基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)及方法

李勝德 袁 楷 姜健寧 張士杰 靳少朋

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

抓斗起重機(jī)是一種自動取物機(jī)械，分為橋式抓斗起重機(jī)、門式抓斗起重機(jī)和折臂式抓斗起重機(jī)。當(dāng)抓斗起重機(jī)工作時，其抓取和卸出物料的動作由司機(jī)操縱，不需要輔助人員，因而避免了工人的繁重勞動，節(jié)省了工作時間，大大提高了工作效率。隨著自動化、智能化的開展，自動運(yùn)行抓斗起重機(jī)替代了司機(jī)的常規(guī)操作，但物料狀態(tài)檢測亟待提高。

抓斗起重機(jī)抓取的物料通常為糧食、散秸稈、垃圾、灰渣等散料，物料高低分布沒有規(guī)律，抓斗抓取、投放一次或幾次都不能從物料自身確定物料高度降低或升高的量，檢測元件和設(shè)備無法快速準(zhǔn)確地檢測出物料的狀態(tài)，實(shí)用效果較差，影響了抓斗起重機(jī)全自動控制的進(jìn)程，故需要一種基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)及方法來解決上述問題。

本文以物料檢測技術(shù)和方法為出發(fā)點(diǎn)，為抓斗起重機(jī)提供準(zhǔn)確的物料抓取或投放位置，提高抓斗起重機(jī)的智能化水平，對自動運(yùn)行起重機(jī)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 物料檢測

生產(chǎn)企業(yè)習(xí)慣將最終產(chǎn)品之外的、在生產(chǎn)領(lǐng)域流轉(zhuǎn)的各種材料、燃料、零部件、半成品、外協(xié)件以及生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生的邊角余料、廢料以及各種廢物統(tǒng)稱為物料。本文所述起重機(jī)抓取的物料包括砂巖、鐵礦、頁巖粘土、石灰石、原煤、石膏、雙摻石灰石、混合材料等水泥行業(yè)的生產(chǎn)材料，玉米、小麥、稻谷等糧食類材料，散秸稈、打包秸稈、垃圾等環(huán)保發(fā)電行業(yè)的燃料，灰渣、煤礦、固體廢棄物、工業(yè)危廢、餐廚等廢料，紙料、鋼料等各種物料。

物料檢測是對起重機(jī)要抓取的物料外形、輪廓、擺放狀態(tài)、堆積狀態(tài)等進(jìn)行檢測識別，進(jìn)一步判斷物料是否達(dá)到起重機(jī)抓取、放置的既定設(shè)計(jì)及起重機(jī)抓取、放置后物料的物態(tài)變化情況。物料檢測設(shè)備通常有2D檢測設(shè)備、3D檢測設(shè)備、圖像檢測識別設(shè)備等，用于采集現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)。

2 抓斗起重機(jī)

抓斗起重機(jī)是一種用于搬運(yùn)重物或散料在短距離水平移動的搬運(yùn)設(shè)備，常用于裝卸糧食、垃圾、灰渣或煤礦等散料，在各種貨運(yùn)碼頭、車站貨場或礦山等環(huán)境下廣泛使用。抓斗起重機(jī)一般由橋架、大車、小車和抓斗等組成。當(dāng)抓斗起重機(jī)開始工作時，通過大車的橫向運(yùn)行和小車的縱向運(yùn)行，將抓斗起重機(jī)處于待抓取的物料正上方，此時抓斗張開并逐漸下降插入到物料堆中，然后抓斗開始閉合抓取物料，待抓斗完全閉合后，抓斗開始上升直到達(dá)到預(yù)定高度，再通過調(diào)整大車和小車的位置，將抓斗移動至卸載地點(diǎn)的正上方，此時控制抓斗開啟，將物料卸放。

3 控制系統(tǒng)

