試析斗輪取料機(jī)無(wú)人化取料控制技術(shù)

邢臺(tái)國(guó)泰發(fā)電有限責(zé)任公司 劉英肖 趙承東 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺(tái)供電分公司 岳宇飛

本文以某企業(yè)斗輪機(jī)無(wú)人化堆、取料控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例。本工程對(duì)#1、#2煤場(chǎng)的1臺(tái)DQL800/1200·30型懸臂斗輪機(jī)（甲斗輪機(jī)）和#5、#6煤場(chǎng)的1臺(tái)DQ8030型懸臂斗輪機(jī)（丙斗輪機(jī)）控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。其中#1、#2煤場(chǎng)的甲斗輪機(jī)主要規(guī)范見(jiàn)表1。主要改造范圍為2臺(tái)斗輪機(jī)改造、調(diào)試和運(yùn)行，遠(yuǎn)程操作臺(tái)增設(shè)，數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的構(gòu)建，同時(shí)還需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制通信，并在斗輪機(jī)臂架加裝防碰檢測(cè)裝置，以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

表1 #1、#2煤場(chǎng)的甲斗輪機(jī)主要規(guī)范

1 斗輪無(wú)人化取料控制系統(tǒng)構(gòu)成

斗輪無(wú)人化取料控制系統(tǒng)實(shí)際上屬于自動(dòng)化取料系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為滿足遠(yuǎn)程控制需求以及無(wú)人取料作業(yè)要求，無(wú)人取料控制系統(tǒng)需要具備以下四個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)。

1.1 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要用于實(shí)施遠(yuǎn)程控制。此次項(xiàng)目改造過(guò)程中，在輸煤集控室新增了操作臺(tái)，并將其作為人工干預(yù)后備手段。通過(guò)在操作臺(tái)當(dāng)中設(shè)置PLC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)、控制中心機(jī)柜與兩臺(tái)斗輪機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，可由操作人員直接控制操作臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，也可一鍵急停，實(shí)現(xiàn)人工與自動(dòng)化操作之間的無(wú)縫切換，降低對(duì)作業(yè)流程的影響。地面操作控制系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)、交換機(jī)、食品終端，以及工控主機(jī)。處于集控室的工作人員，需要根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻信號(hào)實(shí)際情況，合理控制和操作系統(tǒng)。

在實(shí)際安裝調(diào)試地面控制系統(tǒng)的過(guò)程中，需要注意以下要點(diǎn)：一是控制中心機(jī)柜安裝應(yīng)參照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜要求，設(shè)置在輸煤集控室；二是中空主交換機(jī)需要提供百兆電口和百兆光口，同時(shí)預(yù)留擴(kuò)展接口，加強(qiáng)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量、品質(zhì)的把控；三是確保機(jī)柜和就地控制臺(tái)具備防塵、防水、防潮等功能，并且耐一定程度的振動(dòng)，此外需選用304不銹鋼材料，鋼板厚度不小于2.5mm，機(jī)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(gòu)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(cè)材料位置，由于實(shí)際取料運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，材料處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之下，因此為確保定位準(zhǔn)確，應(yīng)在堆、取料機(jī)走行、回轉(zhuǎn)、俯仰機(jī)構(gòu)處設(shè)置定位檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合案例工程項(xiàng)目實(shí)際情況特點(diǎn)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)選用了編碼器方式，通過(guò)將其固定在斗輪堆、取料機(jī)走行輪等位置，使其能夠隨軌道運(yùn)行，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將其實(shí)時(shí)傳送回控制系統(tǒng)。俯仰機(jī)構(gòu)的定位系統(tǒng)選用的是傾角傳感器；斗輪機(jī)臂架前設(shè)置料高檢測(cè)儀；側(cè)面安裝雷達(dá)或超聲波，以免出現(xiàn)碰撞情況；斗輪機(jī)前后車擋設(shè)置激光感應(yīng)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(jī)無(wú)人化取料控制技術(shù)應(yīng)用的要點(diǎn)，借助智能一體化平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際作業(yè)需求，構(gòu)建全自動(dòng)無(wú)人堆取操控系統(tǒng)軟件，以此達(dá)到自動(dòng)作業(yè)的目的。對(duì)此，在實(shí)際構(gòu)建軟件管理系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)著重從以下兩個(gè)方面入手：一是將單機(jī)操作與自動(dòng)操作平臺(tái)有機(jī)融合在一起，以便后續(xù)操作和維護(hù)管理，提高操作的便利性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效共享；二是結(jié)合實(shí)際操作需求以及操作習(xí)慣，優(yōu)化設(shè)計(jì)界面布局、風(fēng)格等，加大畫(huà)面功能開(kāi)發(fā)力度，以便更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

