港口堆取料機自動控制系統(tǒng)設(shè)計

岳秉翔

摘要：堆取料機是一種廣泛用于港口裝卸作業(yè)的高效機械，目前國內(nèi)很多港口在進行堆取料作業(yè)時仍采用人工控制或半自動控制的方法，工作效率、穩(wěn)定性和準確性不高。本文結(jié)合掃描成像原理、閉環(huán)控制原理和增量式PI控制算法，完成了自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，有效提高了港口堆取料機的運行效率和控制精度，降低了人工操作帶來的誤差。

關(guān)鍵詞：堆取料機;自動控制;三維成像;定位系統(tǒng)

0? 引言

煤炭和鐵礦石是國家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和命脈，雖然近年來中國經(jīng)濟發(fā)展速度逐步放緩，但我國依然是全球礦石和煤炭進口大國，各大港口對裝卸設(shè)備的需求仍然比較旺盛[1]。堆取料機是一種用來對礦石、煤炭進行連續(xù)堆料和取料作業(yè)的常用機械設(shè)備，在港口碼頭、物流中心等場所得到廣泛使用。典型的港口堆取料機結(jié)構(gòu)主要由斗輪機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、輸送機構(gòu)等部分組成。為了提高堆取料機的裝卸效率、作業(yè)精準性和工作穩(wěn)定性，越來越多的港口開始研究和實施自動化控制系統(tǒng)[2]，而這也是本文的研究重點所在。

1? 堆取料機自動控制系統(tǒng)的組成及功能分析

港口堆取料機自動控制系統(tǒng)包括遠程控制系統(tǒng)和堆取料機本地控制系統(tǒng)兩大部分[3]。遠程控制系統(tǒng)包括堆場管理系統(tǒng)和遠程操作系統(tǒng)，堆場管理系統(tǒng)通過自動操作管理服務(wù)器完成料堆模型的仿真計算，通過中央控制PLC生成和下達自動取料、堆料指令，并實時記錄、反饋和共享所有堆取料機的具體位置和運行狀況，設(shè)置防碰撞和防過載保護功能。操作員在得到終端授權(quán)后可以通過遠程操作系統(tǒng)實現(xiàn)人工干預。堆取料機本地控制系統(tǒng)由本地PLC、定位系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、防過載系統(tǒng)組成，本地控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)堆料機各工作機構(gòu)的精準定位、自動控制、現(xiàn)場監(jiān)控和安全避讓，并通過安裝在懸臂上的激光掃描儀完成堆料三維激光掃描，本地控制系統(tǒng)與遠程控制系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)或光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時交互。

2? 三維成像系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 三維成像系統(tǒng)的工作原理

三維成像系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖像生成模塊三大部分組成。激光掃描儀基于激光測距原理對堆料輪廓進行實時掃描，并形成大量三維坐標數(shù)據(jù)點。三維數(shù)據(jù)處理模塊對定位系統(tǒng)反饋的機構(gòu)位置信息、控制器反饋的機構(gòu)狀態(tài)信息進行分析，對激光掃描儀反饋的三維坐標數(shù)據(jù)進行預處理、網(wǎng)格規(guī)范化處理和空間坐標轉(zhuǎn)化，然后利用算法對干擾數(shù)據(jù)進行過濾處理、對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行差值處理，最終形成堆料三維點云數(shù)據(jù)并儲存在數(shù)據(jù)庫中[4]。三維圖形生成模塊讀取數(shù)據(jù)庫中的三維點云數(shù)據(jù)并進行圖形的渲染、拼接和繪制，最終形成高精度的堆料三維模型。

2.2 三維成像系統(tǒng)的設(shè)計

以激光掃描儀的激光發(fā)射點T和堆料表面測量點B為基礎(chǔ)點構(gòu)建三維坐標系，如圖1所示。坐標系的原點坐標為（0，0，0），激光發(fā)射點T距地面的高度為H，其坐標為（0，0，H），激光束與ZX平面的夾角為θ，與XY平面的夾角為α。激光發(fā)射點T到堆料表面測量點B的直線距離為L，設(shè)B點的坐標為（a，b，c），建立物料表面測量點的數(shù)學模型：