基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)主要包括物料檢測元件、物料信息處理模塊及工控機(jī)。其中，物料檢測元件用于采集現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機(jī)，現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)；物料信息處理模塊用于處理物料檢測元件上傳到工控機(jī)的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的操作指令，物料信息處理模塊設(shè)置在工控機(jī)上；工控機(jī)用于發(fā)送操作指令到抓斗起重機(jī)，以供抓斗起重機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的抓取或投放物料的操作。

通過工控機(jī)向抓斗起重機(jī)上的可編程邏輯控制器PLC發(fā)送相應(yīng)的操作指令，可實(shí)現(xiàn)對抓斗起重機(jī)的起升裝置、抓斗開閉裝置、大車和小車等進(jìn)行智能化控制。當(dāng)抓斗起重機(jī)的抓斗對物料進(jìn)行抓取或投放時，通過物料檢測元件上的傳感器和/或圖像采集設(shè)備，對物料堆放的高度和分布情況進(jìn)行檢測，并將物料堆的分布數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)。此時，通過安裝在工控機(jī)上的物料信息處理模塊，對采集到的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)分析結(jié)果，得到抓斗下一次抓取或投放時的位置。當(dāng)抓斗起重機(jī)對物料同一位置進(jìn)行多次抓取后，導(dǎo)致物料堆中間呈凹陷兩端突出的形狀，此處若再次對凹陷處進(jìn)行抓取，將會導(dǎo)致抓斗抓取效率低的問題。此時，通過物料檢測元件將現(xiàn)場物料的堆放高度分布數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)中的物料信息處理模塊，物料信息處理模塊分析物料的凹陷處不適用于下一次的抓取，并判斷得出物料的突出部分更適于下一次抓取。此時，物料信息處理模塊根據(jù)分析結(jié)果，生成相應(yīng)的智能化操作指令，并通過工控機(jī)向抓斗起重機(jī)的PLC發(fā)送操作指令，PLC根據(jù)操作指令，控制大車和小車移動到指定抓取位置，并通過自動開閉抓斗，實(shí)現(xiàn)對物料進(jìn)行抓取。同時，物料檢測元件將本次抓取后的現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并發(fā)送到工控機(jī)的物料信息處理模塊進(jìn)行分析，用于下一次抓取工作。

控制系統(tǒng)還包括通訊裝置，用于在工控機(jī)和物料檢測元件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，工控機(jī)通過通訊裝置連接物料檢測元件。通訊裝置可以是有線通訊，也可以是無線通訊。通訊裝置包括近端通訊裝置和遠(yuǎn)端通訊裝置，近端通訊裝置設(shè)置在工控機(jī)一端，遠(yuǎn)端通訊裝置設(shè)置在抓斗起重機(jī)一端，每一端的通訊裝置還設(shè)有交換機(jī)，用于數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換和設(shè)備間的連接。物料檢測元件通過網(wǎng)絡(luò)接口接入到抓斗起重機(jī)端的交換機(jī)，并將采集到的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)通過兩端的交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以供物料信息處理模塊對現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。隨后，將得到的操作指令通過通訊裝置發(fā)送至抓斗起重機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)抓斗起重機(jī)的智能化控制。

物料檢測元件包括2D設(shè)備和/或圖像識別設(shè)備，用于采集現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)。物料檢測元件通過2D設(shè)備和/或圖像識別設(shè)備對現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以供物料信息處理模塊分析得到抓斗起重機(jī)抓取或投放的物料位置。為了使物料分布數(shù)據(jù)采集更準(zhǔn)確，可在抓斗起重機(jī)相應(yīng)位置設(shè)置多個物料檢測元件，更好地獲取現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)。

通過物料檢測元件采集到現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，以供物料信息處理模塊分析，從而得到更準(zhǔn)確的抓斗起重機(jī)抓取和投放位置，提高了抓斗起重機(jī)的利用率。系統(tǒng)包括多個物料檢測元件，多個物料檢測元件分別設(shè)置在多個抓斗起重機(jī)上。

