)概述

      此項(xiàng)目配料車間抓斗起重機(jī)智能化系統(tǒng)是基于可編程控制器(PLC)、變頻器和傳感器的控制系統(tǒng)以及機(jī)器識(shí)別、計(jì)算機(jī)、通信等信息技術(shù),并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的智能調(diào)度與控制算法,實(shí)現(xiàn)抓斗起重機(jī)無(wú)人操作模式下的自動(dòng)化運(yùn)行。

      為實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)以及客戶對(duì)于天車作業(yè)自動(dòng)化的各項(xiàng)功能目標(biāo),智能抓斗天車系統(tǒng)一般需要配備多個(gè)功能技術(shù)模塊,一般主要包含:無(wú)人天車電控系統(tǒng),定位及防搖系統(tǒng)、智能識(shí)別系統(tǒng)、地面輔助及安全系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),中控系統(tǒng)。

      2 配料車間智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應(yīng)用

      2.1 智能無(wú)人抓斗天車電控系統(tǒng)

      無(wú)人天車電控系統(tǒng)主要由車載PLC 系統(tǒng)、各機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變頻器、傳感器以及相關(guān)控制軟件組成。車載PLC 采用西門子S7-1500系列。抓斗的起升及開(kāi)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用高性能變頻器控制,速度精度及力矩精度高,適合起重機(jī)電機(jī)控制。

      2.1.1 智能抓斗天車電控系統(tǒng)(抓斗控制)的關(guān)鍵技術(shù)

      湖南天橋嘉成智能科技有限公司智能無(wú)人天車抓斗設(shè)計(jì)為自立型重型上部雙股四繩防纏繞結(jié)構(gòu)。雙股四繩防纏繞設(shè)計(jì)、高性能PLC 及變頻器的選型配置以及公司獨(dú)創(chuàng)的四繩同步控制技術(shù)(三閉環(huán)同步控制系統(tǒng)),使得抓斗動(dòng)作平穩(wěn)、精準(zhǔn),有效防止鋼絲繩松弛、纏繞、磨損,是防止抓斗漏料,保證作業(yè)效率和滿斗率等關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于人工操作的關(guān)鍵技術(shù)之一。

      2.1.2 智能無(wú)人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

      智能無(wú)人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

      圖1 智能無(wú)人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D

      2.2 自動(dòng)定位及防搖擺系統(tǒng)

      天車自動(dòng)定位實(shí)現(xiàn)原理:起重機(jī)三維位置檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)起重機(jī)的三維位置,通過(guò)PLC 的調(diào)度子程序,向起重機(jī)發(fā)送目標(biāo)位置。車載PLC 接受到該位置后,控制各機(jī)構(gòu)變頻器驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)電機(jī)向目標(biāo)位置運(yùn)行,通過(guò)一定優(yōu)化算法,當(dāng)起重機(jī)停止時(shí),剛好達(dá)到目標(biāo)位置,有效提高定位效率。

      2.2.1 大、小車定位系統(tǒng)

      如圖2所示,大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)(X、Y 方向)采用激光測(cè)距儀對(duì)位置信息進(jìn)行檢測(cè)。激光測(cè)距儀帶有標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET 接口,可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式直接將實(shí)時(shí)位置信息傳輸給PLC 控制器,定位準(zhǔn)確,精度可達(dá)±2 mm。

      圖2 激光測(cè)距儀的技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)

      大、小車定位系統(tǒng)通過(guò)激光在發(fā)射器與反射板之間的反射與接收,利用時(shí)間飛行函數(shù)計(jì)算,得出大小車在軌道上的距離位置信息。

      定位系統(tǒng)的具體方案應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布局、工作環(huán)境、精度要求、安裝維護(hù)、可靠性、投資性價(jià)比等因素進(jìn)行綜合選型和配置。

      本項(xiàng)目中的大、小車定位系統(tǒng)也可考慮采用絕對(duì)值編碼器+RFID 磁釘校準(zhǔn)定位技術(shù)。

      2.2.2 抓斗起升、開(kāi)閉定位

      智能無(wú)人抓斗天車起升機(jī)構(gòu)(Z 方向)及抓斗開(kāi)閉位置檢測(cè)采用絕對(duì)值編碼器,其集成的PROFINET接口可以實(shí)現(xiàn)與S7-1500PLC 的完美融合和數(shù)據(jù)傳輸。其多圈高分辨率的計(jì)數(shù)特點(diǎn),完全能夠滿足客戶高精度定位的要求,特別是高強(qiáng)度的防護(hù)等級(jí),具有強(qiáng)抗沖擊和抗震動(dòng)能力,適用于惡劣工業(yè)環(huán)境。

      (1)行車起升機(jī)構(gòu)(Z 軸方向)通過(guò)在升降卷筒端部安裝多圈絕對(duì)值編碼器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量Z 軸的位置。

