試析斗輪取料機無人化取料控制技術

邢臺國泰發(fā)電有限責任公司 劉英肖 趙承東 國網河北省電力有限公司邢臺供電分公司 岳宇飛

本文以某企業(yè)斗輪機無人化堆、取料控制系統(tǒng)改造項目為例。本工程對#1、#2煤場的1臺DQL800/1200·30型懸臂斗輪機（甲斗輪機）和#5、#6煤場的1臺DQ8030型懸臂斗輪機（丙斗輪機）控制系統(tǒng)進行改造。其中#1、#2煤場的甲斗輪機主要規(guī)范見表1。主要改造范圍為2臺斗輪機改造、調試和運行，遠程操作臺增設，數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的構建，同時還需實現(xiàn)遠程控制通信，并在斗輪機臂架加裝防碰檢測裝置，以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

表1 #1、#2煤場的甲斗輪機主要規(guī)范

1 斗輪無人化取料控制系統(tǒng)構成

斗輪無人化取料控制系統(tǒng)實際上屬于自動化取料系統(tǒng)，整個系統(tǒng)功能強大、結構復雜，為滿足遠程控制需求以及無人取料作業(yè)要求，無人取料控制系統(tǒng)需要具備以下四個基礎系統(tǒng)。

1.1 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要用于實施遠程控制。此次項目改造過程中，在輸煤集控室新增了操作臺，并將其作為人工干預后備手段。通過在操作臺當中設置PLC 系統(tǒng)，實現(xiàn)操作臺、控制中心機柜與兩臺斗輪機之間的數(shù)據(jù)交換，進而達到遠程控制的目的。在設備實際運行的過程中，可由操作人員直接控制操作臺進行遠程作業(yè)，當出現(xiàn)突發(fā)情況時，也可一鍵急停，實現(xiàn)人工與自動化操作之間的無縫切換，降低對作業(yè)流程的影響。地面操作控制系統(tǒng)主要包括遠程控制操作臺、交換機、食品終端，以及工控主機。處于集控室的工作人員，需要根據(jù)遠程監(jiān)控視頻信號實際情況，合理控制和操作系統(tǒng)。

在實際安裝調試地面控制系統(tǒng)的過程中，需要注意以下要點：一是控制中心機柜安裝應參照標準機柜要求，設置在輸煤集控室；二是中空主交換機需要提供百兆電口和百兆光口，同時預留擴展接口，加強對于產品質量、品質的把控；三是確保機柜和就地控制臺具備防塵、防水、防潮等功能，并且耐一定程度的振動，此外需選用304不銹鋼材料，鋼板厚度不小于2.5mm，機柜主體框架的鋼板厚度至少為3.5mm，以免形變；四是確保所有金屬構件與接地母線相連[1]。

1.2 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)主要用于檢測材料位置，由于實際取料運輸?shù)倪^程中，材料處于運動狀態(tài)之下，因此為確保定位準確，應在堆、取料機走行、回轉、俯仰機構處設置定位檢測系統(tǒng)。結合案例工程項目實際情況特點，回轉機構定位系統(tǒng)選用了編碼器方式，通過將其固定在斗輪堆、取料機走行輪等位置，使其能夠隨軌道運行，可進行數(shù)據(jù)采集，并將其實時傳送回控制系統(tǒng)。俯仰機構的定位系統(tǒng)選用的是傾角傳感器；斗輪機臂架前設置料高檢測儀；側面安裝雷達或超聲波，以免出現(xiàn)碰撞情況；斗輪機前后車擋設置激光感應器，防止碰撞。

1.3 軟件管理系統(tǒng)

軟件管理系統(tǒng)是斗輪取料機無人化取料控制技術應用的要點，借助智能一體化平臺，結合實際作業(yè)需求，構建全自動無人堆取操控系統(tǒng)軟件，以此達到自動作業(yè)的目的。對此，在實際構建軟件管理系統(tǒng)的過程中，應著重從以下兩個方面入手：一是將單機操作與自動操作平臺有機融合在一起，以便后續(xù)操作和維護管理，提高操作的便利性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效共享；二是結合實際操作需求以及操作習慣，優(yōu)化設計界面布局、風格等，加大畫面功能開發(fā)力度，以便更好地實現(xiàn)人機交互。

