堆取料機(jī)自動(dòng)化控制的研究與應(yīng)用

王軍正 李世龍

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，堆取料機(jī)是非常重要的設(shè)備，能夠連續(xù)、高效的進(jìn)行物料挖掘。本文將以堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制結(jié)構(gòu)與原理作為研究對(duì)象，探索自動(dòng)、半自動(dòng)控制方法，研究設(shè)計(jì)堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制關(guān)鍵系統(tǒng)，達(dá)成無(wú)人化管理料場(chǎng)作業(yè)的目的。

關(guān)鍵詞：堆取料機(jī);自動(dòng)控制;PLC

前言：堆取料機(jī)是物料輸送設(shè)備的起源，在工業(yè)生產(chǎn)中屬于很重要的設(shè)備，關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)效率。在信息化技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，過(guò)去的手段已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)代的生產(chǎn)要求。漸漸的電子信息化手段成為了工業(yè)生產(chǎn)核心技術(shù)。在物料輸送技術(shù)中，電氣自動(dòng)化控制屬于很重要的技術(shù)手段，在很多工業(yè)系統(tǒng)中都能見(jiàn)到其身影。

1 堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制原理和結(jié)構(gòu)

1.1原理

堆取料機(jī)自動(dòng)化控制靠的是人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了料場(chǎng)散料的自動(dòng)化控制。按照不同情況，選擇不同堆取料方式和控制系統(tǒng)。堆取料機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中是很重要的設(shè)備。目前常見(jiàn)的有橋式、斗輪旋轉(zhuǎn)式、懸臂梁式等類型[1]。這種設(shè)備包括回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、中控系統(tǒng)等，在企業(yè)、大型貨場(chǎng)以及碼頭中應(yīng)用非常廣泛。依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)，只需要操作人員點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，中控系統(tǒng)就能自動(dòng)化處理與掃描作業(yè)任務(wù)，之后將任務(wù)信息變成指令，使用掃描技術(shù)識(shí)別料場(chǎng)中的散堆坐標(biāo)，并將物料的規(guī)模、大小與形狀發(fā)送給中控系統(tǒng)。此時(shí)PLC就能夠按照作業(yè)情況，選擇對(duì)應(yīng)的控制方式。

1.2結(jié)構(gòu)

堆取料機(jī)的控制系統(tǒng)，主要是中控系統(tǒng)與堆取料機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)。關(guān)鍵系統(tǒng)為回轉(zhuǎn)、俯仰、走行、PLC、掃描、監(jiān)控、防碰撞等。

（1）回轉(zhuǎn)

使用驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)與臂架回轉(zhuǎn)裝置，在帶外齒轉(zhuǎn)盤軸承中安裝回轉(zhuǎn)。此時(shí)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)齒輪，小齒輪和轉(zhuǎn)盤軸承外齒圈嚙合，讓回轉(zhuǎn)部分跟著一起動(dòng)。

（2）俯仰

應(yīng)用液壓驅(qū)動(dòng)的方法，控制俯仰系統(tǒng)。液壓控制這一系統(tǒng)包括高壓球閥、油缸控制閥、導(dǎo)料槽翻板油缸、皮帶張緊油缸、俯仰油缸。使用串電阻調(diào)速，使用液力推桿制動(dòng)器制動(dòng)[2]。

（3）走行

該裝置配備了錨定、夾軌器等裝置，車架端部配有軌道清掃器。控制系統(tǒng)包括安全裝置、平衡臺(tái)車、調(diào)速變頻器、電氣控制。該系統(tǒng)應(yīng)用可調(diào)速變頻電機(jī)控制。

（4）PLC

堆取料機(jī)使用可編程控制器PLC，通過(guò)觸摸屏操作，使用總線和模塊連接，賦予系統(tǒng)通訊功能。操作中，在現(xiàn)場(chǎng)需要先將程序指令輸入系統(tǒng)，之后就能自動(dòng)運(yùn)行。

