堆場(chǎng)移動(dòng)單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)綜合優(yōu)化

王雄

（國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北滄州 061113）

0 引言

港口堆場(chǎng)移動(dòng)單機(jī)主要包括取料機(jī)、堆料機(jī)、堆取料機(jī)等。典型的港口堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)主要由斗輪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)等部分組成[1]。以黃驊港務(wù)公司生產(chǎn)一部（下稱該部）堆場(chǎng)取料機(jī)為例，其位置檢測(cè)系統(tǒng)的作用是用來采集并計(jì)算取料機(jī)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)位置數(shù)據(jù)，主要包括行走位置數(shù)據(jù)、回轉(zhuǎn)和俯仰角度數(shù)據(jù)等。在取料機(jī)未進(jìn)行智能化改造前，取料機(jī)的作業(yè)方式為手動(dòng)操作。取料機(jī)行走、回轉(zhuǎn)和俯仰等動(dòng)作通過司機(jī)室人工操作，取料機(jī)定位及單機(jī)之間防碰撞主要靠肉眼識(shí)別，對(duì)位置數(shù)據(jù)的精確程度要求不是很高。為了提高堆取料機(jī)的裝卸效率、作業(yè)精準(zhǔn)性和工作穩(wěn)定性，越來越多的港口開始研究和實(shí)施自動(dòng)化控制系統(tǒng)[2]。2020年，黃驊港務(wù)公司自主實(shí)現(xiàn)了“翻-堆-取-裝”全流程全自動(dòng)作業(yè)。取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)工藝主要包括自動(dòng)移垛、對(duì)垛、取料、換層和自動(dòng)歸零。自動(dòng)作業(yè)歸根結(jié)底還是要控制單機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰速度和到達(dá)的目標(biāo)位置，因此一套準(zhǔn)確可靠的位置信息是自動(dòng)作業(yè)的基礎(chǔ)[3]。此外，基于堆場(chǎng)單機(jī)位置數(shù)據(jù)開發(fā)的單機(jī)之間防碰撞保護(hù)系統(tǒng)，保證了單機(jī)之間的安全距離，大幅降低發(fā)生碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)。這些功能的實(shí)現(xiàn)都需要單機(jī)位置檢測(cè)非常準(zhǔn)確，若單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，輕則導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，單機(jī)定位出現(xiàn)偏差；重則可能會(huì)導(dǎo)致單機(jī)與單機(jī)防碰撞保護(hù)失效，增加了嚴(yán)重的機(jī)損事故風(fēng)險(xiǎn)。因此，保障位置檢測(cè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 移動(dòng)單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化背景及目標(biāo)

1.1 移動(dòng)單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化背景

該部取料機(jī)位置檢測(cè)裝置主要包括安裝在行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)的絕對(duì)值編碼器和北斗衛(wèi)星定位裝置。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，北斗在港口定位導(dǎo)航的應(yīng)用條件也逐漸成熟[4]。編碼器和北斗衛(wèi)星定位均可以計(jì)算出取料機(jī)的行走位置、回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度。但兩種定位裝置均有各自不足：編碼器測(cè)量數(shù)據(jù)固定，不易發(fā)生波動(dòng)，抗干擾能力強(qiáng)，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)偏差。以行走機(jī)構(gòu)編碼器為例，單機(jī)行走輪周長(zhǎng)約為2 m，單機(jī)在軌道上做長(zhǎng)距離行走，行走編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)可達(dá)數(shù)十圈甚至數(shù)百圈。由于安裝編碼器的行走輪與鋼軌偶爾接觸不牢固，可能導(dǎo)致行走輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象或編碼器與輸出軸連接處發(fā)生微小滑動(dòng)，編碼器輸出數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生微小誤差。單機(jī)在日常工作中，需要長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離地進(jìn)行行走動(dòng)作，行走編碼器的誤差會(huì)逐漸增大，甚至能達(dá)到十幾米[5]。北斗衛(wèi)星定位裝置穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但北斗數(shù)據(jù)尤其是俯仰角度數(shù)據(jù)易發(fā)生波動(dòng)，不適合俯仰機(jī)構(gòu)的精確定位。

1.2 移動(dòng)單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)

通過對(duì)移動(dòng)單機(jī)位置檢測(cè)裝置優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)編碼器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、偏差校正及故障報(bào)警。并實(shí)現(xiàn)單機(jī)兩種定位裝置的智能切換。提高了堆場(chǎng)移動(dòng)單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了設(shè)備故障率及事故風(fēng)險(xiǎn)。