在大型貨運(yùn)碼頭或貨場等工作場合，往往有多個抓斗起重機(jī)同時工作，故在多個抓斗起重機(jī)上個設(shè)置一個或多個物料檢測元件。通過工控機(jī)對多個抓斗起重機(jī)進(jìn)行集中管控，每一個抓斗起重機(jī)上的物料檢測元件通過設(shè)置在本端的通訊裝置和工控機(jī)端的通訊裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并在工控機(jī)上還設(shè)置有顯示模塊，顯示模塊對工作場景下的每一個抓斗起重機(jī)分別進(jìn)行編號，同時將每個抓斗起重機(jī)的現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給操作人員，可以讓工作人員了解目前的物料卸載或裝運(yùn)情況以及抓斗起重機(jī)的工作情況。物料信息處理模塊同時對多個抓斗起重機(jī)的物料檢測元件上傳的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將生成的操作指令通過PLC控制抓斗起重機(jī)執(zhí)行。

通過在多個抓斗起重機(jī)上設(shè)置物料檢測元件，使抓斗起重機(jī)的智能化運(yùn)行規(guī)模更大，使多個抓斗起重機(jī)同時操作更加方便，能夠更加可靠、準(zhǔn)確地完成各種控制任務(wù)。

4 控制方法

基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法包括3個步驟：

步驟1：獲取抓斗起重機(jī)的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)；當(dāng)抓斗起重機(jī)的抓斗對物料進(jìn)行抓取或投放時，通過物料檢測元件上的傳感器和/或圖像采集設(shè)備，對物料堆放的高度以及分布情況進(jìn)行檢測，并將物料堆的分布數(shù)據(jù)通過通訊裝置上傳到工控機(jī)。

步驟2：根據(jù)現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的操作指令；基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)通過安裝在工控機(jī)上的物料信息處理模塊，對采集到的現(xiàn)場物料堆放高度的分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)分析結(jié)果得到抓斗下一次抓取或投放時的位置，同時生成相應(yīng)的操作指令。

步驟3：發(fā)送操作指令到抓斗起重機(jī)，以供抓斗起重機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的抓取或投放物料的操作，并通過運(yùn)用PLC實(shí)現(xiàn)對抓斗起重機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作指令。

通過檢測現(xiàn)場物料的分布狀態(tài)，從而識別現(xiàn)場物料的堆放高度位置信息，并通過工控機(jī)上設(shè)置的物料信息處理模塊分析現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，為抓斗起重機(jī)提供準(zhǔn)確的物料抓取或投放位置，使得抓斗起重機(jī)利用率更高，提高了抓斗起重機(jī)智能化運(yùn)行水平。

5 應(yīng)用情況

基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)及方法已在多個起重機(jī)項(xiàng)目、多個應(yīng)用場景中進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用狀態(tài)穩(wěn)定，物料檢測效果良好，為抓斗起重機(jī)提供了準(zhǔn)確的物料抓取或投放位置，使抓斗起重機(jī)利用率更高，提高了抓斗起重機(jī)智能化運(yùn)行水平，為起重機(jī)的自動化、智能化運(yùn)行提供了有利條件，同時，推進(jìn)了全廠自動化、智能化進(jìn)程，受到業(yè)主的廣泛好評。

本文所述基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)及方法，不局限于新設(shè)計(jì)起重機(jī)項(xiàng)目使用，在役起重機(jī)項(xiàng)目同樣可以通過升級改造投入使用，同時，本文未描述的其他起重機(jī)或設(shè)備，同樣可以參考本文的方法投入工程實(shí)踐，為自動化、智能化技術(shù)添磚加瓦。

6 結(jié)束語

基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)及方法，開展了物料檢測技術(shù)在起重機(jī)行業(yè)的應(yīng)用，尤其具體到散物料料位檢測，通過高精度物料檢測元件檢測出現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確提取現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)，為起重機(jī)的抓取或投放物料操作提供了技術(shù)依據(jù)，提高了起重機(jī)的自動化、智能化水平，同時，基于物料檢測的抓斗起重機(jī)控制系統(tǒng)及方法已申報(bào)國家發(fā)明專利，對知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)。