（5）掃描

該模塊能夠完成料場(chǎng)模型數(shù)據(jù)掃描，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給中控系統(tǒng)，使用以太網(wǎng)達(dá)成系統(tǒng)控制目的。掃描料場(chǎng)料堆數(shù)據(jù)的時(shí)候，工具為激光掃描儀，能夠準(zhǔn)確獲得料堆各種參數(shù)。設(shè)置掃描系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮堆料機(jī)物理參數(shù)功能，識(shí)別系統(tǒng)誤差。識(shí)別完機(jī)械物理參數(shù)之后，修改維護(hù)系統(tǒng)，能夠動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)堆取料機(jī)工作狀態(tài)。遇到惡劣工作環(huán)境，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，告訴工作人員謹(jǐn)慎操作設(shè)備。該模塊擁有遠(yuǎn)程控制與維護(hù)能力。

（6）監(jiān)控

該系統(tǒng)由控制臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成。用鍵盤顯示和調(diào)用PLC數(shù)據(jù)參數(shù)，使用CPU對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行處理，控制堆取料機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)，并并能能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控堆取料機(jī)自動(dòng)化作業(yè)情況。操作和顯示數(shù)據(jù)靠的是觸摸屏。觸摸屏能夠?qū)崟r(shí)顯示故障、工況等情況。使用通信端口連接CPU，就能夠人機(jī)對(duì)話，了解堆取料機(jī)狀態(tài)。

（7）防碰撞

為避免多臺(tái)堆取料機(jī)發(fā)生碰撞，需要使用傳感器通信和視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)采集堆取料機(jī)位置信息，之后應(yīng)用防碰撞技術(shù)，對(duì)三維空間進(jìn)行模擬運(yùn)算，自動(dòng)判斷碰撞位置和情況，提前發(fā)出警報(bào)。

2 堆取料機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1自動(dòng)控制方案

（1）堆取料機(jī)行走與回轉(zhuǎn)控制

該部分由安全裝置、平衡臺(tái)車、調(diào)速變頻器、電氣控制裝置組成。使用可調(diào)速變頻電氣完成頻率控制。按照變頻器容量，決定最終是否需要增加電抗器。其擁有多樣化的控制辦法。當(dāng)前許多自控設(shè)備使用的是變頻調(diào)速與直流調(diào)速。本次將對(duì)二者混用，轉(zhuǎn)換高低速的時(shí)候，只需要調(diào)整電源模式，使其從交流電源變成直流電源即可，之后轉(zhuǎn)化直流頻率，對(duì)其進(jìn)行控制。想要達(dá)成這一目的，需要電壓足夠才行。

首先是堆取料機(jī)行走。操控室按照實(shí)際情況設(shè)置參數(shù)，完成機(jī)器操作，能夠控制機(jī)器的速度開(kāi)關(guān)，操縱堆取料機(jī)前進(jìn)或是后退。運(yùn)行中，通過(guò)改變電氣控制系統(tǒng)變頻器的參數(shù)完成調(diào)速處理，回轉(zhuǎn)裝置按照高低速達(dá)成左右回轉(zhuǎn)功能，能夠讓斗輪機(jī)的回轉(zhuǎn)更加容易控制。變頻器輸入側(cè)安裝交流電抗器，操控中，臂架旋轉(zhuǎn)能夠無(wú)極調(diào)速。運(yùn)行期間，避免了電機(jī)失速，應(yīng)做好電機(jī)參數(shù)調(diào)整。尤其是工作電流、工作頻率調(diào)整。注重部件保護(hù)與控制，完成堆取料機(jī)運(yùn)行期間的故障排除，讓堆取料機(jī)能夠可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。調(diào)速采用的是V/F控制方法，以無(wú)轉(zhuǎn)速反饋方法開(kāi)環(huán)控制。通過(guò)變頻器，實(shí)現(xiàn)一拖多的驅(qū)動(dòng)控制部件運(yùn)行速度，能夠讓設(shè)備保持穩(wěn)定運(yùn)行，有著比較簡(jiǎn)單的調(diào)試方式。機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能要求并不是很高，跨距相對(duì)較小，使用強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)就能有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)散熱，并且讓電機(jī)擁有了絕緣性。