2 單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化具體措施

2.1 以太網(wǎng)編碼器的應(yīng)用與雙編碼器的搭配使用

2.1.1 以太網(wǎng)編碼器的應(yīng)用

2015年以來，黃驊港務(wù)對(duì)單機(jī)編碼器進(jìn)行更新?lián)Q代，選用了大量性能更優(yōu)良、調(diào)試更方便、數(shù)據(jù)更精確的以太網(wǎng)編碼器。與傳統(tǒng)的編碼器相比，以太網(wǎng)編碼器只需1根電源線和1根通信線（光纖或網(wǎng)線）與交換機(jī)連接后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。以太網(wǎng)編碼器調(diào)試便捷，且精度可根據(jù)設(shè)備具體需求進(jìn)行設(shè)置，從而滿足不同的定位要求。

2.1.2 雙編碼器的搭配使用

以該部R1取料機(jī)為例，該取料機(jī)建于2017年，為額定流量為6000 t/h的全天候自動(dòng)作業(yè)斗輪取料機(jī)。該取料機(jī)設(shè)計(jì)之初就在行走、俯仰、回轉(zhuǎn)3個(gè)需要位置檢測(cè)的機(jī)構(gòu)上分別安裝了2個(gè)絕對(duì)值編碼器。以俯仰機(jī)構(gòu)為例，左右2個(gè)編碼器同時(shí)工作，實(shí)時(shí)進(jìn)行通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)并計(jì)算兩個(gè)編碼器數(shù)據(jù)偏差。PLC內(nèi)部計(jì)算左右編碼器數(shù)據(jù)平均值用在俯仰控制程序中。當(dāng)一側(cè)編碼器通信出現(xiàn)故障時(shí)，PLC自動(dòng)將俯仰角度數(shù)據(jù)從2個(gè)編碼器平均數(shù)切換至通信正常編碼器數(shù)據(jù)，并發(fā)出故障提示；當(dāng)2個(gè)編碼器通信均正常但數(shù)據(jù)偏差超過設(shè)置閾值，PLC自動(dòng)判斷并觸發(fā)編碼器偏差大故障，同時(shí)禁止俯仰機(jī)構(gòu)動(dòng)作，保證俯仰機(jī)構(gòu)安全，待2個(gè)編碼器數(shù)據(jù)重新校準(zhǔn)后恢復(fù)正常。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)編碼器系統(tǒng)均按照此種模式進(jìn)行安裝并工作。

雙編碼器的搭配使用，可以將編碼器通信中斷故障概率大幅度降低，同時(shí)使用平均數(shù)據(jù)比單一數(shù)據(jù)更加精確。而且2個(gè)編碼器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比、校驗(yàn)，也能降低單個(gè)編碼器應(yīng)用時(shí)數(shù)據(jù)漂移的風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高了編碼器測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.2 編碼器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與編碼器的定點(diǎn)智能修正

2.2.1 編碼器通信狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

以太網(wǎng)編碼器通信中斷時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)鎖定至某一錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際位置會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，如不及時(shí)觸發(fā)報(bào)警停機(jī)，單機(jī)可能會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)異常而導(dǎo)致動(dòng)作異常，進(jìn)而可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)損事故。因此，對(duì)以太網(wǎng)編碼器通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并產(chǎn)生報(bào)警停機(jī)很有必要。

不同的PLC有不同的模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方式，以羅克韋爾1756-L73為例，該P(yáng)LC程序內(nèi)可使用GSV指令對(duì)硬件狀態(tài)值進(jìn)行讀取，進(jìn)而對(duì)各硬件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。

以該部R1取料機(jī)回轉(zhuǎn)編碼器為例，該取料機(jī)程序中用GSV指令對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝的2個(gè)以太網(wǎng)編碼器狀態(tài)值進(jìn)行讀取，發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行狀態(tài)值為“16384”，進(jìn)而用讀取到的各編碼器狀態(tài)值與16384進(jìn)行比較，判斷編碼器的通信狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)編碼器狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能程序

當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2個(gè)編碼器通信狀態(tài)同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，操作界面上會(huì)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并觸發(fā)設(shè)備停機(jī)，必須及時(shí)修復(fù)后方可恢復(fù)作業(yè)，保證回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安全；當(dāng)其中一個(gè)編碼器通信狀態(tài)出現(xiàn)異常，而另一個(gè)編碼器通信正常且數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)，操作界面會(huì)發(fā)出報(bào)警，但不立即觸發(fā)停機(jī)，作業(yè)時(shí)操作人員需對(duì)回轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，并及時(shí)聯(lián)系修復(fù)。

