斗輪取料機實時取料流量檢測方法的研究

陳致遠

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.039

摘 要：取料機是專業(yè)煤炭碼頭的主力裝船設(shè)備，一直以來，屬于高強度人工作業(yè)。隨著自動化程度的提高，取料機自動化也就提上了日程。其中，一個重要的難題便是如何控制取料流量，而控制流量的一個前提便是獲取實時流量的反饋。文章主要研究如何通過斗輪壓力來估算實時流量。

關(guān)鍵詞：取料機 取料流量 斗輪壓力

中圖分類號：TH237 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0039-03

The Research Of Reclaimer Real Tme Flow Estimation

Chen Zhiyuan

（Shenhua Huanghua Harbour Administration CORP.（LTD）， Cangzhou Hebei， 061113， China）

Abstract：Reclaimer is the essential equipment in the professional coal harbor. For a long time， reclaimer operation is a high-labor work. As the automation technology gets better， the reclaimer automation becomes reachable. For the reclaimer automation， a big issue is the flow control. To control the flow very well， the key is to get the real time flow feedback. The article mainly research the method that how to estimate the flow by bucket wheel pressure.

Key Words：Reclaimer； Fow； Bucket wheel pressure

神華黃驊港務(wù)公司負責(zé)運營的黃驊港煤炭港區(qū)，位于西煤東運第二大通道朔黃鐵路的終端，年設(shè)計吞吐能力1.8億t，自投產(chǎn)運行以來，一直保持著高位運行。自2015年以來，為了提高勞動生產(chǎn)率，神華黃驊港務(wù)公司陸續(xù)進行了堆場的自動化改造。目前，港務(wù)公司一期堆場已經(jīng)全部實現(xiàn)自動化作業(yè)，堆、取料機均已持續(xù)自動化運行，成為國內(nèi)首個全自動運行的煤炭堆場。改造完成后，取料機作業(yè)效率得到進一步穩(wěn)固，同時取料流量穩(wěn)定性得到顯著提升。

取料機作為散貨碼頭裝船作業(yè)的主力設(shè)備，其作業(yè)效率直接關(guān)系到港口運行效率與吞吐量，但由于取料作業(yè)屬于長時間連續(xù)作業(yè)，對于傳統(tǒng)的手動操作方式，不僅操作人員勞動強度高，作業(yè)效率也很容易受到操作人員工作狀態(tài)的影響而出現(xiàn)滑坡。隨著現(xiàn)代科技的進步，工控產(chǎn)品得到不斷升級，取料機的全自動運行也就具備了實現(xiàn)的條件。取料機全自動運行主要包含以下4部分內(nèi)容，分別是對垛、換層，邊緣檢測，流量控制以及配套安全保護措施。其中，流量控制對于安全高效生產(chǎn)及提高配煤精確度，有著至關(guān)重要的作用。

1 幾種獲取取料流量反饋值方法的比較

就流量控制而言，閉環(huán)控制是達到高精度流量控制的前提條件，而閉環(huán)控制中反饋信號，也就是實時取料流量的獲取，是流量控制中的一個難點。

通常來講，最直觀的獲取取料流量的方式是通過皮帶秤，但受限于皮帶秤的安裝位置，從取料機斗輪取到煤，到煤流經(jīng)過皮帶秤，往往需要花費10 s左右的時間，如果采用皮帶秤作為取料流量反饋信號，中間會存在很長時間的延遲，等到系統(tǒng)做出響應(yīng)，實際情況已經(jīng)發(fā)生變化，這對于流量的控制是一個極大的干擾，反而會造成取料流量的不平穩(wěn)。

另外一種方式，是在懸臂皮帶前端安裝攝像頭，通過圖像分析技術(shù)，來估算皮帶上的煤量，結(jié)合皮帶帶速，進行取料流量的估算。但這個方法有兩個方面的缺陷：一個是圖像分析只能獲取皮帶上煤流的體積估算，流量估算的準(zhǔn)確性還受到具體煤種密度的影響，而具體煤種的真正的堆密度往往難以準(zhǔn)確獲取；另一方面，即使測量位置前移，測量點仍然是在皮帶上，雖然延遲時間較皮帶秤有所減小，但時間延遲同樣難以避免。