其次是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。懸臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于料流恒定速度的調(diào)整，其控制原理采用的是交流變頻調(diào)速。

（2）俯仰控制

堆取料機(jī)的俯仰控制靠的是液壓系統(tǒng)，其由高壓球閥、油缸控制閥塊、導(dǎo)料槽翻板油缸、皮帶張緊油缸、俯仰油缸構(gòu)成，應(yīng)用串電阻調(diào)速，使用液力推桿制動(dòng)器制動(dòng)。

用電機(jī)、液壓制動(dòng)氣、變頻調(diào)速系統(tǒng)、PLC、操作桿完成電機(jī)加減速和啟停、位置和方向的控制。邏輯控制使用的是PLC，能夠完成位置和速度閉環(huán)。下俯的時(shí)候，堆取料機(jī)有著很強(qiáng)的操控性，能夠快速或慢速的推進(jìn)，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)沖擊或震蕩，可以減緩、平穩(wěn)運(yùn)行，負(fù)重能力強(qiáng)，不易出現(xiàn)保護(hù)臂受損問(wèn)題。

（3）斗輪控制

斗輪機(jī)堆料中，使用半自動(dòng)、手動(dòng)方式控制。設(shè)置變?yōu)槠鞯淖冾l參數(shù)，調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度。使用PLC，在發(fā)生故障的時(shí)候，就能第一時(shí)間停止運(yùn)作。斗輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)靠的是低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)，斗輪轉(zhuǎn)速的調(diào)整，需要使用壓力值調(diào)整方法，對(duì)壓力模擬量信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并將其發(fā)送到控制系統(tǒng)，觀察模擬信號(hào)的運(yùn)行情況，對(duì)機(jī)構(gòu)切削力狀態(tài)進(jìn)行判斷，就能準(zhǔn)確獲知回轉(zhuǎn)速度。作業(yè)期間，使用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)堆料機(jī)，使用皮帶輸送裝卸物料。

2.2 PLC控制

當(dāng)前很多堆取料機(jī)使用的都是自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制系統(tǒng)，足以滿足大多數(shù)情況下的物料堆取要求。使用多臺(tái)堆取料機(jī)一起工作，可以有效改善工作環(huán)境，并降低工人壓力與成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全控制與提高工作效率有很大的幫助，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制堆取料機(jī)的目的。

為了達(dá)成無(wú)人管理目的，需要解決堆取料機(jī)的智能化控制、無(wú)人化控制要求。使用工業(yè)PLC控制堆取料機(jī)，使用激光掃描儀掃描料堆，就能獲取料堆的各種數(shù)據(jù)。之后用PLC控制，確定取料起始點(diǎn)，并完成自動(dòng)化取料。

堆取作業(yè)期間，使用整體掃描技術(shù)配合實(shí)時(shí)掃描技術(shù)獲得料堆模型數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入到操控系統(tǒng)，此時(shí)就能完成料堆起點(diǎn)和終點(diǎn)位置的掃描和識(shí)別。圖像庫(kù)中調(diào)取三維模型的數(shù)據(jù)，此時(shí)呈現(xiàn)出三維圖像。應(yīng)用掃描儀掃描獲得原始數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)回轉(zhuǎn)編碼器以及俯仰編碼器、走行編碼器得到位置數(shù)據(jù)，使用以太網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理獲得準(zhǔn)確坐標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：本文對(duì)堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制進(jìn)行了研究，從行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、斗輪以及PLC等角度出發(fā)，研究了控制方法。自動(dòng)化控制能夠提高堆取料機(jī)的運(yùn)行效率，有效減少勞動(dòng)強(qiáng)度，并具有了遠(yuǎn)程、智能化控制功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳秉翔.港口堆取料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（17）：202-203.

[2]尹崇志，劉文祎，高玉軍等.董家口堆取料機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)分析[J].港口科技，2020（04）：1-2+41.