2.2.2 編碼器的定點(diǎn)智能修正

編碼器在運(yùn)行一段時(shí)間后，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值或多或少會(huì)產(chǎn)生一定偏差。根據(jù)編碼器實(shí)際運(yùn)行狀況，需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正，以滿足設(shè)備正常需求。通過安裝在固定位置的校正裝置定點(diǎn)修正編碼器，可以實(shí)現(xiàn)編碼器的無需人工干預(yù)的智能修正，且無需安裝很多修正點(diǎn)。以俯仰編碼器為例，在俯仰上下急停保護(hù)開關(guān)的基礎(chǔ)上，新增零位檢測(cè)開關(guān)，觸發(fā)此開關(guān)時(shí)，臂架為水平位置，即俯仰角度為0°。當(dāng)零位檢測(cè)開關(guān)觸發(fā)時(shí)，俯仰編碼器數(shù)據(jù)為L(zhǎng)uffData，此時(shí)真實(shí)俯仰角度為0°。

若|LuffData|≤0.2，則認(rèn)為俯仰編碼器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不進(jìn)行修正；若0.2＜|LuffData|＜0.5，則認(rèn)為俯仰編碼器數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，但需要進(jìn)行修正；若|LuffData|≥0.5，則認(rèn)為俯仰編碼器偏差較大，不能直接進(jìn)行修正，必須停機(jī)進(jìn)行檢查。具體流程如圖2所示。

圖2 俯仰編碼器定點(diǎn)智能修正流程圖

回轉(zhuǎn)編碼器修正方式與俯仰編碼器類似，在固定角度安裝定點(diǎn)檢測(cè)裝置即可實(shí)現(xiàn)此功能。

2.3 編碼器與北斗衛(wèi)星定位的綜合優(yōu)化

2.3.1 編碼器與北斗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比該部堆場(chǎng)移動(dòng)單機(jī)上安裝有編碼器和北斗衛(wèi)星定位2種位置檢測(cè)裝置。單機(jī)程序中共有2套來源不同的位置數(shù)據(jù)。以回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)為例，用編碼器數(shù)據(jù)與北斗定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)做差，并利用該偏差來分析2個(gè)數(shù)據(jù)是否在正常區(qū)間內(nèi)，當(dāng)偏差大于設(shè)定數(shù)值且持續(xù)設(shè)定時(shí)間后，觸發(fā)“編碼器與北斗偏差過大”故障報(bào)警，同時(shí)觸發(fā)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停機(jī)，降低由于數(shù)據(jù)偏差造成回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)異常動(dòng)作進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)損事故的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步分析具體是哪一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問題，從而排除故障。具體功能程序如圖3所示。

2.3.2 編碼器與北斗數(shù)據(jù)自主切換

利用現(xiàn)有的編碼器和北斗數(shù)據(jù)，在人機(jī)界面上編制“定位系統(tǒng)狀態(tài)”界面，界面分別顯示單機(jī)北斗衛(wèi)星定位的通信狀態(tài)、各機(jī)構(gòu)位置數(shù)據(jù)、各機(jī)構(gòu)定位控制數(shù)據(jù)來源（編碼器或者北斗數(shù)據(jù)）等，并能實(shí)現(xiàn)編碼器與北斗定位數(shù)據(jù)自主切換功能，具體界面如圖4所示。

圖4 定位系統(tǒng)狀態(tài)界面

當(dāng)取料機(jī)某一機(jī)構(gòu)編碼器出現(xiàn)故障無法正常使用時(shí)，可以直接在界面上點(diǎn)擊操作按鈕，將位置數(shù)據(jù)來源切換至北斗衛(wèi)星定位，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常；待編碼器修復(fù)后即可用相同的方式切換至編碼器數(shù)據(jù)。將影響生產(chǎn)的時(shí)間降低到最少，大幅提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

本文重點(diǎn)闡述了國(guó)能黃驊港務(wù)公司生產(chǎn)一部結(jié)合堆取料機(jī)智能化改造后定位系統(tǒng)高要求的背景，通過不同的措施對(duì)無人化堆取料機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了編碼器工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、編碼器數(shù)據(jù)智能修正和編碼器與北斗定位互相檢驗(yàn)、自主修正等功能，提高了堆場(chǎng)單機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，提高了位置數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，保證了自動(dòng)作業(yè)的順利進(jìn)行。