      (2)抓斗開(kāi)閉卷筒端部安裝多圈絕對(duì)值編碼器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量抓斗開(kāi)閉狀態(tài)。

      (3)抓斗上方配置的稱重傳感裝置能夠判斷物料抓取情況,同時(shí)輔助進(jìn)行抓斗觸底判斷。

      2.2.3 電子防搖

      防搖控制原理:利用軟測(cè)量技術(shù)估計(jì)吊鉤偏擺角,采用狀態(tài)反饋的方法對(duì)橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度控制同時(shí)抑制吊鉤擺角,基于軟測(cè)量技術(shù)擺角檢測(cè)方法無(wú)需加裝任何傳感器,只需要變頻器內(nèi)部加入軟件算法即可,防搖算法采用狀態(tài)方程和狀態(tài)反饋的方法,實(shí)時(shí)估算吊鉤的擺角,然后調(diào)整大小車的加減速度。

      2.3 機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)

      供料車間煤倉(cāng)抓斗起重機(jī)智能化系統(tǒng)中的機(jī)器識(shí)別主要包括車輛識(shí)別(含車牌號(hào)、進(jìn)場(chǎng)與離場(chǎng)判斷)、堆場(chǎng)物料狀態(tài)識(shí)別、煤臺(tái)加料倉(cāng)料位識(shí)別。

      2.3.1 車輛識(shí)別

      運(yùn)輸卡車進(jìn)入煤倉(cāng)作業(yè)區(qū)前,作業(yè)區(qū)車輛入口處的車牌識(shí)別及智能道閘系統(tǒng),識(shí)別車牌號(hào),車牌信息進(jìn)入智能天車中控系統(tǒng)。

      智能天車中控系統(tǒng)核對(duì)車輛車牌信息,若符合,則道閘自動(dòng)開(kāi)啟,車輛駛?cè)搿?/p>

      智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛入庫(kù)信號(hào),將行車工作范圍進(jìn)行鎖定,確保卸車時(shí)的作業(yè)安全。

      司機(jī)按照卸車規(guī)則完成卸料后,駛離作業(yè)區(qū),智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛出庫(kù)信號(hào),對(duì)智能行車進(jìn)行解鎖。

      若客戶已部署TMS(運(yùn)輸管理系統(tǒng)),則智能天車中控系統(tǒng)還能通過(guò)系統(tǒng)對(duì)接,獲取運(yùn)單及物料信息。

      2.3.2 堆場(chǎng)及煤臺(tái)料倉(cāng)物料識(shí)別

      在起重機(jī)主梁下安裝二維激光掃描儀,大車移動(dòng)至堆場(chǎng)上方對(duì)該區(qū)域進(jìn)行來(lái)回移動(dòng)數(shù)次掃描。上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)掃描工控機(jī)獲取的3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用相應(yīng)的圖像及數(shù)據(jù)處理軟件,實(shí)時(shí)計(jì)算出堆場(chǎng)物料邊界、高度等狀態(tài)信息。

      2.4 地面輔助及安全系統(tǒng)

      由于智能無(wú)人抓斗天車處于無(wú)人駕駛狀態(tài),自動(dòng)化程度高,運(yùn)輸卡車等地面設(shè)備必然需要與無(wú)人天車系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互,實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制功能。

      (1)部署就地電控系統(tǒng),車輛司機(jī)可通過(guò)就地電控系統(tǒng)按鈕或人機(jī)交互界面輸入“卸車請(qǐng)求、緊急停止、繼續(xù)卸車”等信號(hào),系統(tǒng)也可向司機(jī)發(fā)出語(yǔ)音提示、聲光報(bào)警等信號(hào)。

      (2)就地電控系統(tǒng)也可部署于遠(yuǎn)程中控室內(nèi),司機(jī)的操作則相應(yīng)由中控室值守人員完成。

      (3)裝車請(qǐng)求處部署網(wǎng)絡(luò)電話機(jī),便于地面人員和控制中心人員溝通。中控臺(tái)上安裝網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒,同時(shí)具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話功能。

      (4)天車上安裝功放擴(kuò)音器,可以利用中控臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒對(duì)天車作業(yè)區(qū)域進(jìn)行廣播喊話,如滯留人員的驅(qū)離等,進(jìn)一步強(qiáng)化天車自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)的安全。

      (5)部署帶有人體闖入偵測(cè)和滯留偵測(cè)的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),當(dāng)自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域有人員滯留,或是卡車司機(jī)停留在司機(jī)室等非安全區(qū)域時(shí),系統(tǒng)能進(jìn)行有效識(shí)別并輸出告警或停車。

      (6)作業(yè)區(qū)出入口通道設(shè)置電子圍欄,當(dāng)自動(dòng)化作業(yè)期間有人、車異常闖入時(shí),系統(tǒng)能自動(dòng)停車或發(fā)出聲光或語(yǔ)音告警。