第三種方式是通過取料過程中斗輪響應(yīng)的變化來估算取料流量。通過斗輪獲取實時流量的估算，有兩種途徑：一種是通過在斗輪上安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，另一種是通過斗輪驅(qū)動。前一種方法，通過直接測量斗輪轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化為取料流量，這種方法在國外有所應(yīng)用，但很大程度上受限于安裝位置，具體效果也難以保證；后一種方法，屬于間接測量，根據(jù)斗輪驅(qū)動形式的不同，電機驅(qū)動斗輪測量電機電流，液壓驅(qū)動斗輪則是測量液壓馬達入口壓力，再經(jīng)過公式計算，來估算取料流量。斗輪作為取料機的取料部位，對實時的取料流量是最直接也是最敏感的，屬于無延遲測量，因此，通過斗輪獲取實時取料流量是最佳的方法。

神華黃驊港務(wù)公司的取料機斗輪驅(qū)動形式均為液壓驅(qū)動，因此，在實際應(yīng)用中，通過在斗輪液壓馬達入口安裝壓力傳感器，獲取實時斗輪壓力。

2 使用斗輪壓力估算取料流量的方法及不同條件下的區(qū)別對待

斗輪驅(qū)動中使用的液壓泵一般為柱塞泵，因而，在斗輪實際旋轉(zhuǎn)過程中，即使斗輪空轉(zhuǎn)，斗輪壓力仍然存在小范圍的波動，而當(dāng)大流量取料時，泵本身的壓力波動與取料過程中正常的壓力波動共同作用，就引起了更大的壓力波動，如果以此作為估算取料流量的依據(jù)，相當(dāng)于在控制過程中引入了干擾，不利于取料流量的精確控制。為此，需要在使用斗輪壓力估算取料流量之前，對斗輪壓力進行必要的處理，減小壓力波動帶來的影響。

在信號處理中，模擬量一般需要進行濾波處理，斗輪壓力也是這樣。對于斗輪壓力，由于其波動形狀非常接近正弦波，濾波算法有兩種選擇：一種是低通濾波器（Low-Pass Filter），另外一種是陷波濾波器（Notch Filter）。從原理上分析，考慮到斗輪壓力的波動形狀，陷波濾波器具有更好的性能，其能夠使信號中特定的頻率信號通過，而極大地衰減其他頻率成分。在實際調(diào)試過程中，為了更直觀地獲得兩種濾波算法的效果比較，分別對兩種濾波算法的性能進行了測試，圖1為港務(wù)公司一期R1取料機斗輪正常作業(yè)時壓力處理曲線圖，其中，曲線1為未經(jīng)處理的斗輪壓力；曲線2為經(jīng)過低通濾波器處理后的斗輪壓力；曲線3為經(jīng)過陷波濾波器處理后的斗輪壓力。

從圖2中可以看出，兩種濾波器均達到了減小斗輪壓力跳動的目的，但陷波濾波器的效果并沒有明顯優(yōu)于低通濾波器，反而在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)一旦濾波系數(shù)整定存在偏差，會引起很大的壓力延遲，這相當(dāng)于在實時控制中引入了滯后，反而不利于流量控制的穩(wěn)定。綜合考慮到陷波濾波器整定較復(fù)雜，而低通濾波器整定較簡單的因素，在實際應(yīng)用中，選擇使用低通濾波器作為斗輪壓力的處理方法。

在對斗輪壓力進行濾波處理之后，需要尋找斗輪壓力與取料流量之間的關(guān)系。一般認為，斗輪壓力與取料流量之間具有線性關(guān)系，即：

F=（Pr-Pn）×K

其中，F(xiàn)為實時取料流量；Pr為實時斗輪壓力；Pn為斗輪空載壓力；K為壓力與流量間的轉(zhuǎn)換系數(shù)值。

按照這個公式進行估算的話，最重要的是獲取系數(shù)K的值，在計算系數(shù)值時需要提前獲取以下幾個數(shù)據(jù)。

（1）從斗輪取到煤，到煤流經(jīng)過皮帶秤中間所需要的時間t1。

（2）斗輪空載壓力Pn。由于斗輪在空轉(zhuǎn)時，壓力是變化的，因此，需要根據(jù)壓力變化范圍取中間值參與計算。

因此，系數(shù)K的計算公式為：

K=Ft+t1/（Pt-Pn）

其中，Pt為當(dāng)前的斗輪壓力；Pn為斗輪空載壓力；Ft+t1為t1秒之后的皮帶秤流量。為了最終得到較為可靠的K值，需要截取多段數(shù)據(jù)進行K值計算，然后對其做平均值處理，獲得較為可靠的K值。