掃描儀通過懸臂的移動進行多次掃描后采集到大量的數(shù)據(jù)點并建立三維點云模型，為了與堆取料機的作業(yè)習慣相適應，還需要將掃描儀采集到的原始坐標轉(zhuǎn)化為以料場為參考系的坐標。通過定位系統(tǒng)可以得到掃描儀工作時行走機構(gòu)、俯仰機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)的瞬時位置，三維成像系統(tǒng)通過這些位置數(shù)據(jù)可以將測量點所在的初始坐標系轉(zhuǎn)換到料場坐標系中。由于被測點的數(shù)量很大、密度很高，通過激光掃描儀采集的離散點云的數(shù)據(jù)量也很大，若直接對這些點云數(shù)據(jù)進行三維仿真計算將會占用非常大的計算機資源。為了提高計算效率、節(jié)省計算資源，在綜合考慮仿真精度和處理器資源后，需要對原始點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格規(guī)范化處理。散點通常以矩陣的形式表示，以二維數(shù)組的形式儲存在服務(wù)器中，數(shù)組中的元素與初始坐標系下被測點的高度相對應。在得到料場測點的點云數(shù)據(jù)后，通過Windows平臺下的Open GL軟件進行三維渲染并在上位機上實時顯示，建模相應時間小于200ms，仿真精度小于0.2m。

3? 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)自動作業(yè)前堆取料機各作業(yè)機構(gòu)的高精度定位和自動作業(yè)過程中各作業(yè)機構(gòu)運行的準確控制，需要設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[5]。設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于確定采樣周期Ts、電機實時轉(zhuǎn)速N以及PID控制策略。根據(jù)香農(nóng)采樣定理和系統(tǒng)波動情況，采樣周期Ts選擇為20ms。PLC通過SPD指令在每個采樣周期內(nèi)反饋檢測的脈沖數(shù)得到電機的實時轉(zhuǎn)速。將在一個掃描周期內(nèi)編碼器反饋的脈沖數(shù)儲存在寄存器D0內(nèi)，當前所接收的脈沖數(shù)存放在D1內(nèi)，剩余的掃描周期時長存放在D2內(nèi)。每次達到采樣點時，將D1內(nèi)存放的數(shù)值傳遞給寄存器D0，與此同時D1和D2內(nèi)存放的數(shù)值清零，可以通過D2中掃描周期的變化規(guī)律確定每個周期的采樣點。PLC程序段的梯形圖如圖2，程序在運行時M100處于ON狀態(tài)且D34存放值為0，將D32內(nèi)存放的當前時刻的剩余掃描周期t0傳遞到D33，將下一時刻剩余掃描周期t1存放到D34。當t1>t0時，M110處于ON狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)命令[CJ P10]停止執(zhí)行，程序繼續(xù)向下運行。

閉環(huán)調(diào)速控制采用增量式PI算法，系統(tǒng)輸入信號通過PLC控制器傳遞到D/A通道，然后通過變頻器控制交流電機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)輸出信號通過速度編碼器反饋到PLC控制器形成閉環(huán)控制。通過閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以提高作業(yè)機構(gòu)的定位精度，提升作業(yè)機構(gòu)移動和停止的精準性，使取料和堆料過程中的寸動保持相同的移動距離和移動范圍，使堆料垛形的規(guī)格具有高度穩(wěn)定性和一致性。

3.2 斗輪切入點計算

首先在料場平面內(nèi)選擇一個點作為基準點，然后將大臂置于基準點的正上方并使其保持靜止狀態(tài)，當懸臂處于水平狀態(tài)時，斗輪與基準點之間的垂直為O，斗輪頭部與回轉(zhuǎn)中心之間的距離為L。設(shè)斗輪切入點的坐標為（A，B，C），則斗輪的回轉(zhuǎn)角度N、大車位置X和俯仰角度M可以根據(jù)下式計算：