軟件管理系統(tǒng)的設置需要滿足遠程人工以及自動控制要求，實現(xiàn)對于堆、取料機的全景式管理，實時采集設備狀態(tài)信號，并對故障問題進行報警。此外，還應具備數(shù)據(jù)的分類、存儲、查詢、處理，以及顯示等相關功能，確保能夠滿足實際作業(yè)需求。結合實際斗輪取料機無人化取料控制要求，軟件管理系統(tǒng)界面需要具備以下主要功能：一是顯示功能，主要包括登錄界面、主界面、堆、取料單機界面、通信狀態(tài)、報警界面等可供遠程操作的界面；二是查詢監(jiān)測功能，可實時推動顯示報警信息，并進行數(shù)據(jù)查詢、調取，此外，還可將設備運行情況狀態(tài)以圖表的方式實時顯示出來，實現(xiàn)遠程監(jiān)測；三是其他功能，軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)對參數(shù)的設置和維護，操作人員可根據(jù)實際需求進行參數(shù)修改調整、初始化，控制各種設備、掃描儀，以及故障復位、顯示3D 存煤模型等[2]。

1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

對于斗輪無人化取料控制而言，在實際操作時，多為遠程、自動控制，而在此過程中，視頻監(jiān)控具有無可取代的作用和地位，對技術的應用效果有著直接影響。結合案例工程項目實際情況，為確保遠程控制系統(tǒng)的可靠性，需要根據(jù)整個取料流程情況，設置完善的視頻監(jiān)控體系，擬采用至少8個定點高清網絡攝像機，以此確保操作人員能夠實時掌握、了解實際取料情況，以及設備的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)盲區(qū)，影響實際工作質量效率。

詳細攝像頭安裝位置及類型如下：球機（各1臺）。斗輪堆取料機輪斗處、斗輪堆取料機司機室前方、斗輪堆取料機配電室內；定點（各1臺）。斗輪堆取料機懸臂皮帶上方、斗輪堆取料機懸臂皮帶下方、斗輪堆取料機尾車皮帶上方、斗輪堆取料機落料筒處、斗輪堆取料機堆料分流擋板處、斗輪堆取料機電纜卷盤處。此外，還采用了硬盤錄像機作為視頻信號的存儲系統(tǒng)，通過無線通信裝置與地面控制室相連，實現(xiàn)視頻信號的實時傳輸。

2 斗輪無人化取料控制系統(tǒng)的應用

斗輪無人化取料控制系統(tǒng)的實際應用需要以取料作業(yè)流程為基礎，先由斗輪轉動挖取物料，然后由擋板運輸至懸臂皮帶，最后完成裝料。實際取料工藝主要包括以下幾種：一是平推取料，即分層不分段取料，需結合實際料垛高度，確定取料層數(shù)，通常17m 的料高可劃分為4層，整個取料過程包括回轉、行走和俯仰三個自由度；二是梯形取料，為分層分段取料方式，需先在料垛頂層確定固定的取料長度，然后換層取料，在確保料堆穩(wěn)定的基礎上，確定好每層取料的程度，最終形成梯形料堆。兩種取料方式各有優(yōu)缺點，前者換成次數(shù)少，實際操作效率較高，但同時也會使庫存緊張；后者則換成次數(shù)較多，實際工作效率偏低，但是能夠有效解決平推取料方式下庫存緊張的情況，便于堆場管理。在采用無人取料控制系統(tǒng)時，現(xiàn)場工作人員需要結合實際情況，合理選擇相應取料方式。結合取料操作流程，為更好地發(fā)揮無人化、自動化取料控制系統(tǒng)的作用，確保取料過程順利，需結合實際情況合理設計取料策略，科學應用取料流量控制器。

2.1 取料策略設計

斗輪無人化取料流程，需先進行激光掃描，獲得作業(yè)煤堆的三維模型，然后得到相應斗輪切入點坐標，自動對垛，最后自動取料。實際取料策略設計要點如下。

自動對垛策略設計。自動對垛是無人化取料系統(tǒng)的應用基礎，直接決定著取料質量和效率，因此，對于自動對垛策略的設計研究是十分重要的。結合無人取料實際工作情況，自動對垛詳細流程如下：開始-起始位置-行走至目標行走位置-俯仰至極限位置，啟動斗輪-回轉至目標回轉角度-俯仰至目標俯仰角度-步行回轉取料，直至斗輪碰到料堆停止-結束。需注意：一是結合實際取料需求，確定斗輪切入點；二是確定目標位置、回轉角度和俯仰角度；三是控制操作臺發(fā)出自動對坐指令，操作臺會控制設備自動抵達目標位置，并調整俯仰角度和回轉角度，直至斗輪與料堆相接觸，此時斗輪壓力指數(shù)會發(fā)生變化，提醒操作人員已經完成自動對垛。