但在實際過程中，由于斗輪取料過程中的物理特性，這個系數(shù)K并不是固定不變的，而是規(guī)律性變化的。需要從以下幾個方面進行細化處理。

（1）臂架不同回轉(zhuǎn)方向造成的影響。由于安裝在取料機上的斗輪并不是與臂架方向平行，而是存在一定夾角，兩個方向在取料時阻力有所不同，因此，在臂架左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)時，取料系數(shù)K值是不同的。具體來看，如果以向斗輪傾斜側(cè)回轉(zhuǎn)為方向A，另一側(cè)為方向B，則當(dāng)向A方向回轉(zhuǎn)時，取料系數(shù)K要大于向B方向。因此，根據(jù)回轉(zhuǎn)方向，對于系數(shù)K，有一個補充系數(shù)Kd。

（2）取料量大小造成的影響。隨著取料流量的增加，斗輪面對的阻力也是不同的。當(dāng)取料流量越大時，表現(xiàn)為單位斗輪壓力所能取到的料量是越小的。因此，需要針對不同的斗輪壓力，對系數(shù)值進行補償。補償值的獲取，難以通過公式進行具體計算，而是要通過在實際調(diào)試過程中，經(jīng)過對不同取料流量下參數(shù)值的測算，最終測得各個壓力下的參數(shù)值。因此，根據(jù)斗輪壓力的大小，對于系數(shù)K，有一個補充系數(shù)KF。

（3）不同煤種造成的影響。煤種可以簡單劃分為塊煤與粉煤，對斗輪取料來講，這種區(qū)別并不是指密度，而主要指挖取過程中煤炭的流動性，塊煤的流動性要高于粉煤很多，這意味著即使斗輪付出了相同的壓力，塊煤取料過程中很多煤是取不到斗輪內(nèi)的，而是在隨著挖取流到了斗輪之外，這種特性隨著煤塊尺寸的增大，而越發(fā)明顯。因此，根據(jù)煤炭煤種的區(qū)別，有一個補充系數(shù)KB。

綜合以上因素，在獲取K時，需要對不同煤種、不同回轉(zhuǎn)方向、不同取料量分別進行測算，最終獲得適用于不同情況下的K值。

3 使用斗輪壓力估算流量值時的幾點建議

（1）雖然經(jīng)過調(diào)試計算能夠得到以壓力值為劃分的參數(shù)值，但在實際使用中是否使用此種壓力值劃分是值得商榷的。因為，在取料過程中，壓力的波動是不可避免的，以壓力值范圍作為參數(shù)值的劃分，在一些情況下很容易造成參數(shù)值的跳動，進而造成估算取料流量值的非正常跳動，最終影響了整個閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。另一種折中的方式是按照設(shè)定的取料流量來進行參數(shù)值劃分，這種方法雖然在取料過程中會造成某些時候的估算誤差，但當(dāng)實際取料流量到達設(shè)定取料流量附近時，估算是吻合的，同時，由于避免了取料過程中參數(shù)值的跳動，閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能也得到了提升。

（2）在進行系數(shù)K的整定前，需要提前對取料過程中的大機進車量進行調(diào)試，獲得一個既能滿足最大限度利用斗齒大小，又不會造成明顯煤炭灑落的進車量。因為，一旦進車量設(shè)置過大，正常取料過程中尤其是回轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)時，斗輪灑煤現(xiàn)象是非常明顯的，對于斗輪來講，這相當(dāng)于很多壓力是在做無用功，在此情況下，整定出的參數(shù)也就是有問題的。

（3）在安裝壓力開關(guān)時，最佳的方法是在斗輪液壓站出口與液壓泵入口各安裝一個壓力開關(guān)，這樣能夠進行相互校驗，一旦出現(xiàn)問題，可以及時發(fā)現(xiàn)。因為，一旦采用斗輪壓力信號作為流量反饋，但壓力信號缺失時，會造成很嚴(yán)重的失控后果。

4 結(jié)語

作為全自動取料機流量控制中的一個關(guān)鍵因素，實時流量的檢測有著非常重要的作用，文章中所列舉的處理方法已在黃驊港一期堆場投入使用，配合閉環(huán)流量算法，顯著提高了作業(yè)中的流量穩(wěn)定性。

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