3.3 自動定位系統(tǒng)設(shè)計

PLC中配置有自動定位模塊，自動定位系統(tǒng)通過編碼器GPS和格雷母線可以獲取行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和斗輪機構(gòu)的實時位置，并能夠分時分階段地糾正各機構(gòu)的位置以減少系統(tǒng)誤差和精度誤差，通過變頻器控制各個機構(gòu)的移動速度。在對大車行走機構(gòu)定位時，設(shè)大車實際位置的坐標為X，系統(tǒng)設(shè)定的參考坐標為Y，假設(shè)大車位置點指向錨定點的方向為正方向，當XY時，如果X與Y差值的絕地值大于8，大車將以速度V2高速沿負方向向后移動，若差值的絕對值小于8，大車就以速度V2′低速沿負方向向后移動。當X=Y時，大車處于靜止狀態(tài)。

在對回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行定位時，設(shè)回轉(zhuǎn)實際角度值為A，系統(tǒng)設(shè)定的參考值為B，當AB時，如果A與B差值的絕對值大于8，懸臂將以角速度w2快速向左旋轉(zhuǎn)，若差值絕對值小于8，懸臂就以角速度w2′緩慢向左旋轉(zhuǎn)。當X=Y時，懸臂處于靜止狀態(tài)。

3.4 自動循環(huán)取料系統(tǒng)設(shè)計

中控PLC系統(tǒng)根據(jù)各作業(yè)機構(gòu)的位置信息和料堆三維輪廓信息，建立了料場三維坐標數(shù)據(jù)庫，然后以此計算出取料邊界坐標和斗輪切入點坐標。當行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和斗輪機構(gòu)的定位工作完成后，斗輪下緣移動到與切入點重合時，即可啟動取料作業(yè)命令。在取料作業(yè)過程中，系統(tǒng)通過PI條件模塊對回轉(zhuǎn)機構(gòu)進尺量進行反復微調(diào)，使回轉(zhuǎn)機構(gòu)始終以恒定低速的速度轉(zhuǎn)動，使取料流量保持恒定。PI調(diào)節(jié)模塊輸入信號為回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作電流，輸出信號為回轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度。以回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)中心為圓心，以回轉(zhuǎn)中心到懸臂頭部的距離作為半徑可以繪制出回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作平面，如圖3所示。

通過圖中的幾何關(guān)系可推導出回轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)角度間的相互關(guān)系：

式中，θ表示旋轉(zhuǎn)角度，s表示旋轉(zhuǎn)速度，Q表示取料流量，d表示進給距離，l和h表示取料深度和厚度。

在進行取料作業(yè)時，在d和h為定值的情況下旋轉(zhuǎn)速度s與cosθ成反比。將上述公式的邏輯運算關(guān)系編寫到可編程控制器中，在每次取料作業(yè)之前設(shè)定取料流量后，即可通過編碼器計算出實時回轉(zhuǎn)角度并發(fā)送給PLC。當斗輪頭部移動到取料邊界位置后，回轉(zhuǎn)機構(gòu)向反方向旋轉(zhuǎn)并繼續(xù)取料，通過如此往復循環(huán)運動完成當層取料任務(wù)。取料任務(wù)完成后觸發(fā)系統(tǒng)暫停命令，斗輪自動移動到下一層切入點并保持不動，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，一個堆取料作業(yè)命令內(nèi)的自動控制完成。

參考文獻：

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[3]嚴晨.堆取料機的智能化發(fā)展思考[J].科技創(chuàng)新與應用，2018，256（36）：75-76.

[4]李響初，張微.基于PLC的礦山堆取料機自動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].世界有色金屬，2017（18）：63-64.

[5]牛春寶.基于電氣自動化控制技術(shù)的港口堆取料機關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息系統(tǒng)工程，2016（11）：91-92.