      (7)作業(yè)區(qū)域設(shè)置物理圍欄進(jìn)行隔離。

      (8)現(xiàn)場(chǎng)安裝一臺(tái)室外型LED 雙色顯示大屏幕,可滾動(dòng)顯示的內(nèi)容包括:①行車當(dāng)前運(yùn)行模式和狀態(tài)。②運(yùn)輸車輛是否??康轿坏男畔⒎答?。③人員安全注意事項(xiàng)告知。④中控室的人機(jī)界面編輯的其他內(nèi)容。

      注:地面輔助及安全系統(tǒng)功能,視客戶方生產(chǎn)條件以及對(duì)自動(dòng)化程度要求等實(shí)際情況,可以安裝部署上述(1)~(8)中的一種或多種功能配置。其中(1)和(2)為必選配置,其他6項(xiàng)均為可選配置。

      2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

      為使得在中控機(jī)房能夠看到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況,方便相關(guān)人員對(duì)智能起重機(jī)的抓渣上料及卸車等作業(yè)進(jìn)行人工干預(yù)和指揮,提升現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控管理水平,需要在天車及現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)位置安裝部署網(wǎng)絡(luò)攝像頭,視頻畫(huà)面通過(guò)庫(kù)區(qū)無(wú)線和有線通信系統(tǒng)回傳至中控機(jī)房顯示并可接入全廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),為滿足天車工能在中控室可進(jìn)行遠(yuǎn)程連續(xù)操控作業(yè)的要求,視頻系統(tǒng)的布置還應(yīng)在遠(yuǎn)程操控的畫(huà)面清晰度、視角、覆蓋范圍、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等方面進(jìn)行合理配置。

      2.6 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

      本項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)包括有線和無(wú)線兩大部分。其中有線數(shù)據(jù)通信主要負(fù)責(zé)地面與中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,無(wú)線數(shù)據(jù)通信主要負(fù)責(zé)天車現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線覆蓋。

      本網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用的工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)具備5G網(wǎng)絡(luò)接口功能,后期可與運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)接,5G網(wǎng)絡(luò)部署后,可實(shí)現(xiàn)中控室超遠(yuǎn)距離控制。

      現(xiàn)場(chǎng)匯聚交換機(jī)至中控室核心交換機(jī)之間采用光纖傳輸,且為雙線制,最大限度避免主干網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)故障,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)全線停車的問(wèn)題。

      所配置的高性能網(wǎng)橋采用5.8G 頻段,頻率高,信道相對(duì)純凈,傳輸帶寬大。適合對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求較高的場(chǎng)景使用。傳輸帶寬為450 Mbps 以上,在2公里的距離下,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸帶寬實(shí)測(cè)200 Mbps 以上。

      2.7 智能無(wú)人抓斗天車中控系統(tǒng)

      2.7.1 中控系統(tǒng)——硬件

      ①系統(tǒng)服務(wù)器和上位機(jī)。

      ②核心交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及視頻后臺(tái)處理設(shè)備。

      ③遠(yuǎn)程操控終端及自動(dòng)作業(yè)監(jiān)控管理終端,用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及自動(dòng)作業(yè)監(jiān)控管理操作。④中控設(shè)備配電及UPS 備電系統(tǒng)。⑤服務(wù)器柜及網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜。

      2.7.2 中控系統(tǒng)——軟件

      無(wú)人天車軟件系統(tǒng)主要用于抓斗智能天車的調(diào)度與管理,承接上位機(jī)系統(tǒng)或MES 系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃,同時(shí)兼顧庫(kù)區(qū)的激光掃描、車輛識(shí)別管理系統(tǒng)、安全、視頻監(jiān)控等設(shè)備的協(xié)同智能化管理,建立多系統(tǒng)非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)最優(yōu)算法,通過(guò)計(jì)劃排程、設(shè)備調(diào)度、路徑規(guī)劃和提供多用戶、智能化、模塊化的控制系統(tǒng),達(dá)到減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高物料信息與設(shè)備安全、提升庫(kù)區(qū)運(yùn)行效率等目標(biāo),是整個(gè)智能無(wú)人天車系統(tǒng)中的核心組成部分。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      與傳統(tǒng)人工模式下精礦倉(cāng)配料車間的物料操作管理方法相比,引入智能化無(wú)人化的抓斗吊天車系統(tǒng),不但能夠減輕人工管理成本,還能解決配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣,人工勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低,設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題?;诖耍阅秤猩饘僖睙捁煞萦邢薰镜木V倉(cāng)配料車間中經(jīng)過(guò)智能化改造的無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)為例,在介紹該系統(tǒng)作業(yè)流程、功能模塊的基礎(chǔ)上,著重介紹了其各個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用,希望能為實(shí)現(xiàn)該企業(yè)行車加料的智能化全自動(dòng)運(yùn)行而有所幫助。

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