港口散貨取料機無人取料系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王志剛

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

0 引言

斗輪取料機是干散貨港口的主要生產(chǎn)設(shè)備，通常由人工兩班倒操作，工作時間長、作業(yè)強度大、操作枯燥繁瑣，人工模式下的斗輪取料機取料流量受人為因素影響較大，料流的波動較大，易造成下游皮帶機停止及撒落料，且人工操作易出現(xiàn)疲勞狀態(tài)下的操作失誤，特別是在夜間作業(yè)，堆場現(xiàn)場環(huán)境條件差，因此，實現(xiàn)無人化取料作業(yè)十分重要[1]。

由于實際卸船量不定，因此所形成的堆垛長度也不一致，造成每個料堆的編號不確定，料堆邊界也不確定，需根據(jù)現(xiàn)場特殊情況定制開發(fā)相應(yīng)的作業(yè)流程功能。在無人取料系統(tǒng)的作業(yè)流程設(shè)計時考慮到功能模塊化設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)場的實際生產(chǎn)條件，設(shè)計形成單個的功能流程和多種控制模式相結(jié)合的無人取料控制系統(tǒng)[2]。

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)有港口開始實現(xiàn)斗輪取料機的無人自動化作業(yè)，但是自動化作業(yè)有一定局限性，復(fù)雜工況下需要操控人員輔助操作才能保證作業(yè)效率不低于手動作業(yè)。

本文論述了一種能夠解決料堆長度、位置不確定等復(fù)雜工況下的斗輪取料機無人智能取料系統(tǒng)，旨在自動作業(yè)過程中可以自動糾偏、作業(yè)參數(shù)動態(tài)調(diào)整，盡量降低人工干預(yù)的可能性，提高斗輪取料機的智能化作業(yè)程度，保證作業(yè)效率和流量的穩(wěn)定性。

1 無人智能取料系統(tǒng)作業(yè)工藝流程

根據(jù)斗輪取料機人工作業(yè)可知，人工取料作業(yè)的流程可以分為尋垛作業(yè)、尋點作業(yè)、取料作業(yè)、退場，無人智能取料作業(yè)工藝流程參考人工作業(yè)，設(shè)計模塊化功能、結(jié)構(gòu)化編程和人機操作界面。為滿足不同的作業(yè)需要，將控制系統(tǒng)操作模式設(shè)計為自動、禁止和手動3 種模式，通過主頁面上按鈕實現(xiàn)各種模式切換。自動模式下從開始作業(yè)到作業(yè)結(jié)束有完整的作業(yè)流程控制。禁止模式下禁止所有無人取料系統(tǒng)的輸出信號，使整個系統(tǒng)處于停止狀態(tài)。手動模式時將人機界面切換到手動控制頁面能夠單獨對行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、斗輪等設(shè)備的控制[3]。無人智能取料作業(yè)工藝分解為尋垛作業(yè)、掃描作業(yè)、尋點作業(yè)、取料作業(yè)、退出堆場五大主要環(huán)節(jié)，作業(yè)流程如圖1 所示，通過各個環(huán)節(jié)的銜接完成斗輪取料機無人智能取料作業(yè)。

1） 尋垛作業(yè)

無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)獲取作業(yè)垛位號、作業(yè)量等作業(yè)參數(shù)后，自動將各機構(gòu)歸零，以最近的垛位邊界為行走位置目標值，通過比對當前斗輪取料機所在的位置數(shù)據(jù)，計算斗輪取料機前進或者后退，行走到目標位置后抬高懸臂高度，回轉(zhuǎn)懸臂至料堆上方。

2） 掃描作業(yè)

斗輪取料機懸臂在目標垛位上方后啟動掃描儀，待掃描儀啟動成功后控制斗輪取料機移動掃描整個垛位，生成垛位中料堆的三維點云模型。

3） 尋點作業(yè)

無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)根據(jù)料堆的三維模型計算取料作業(yè)起始點位置，通過回轉(zhuǎn)和行走機構(gòu)共同動作斗輪至目標點位上方，然后降下懸臂至目標位置。機構(gòu)動作過程中操控人員需要監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)料堆模型錯誤等特殊工況則需切換到手動模式，通過手動控制斗輪取料機到達取料起始位置。

4） 取料作業(yè)

斗輪取料機控制斗輪從料堆的一側(cè)邊沿回轉(zhuǎn)至另一側(cè)，然后步進，將斗輪插入料堆再回轉(zhuǎn)至另一側(cè)，如此往復(fù)循環(huán)直至停止，取料作業(yè)的平均作業(yè)效率受到回轉(zhuǎn)速度、斗輪插入深度、斗輪空轉(zhuǎn)時間等因素的影響。