第二，到邊換向策略設計。在實際用于無人化取料控制系統(tǒng)的過程中，由于取料時大臂會出現(xiàn)回轉操作，為更好地避免反向回轉風險，造成斗輪扎入料堆的情況，影響取料流程，甚至發(fā)生安全事故，需要合理展開到邊換向策略的設計。到邊換向策略設計過程中，需要將取料機行走位置、回轉角度，以及俯仰角度轉換為斗輪底部三維坐標，以便后續(xù)計算分析，具體坐標轉換公式如下：

式中，X1表示大機行走位置；L 表示懸臂長度；α 表示懸臂俯仰角；H1表示懸臂俯仰鉸點與斗輪中心的豎直距離；L1表示懸臂俯仰鉸點與回轉中心的水平距離；β 表示回轉角；Y1表示回轉中心在Y 軸上的坐標；H 表示懸臂俯仰鉸點高度；H2表示懸臂俯仰鉸點在Z 軸上的位置；R 表示斗輪半徑[3]。

在實際設計到邊換向策略時，結合斗輪底部Y 的位置，將其與每層料堆邊界Y 位置對比分析，以此確定自動回轉取料邊界相關信息，并通過雷達功能，實現(xiàn)邊界檢測，以此有效避免出現(xiàn)大臂反向回轉的情況，防止大臂突然反向回轉，以此確保實際取料流程的順暢性，保障取料作業(yè)安全、可靠。

塌垛處理策略設計。塌垛是實際取料過程中經常出現(xiàn)的問題，不僅會導致皮帶機過載，而且還會中止取料過程，影響實際作業(yè)。因此，如何處理塌垛問題始終是斗輪取料過程中重點研究的內容?；跓o人化自動取料特點，為保障作業(yè)效率，實際操作過程中，大臂存在回轉過快的情況，而料堆本身較為松散，因此料堆坍塌事故屢見不鮮，斗輪當中的料會出現(xiàn)突然增多的情況，影響系統(tǒng)正常運行。對此，在運用無人化自動取料系統(tǒng)時，應重點設計塌垛處理策略。當斗輪當中突增較多煤料，表明發(fā)生了塌垛事故，需進入塌垛處理流程。

在此過程中，準確判斷塌垛情況尤為重要，其判斷流程如下：開始-正常取料過程中-斗輪在運行狀態(tài)10s，斗輪沒有旋轉或者回轉變頻器電流過高（如否，重復進行上一步）-自動模式下發(fā)生煤料坍塌-第一次產生坍塌的脈沖時，記錄當前設備的行走值、回轉值和俯仰值-停止行走/回轉/俯仰運動-結束。

此外，還應進行自動塌垛恢復設計，以此確保取料流程得以正常推進。塌垛恢復流程共包括以下幾個步驟：一是進行煤堆坍塌恢復初始化，若斗輪運行10s 后，并未出現(xiàn)旋轉或者回轉變頻器電流過高的情況，則推進下一流程。二是在俯仰角度與坍塌時俯仰角度之差在0.3°以內，且當前行走位置與坍塌時行走位置之間的差值不超過0.3m 時，可判定為塌垛恢復完成，可進入后續(xù)取料流程；若不滿足上述要求，需要將第一次坍塌時的行走之和俯仰值賦值給當前情況，并重新進行差值計算，直至符合要求。

2.2 取料流量控制器的應用

取料流量控制器是確保無人化取料控制系統(tǒng)運用質量效果的重要設備，在系統(tǒng)當中有著極大的作用。在實際設計流量控制器時，需先構建斗輪取料系統(tǒng)模型，以此確定取料時取料量與回轉角度等相關參數(shù)之間的關系，并采用PID 控制法以及便捷控制閥，實現(xiàn)對于速度控制器的有效設計，以此確保取料流量控制準確、合理。經計算分析，取料量與回轉速度之間的關系表達式如下：h=（60×60×ρ×v×H）/1000，式中：h 表示每噸每小時取料量；ρ 表示物料密度；v 表示以體積為單位的取料速度；H 表示取料高度。

根據(jù)上述分析可知，取料量與回轉速度之間并非單純的線性關系，為保障取料流量控制效果，對于非線性增量，在設計過程中，應設計前饋補償模塊。對此，需要以斗輪負載壓力和空載壓力之差作為控制系統(tǒng)的前置反饋量，并根據(jù)皮帶秤瞬時流量值校正，以此實現(xiàn)對取料流量的有效、穩(wěn)定的控制[4]。