上述作業(yè)的方法稱為回轉(zhuǎn)取料，在回轉(zhuǎn)取料過程中步進后的取料層厚度會隨著回轉(zhuǎn)角度的增加呈逐漸減少的變化趨勢[4]。通過回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)速度、步進距離和取料半徑的數(shù)學(xué)運算，實現(xiàn)在取料過程中將月牙缺損減小的取料量補償至標準取料層厚的取料量，從而實現(xiàn)取料過程中取料流量穩(wěn)定的效果[5]。

智能回轉(zhuǎn)取料到邊判斷，通過專業(yè)傳感器和程序設(shè)計，檢測斗輪取料量變化趨勢以判斷回轉(zhuǎn)取料時斗輪到邊情況，及時做出反向回轉(zhuǎn)取料動作，避免在垛邊停留浪費時間，保證了作業(yè)效率。

5） 退出堆場作業(yè)

取料作業(yè)完成后，點擊“停止”按鈕，自動作業(yè)流程停止，緊接著執(zhí)行退出料堆作業(yè)，此時系統(tǒng)設(shè)定3 個斗輪取料機構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)、俯仰）目標位置分別是向遠離取料位置行走3 m、回轉(zhuǎn)3°、俯仰2°的位置移動[6]，為避免斗輪取料機與料堆碰撞，先執(zhí)行俯仰機構(gòu)動作，其次行走機構(gòu)，最后動作回轉(zhuǎn)機構(gòu)。該作業(yè)是保證將斗輪取料機從料堆中移出，且排空斗輪和懸臂皮帶上余料的有效方法。

2 無人智能取料系統(tǒng)硬件架構(gòu)

根據(jù)取料機作業(yè)工藝流程，在各動作機構(gòu)處設(shè)置定位設(shè)備，保證機構(gòu)活動幅度的準確性；在臂架前端安裝激光掃描儀和雷達，作業(yè)前和作業(yè)過程中實時掃描料堆，生成料堆的三維模型，調(diào)整斗輪取料機的作業(yè)工藝；在臂架兩側(cè)和斗輪兩側(cè)安裝防碰撞雷達，實時監(jiān)測斗輪取料機周邊的作業(yè)環(huán)境，保證設(shè)備的安全，通過PLC 控制系統(tǒng)整合所有設(shè)備數(shù)據(jù)進行邏輯運算，制定智能取料作業(yè)策略。無人智能取料系統(tǒng)硬件系統(tǒng)拓撲圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)拓撲圖Fig.2 Hardware system topology

3 無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)

3.1 自動尋垛技術(shù)

為了解決斗輪取料機自動移動至起始作業(yè)點，需要自動尋垛，即中央控制系統(tǒng)下達作業(yè)指令，程序自動解析指令代碼、篩選堆垛號，并根據(jù)當前斗輪取料機位置邏輯判斷運動方向，自動啟動斗輪取料機行走指令向目標堆場移動。

斗輪取料機定位一般以回轉(zhuǎn)中心位置作為判斷依據(jù)，但是為了便于計算，自動尋垛以斗輪取料機斗輪最前沿的位置作為斗輪取料機目標位置。

在自動尋垛前，將斗輪取料機的回轉(zhuǎn)、俯仰機構(gòu)歸零，讓斗輪和料堆處于平行狀態(tài)，再以斗輪前沿位置為基準點控制斗輪取料機行走。在即將到達目標位置時，設(shè)定兩級減速區(qū)域以實現(xiàn)精確到位控制，當進入目標位置5 m 范圍內(nèi)，觸發(fā)第一級減速，行走速度降低至50%；當斗輪取料機進入目標位置0.5 m 范圍內(nèi)時，觸發(fā)第二級減速，行走速度降低至10%。在斗輪取料機到達目標位置時停機，即可將斗輪取料機精確停止在目標位置。精確度達到±2 cm。

3.2 自動定位技術(shù)

無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)在自動尋垛控制完成后，觸發(fā)自動定位控制，根據(jù)當前料堆形狀、臨近料堆形狀和附近其他單機位置情況自動判斷正向取料或者反向取料。

若無其他干擾則選擇正向取料，根據(jù)三維模型系統(tǒng)提供的料堆邊緣信息，自動控制斗輪取料機回轉(zhuǎn)、俯仰向取料起始點靠近。在定位過程中安裝在斗輪兩側(cè)的高頻雷達會實時監(jiān)測與煤垛之間的距離，通過空間幾何算法實時校正定位誤差，以確保斗輪取料機準確地定位到取料起始點。

3.3 自動取料控制技術(shù)

自動取料控制技術(shù)是無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)的核心技術(shù)，結(jié)合人工取料作業(yè)的特點，本文采用了分層取料的方法，根據(jù)斗輪的大小和料堆高度分為3 層，逐層取料，如圖3 所示。在每層取料過程中，以數(shù)據(jù)變比與實際流量、斗輪壓力與回轉(zhuǎn)速度2 個閉環(huán)控制，月牙缺損補償控制、退車收邊控制技術(shù)等多項控制技術(shù)實時調(diào)整作業(yè)工藝，控制斗輪取料機機構(gòu)動作保證作業(yè)實時流量的平穩(wěn)。

圖3 料堆分層示意圖Fig.3 Layering diagram of material pile

1） 取料過程中根據(jù)實際皮帶秤所測得的取料瞬時量與斗輪壓力進行比值運算，反饋至比值計算系統(tǒng)內(nèi)，實時取料瞬時量和斗輪壓力的比值流程如圖4 所示。在取料作業(yè)時實時計算斗輪壓力和回轉(zhuǎn)速度的比值，先將計算比值帶入閉環(huán)控制邏輯內(nèi)運算，計算比值為回轉(zhuǎn)速度控制基值，當斗輪壓力大于或者小于設(shè)定取料瞬時量換算的壓力值時，根據(jù)偏差大小實時計算回轉(zhuǎn)速度補償值。將回轉(zhuǎn)速度控制基值與補償值進行運算，補償回轉(zhuǎn)速度，流程如圖5 所示。通過實時計算補償值的數(shù)據(jù)并反饋至回轉(zhuǎn)速度以實現(xiàn)斗輪壓力調(diào)整回轉(zhuǎn)速度的閉環(huán)控制。

圖4 數(shù)據(jù)變比與實際流量閉環(huán)控制Fig.4 Data ratio and actual flow closed-loop control

圖5 斗輪壓力與回轉(zhuǎn)速度閉環(huán)控制Fig.5 Bucket wheel pressure and rotational speed closed-loop control

2） 由于回轉(zhuǎn)取料屬于定點回轉(zhuǎn)，則在回轉(zhuǎn)取料的過程中，步進后的取料層厚度會隨著回轉(zhuǎn)角度的增加，取料層厚度逐漸減小，如圖6 所示，呈現(xiàn)“月牙缺損”的形狀。以步進1.5 m 作業(yè)工藝工況條件為例，近零度點取料厚度1.48 m，遠零度點取料厚度0.95 m。“月牙缺損”呈線性變化，取料效率逐漸降低。

圖6 月牙缺損補償控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of the control of crescent defect compensation

通過控制回轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)在取料過程中將月牙缺損減小的取料量補償至標準取料層厚度的取料量，回轉(zhuǎn)速度的輸出計算公式如下：

式中：ɑ 為回轉(zhuǎn)角度；V為回轉(zhuǎn)速度；X為回轉(zhuǎn)速度分配基值；D為取料步進距離；R為取料半徑。

3） 每層取料完成，在換邊過程中斗輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了減少該空轉(zhuǎn)時間，本文提出了一種退車收邊控制方法，即在本層取料過程中放棄取料外邊沿效率較低的部分，保證本層作業(yè)時的取料效率，本層取料完成后，斗輪回轉(zhuǎn)至外邊沿留邊部分，退車收邊至下一層取料起始點，如圖7所示，這樣最大限度地提高取料效率。

圖7 本層取料完畢退車收邊設(shè)計示意圖Fig.7 Design diagram of reclaimer rotating to the outer edge after reclaiming in this layer

4 無人智能取料系統(tǒng)應(yīng)用效果

通過項目實際應(yīng)用，國投湄洲灣項目取料機無人智能取料系統(tǒng)日均作業(yè)時長超過20 h。RC8自動取料時，平均流量達到1 800 t/h，流量穩(wěn)定，充分發(fā)揮了取料機的設(shè)備運載能力。在作業(yè)過程中，RC8 無人智能取料系統(tǒng)能夠根據(jù)料堆模型實時調(diào)整取料機機構(gòu)動作，與人工取料相比，自動作業(yè)效率更加穩(wěn)定，取料流量波動較少。

5 結(jié)語

本文通過對無人智能取料系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和工藝流程進行設(shè)計，針對取料作業(yè)中流量穩(wěn)定性、作業(yè)生產(chǎn)效率、作業(yè)安全等難點問題，提出自動尋垛、自動定位、雙閉環(huán)+月牙缺損取料控制、退車收邊設(shè)計等方法，實現(xiàn)斗輪取料機自動作業(yè)，智能取料作業(yè)功能完善，作業(yè)流量相較于人工作業(yè)更加平穩(wěn)。