軟件管理系統(tǒng)的設(shè)置需要滿足遠(yuǎn)程人工以及自動(dòng)控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)于堆、取料機(jī)的全景式管理，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，并對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警。此外，還應(yīng)具備數(shù)據(jù)的分類、存儲(chǔ)、查詢、處理，以及顯示等相關(guān)功能，確保能夠滿足實(shí)際作業(yè)需求。結(jié)合實(shí)際斗輪取料機(jī)無(wú)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(jī)界面、通信狀態(tài)、報(bào)警界面等可供遠(yuǎn)程操作的界面；二是查詢監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)時(shí)推動(dòng)顯示報(bào)警信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、調(diào)取，此外，還可將設(shè)備運(yùn)行情況狀態(tài)以圖表的方式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；三是其他功能，軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的設(shè)置和維護(hù)，操作人員可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行參數(shù)修改調(diào)整、初始化，控制各種設(shè)備、掃描儀，以及故障復(fù)位、顯示3D 存煤模型等[2]。

1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于斗輪無(wú)人化取料控制而言，在實(shí)際操作時(shí)，多為遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制，而在此過(guò)程中，視頻監(jiān)控具有無(wú)可取代的作用和地位，對(duì)技術(shù)的應(yīng)用效果有著直接影響。結(jié)合案例工程項(xiàng)目實(shí)際情況，為確保遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的可靠性，需要根據(jù)整個(gè)取料流程情況，設(shè)置完善的視頻監(jiān)控體系，擬采用至少8個(gè)定點(diǎn)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，以此確保操作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握、了解實(shí)際取料情況，以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，避免出現(xiàn)盲區(qū)，影響實(shí)際工作質(zhì)量效率。

詳細(xì)攝像頭安裝位置及類型如下：球機(jī)（各1臺(tái)）。斗輪堆取料機(jī)輪斗處、斗輪堆取料機(jī)司機(jī)室前方、斗輪堆取料機(jī)配電室內(nèi)；定點(diǎn)（各1臺(tái)）。斗輪堆取料機(jī)懸臂皮帶上方、斗輪堆取料機(jī)懸臂皮帶下方、斗輪堆取料機(jī)尾車皮帶上方、斗輪堆取料機(jī)落料筒處、斗輪堆取料機(jī)堆料分流擋板處、斗輪堆取料機(jī)電纜卷盤(pán)處。此外，還采用了硬盤(pán)錄像機(jī)作為視頻信號(hào)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線通信裝置與地面控制室相連，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。

2 斗輪無(wú)人化取料控制系統(tǒng)的應(yīng)用

斗輪無(wú)人化取料控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要以取料作業(yè)流程為基礎(chǔ)，先由斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)挖取物料，然后由擋板運(yùn)輸至懸臂皮帶，最后完成裝料。實(shí)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(jié)合實(shí)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(gè)取料過(guò)程包括回轉(zhuǎn)、行走和俯仰三個(gè)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(zhǎng)度，然后換層取料，在確保料堆穩(wěn)定的基礎(chǔ)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(diǎn)，前者換成次數(shù)少，實(shí)際操作效率較高，但同時(shí)也會(huì)使庫(kù)存緊張；后者則換成次數(shù)較多，實(shí)際工作效率偏低，但是能夠有效解決平推取料方式下庫(kù)存緊張的情況，便于堆場(chǎng)管理。在采用無(wú)人取料控制系統(tǒng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員需要結(jié)合實(shí)際情況，合理選擇相應(yīng)取料方式。結(jié)合取料操作流程，為更好地發(fā)揮無(wú)人化、自動(dòng)化取料控制系統(tǒng)的作用，確保取料過(guò)程順利，需結(jié)合實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)取料策略，科學(xué)應(yīng)用取料流量控制器。

2.1 取料策略設(shè)計(jì)

斗輪無(wú)人化取料流程，需先進(jìn)行激光掃描，獲得作業(yè)煤堆的三維模型，然后得到相應(yīng)斗輪切入點(diǎn)坐標(biāo)，自動(dòng)對(duì)垛，最后自動(dòng)取料。實(shí)際取料策略設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

自動(dòng)對(duì)垛策略設(shè)計(jì)。自動(dòng)對(duì)垛是無(wú)人化取料系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)，直接決定著取料質(zhì)量和效率，因此，對(duì)于自動(dòng)對(duì)垛策略的設(shè)計(jì)研究是十分重要的。結(jié)合無(wú)人取料實(shí)際工作情況，自動(dòng)對(duì)垛詳細(xì)流程如下：開(kāi)始-起始位置-行走至目標(biāo)行走位置-俯仰至極限位置，啟動(dòng)斗輪-回轉(zhuǎn)至目標(biāo)回轉(zhuǎn)角度-俯仰至目標(biāo)俯仰角度-步行回轉(zhuǎn)取料，直至斗輪碰到料堆停止-結(jié)束。需注意：一是結(jié)合實(shí)際取料需求，確定斗輪切入點(diǎn)；二是確定目標(biāo)位置、回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度；三是控制操作臺(tái)發(fā)出自動(dòng)對(duì)坐指令，操作臺(tái)會(huì)控制設(shè)備自動(dòng)抵達(dá)目標(biāo)位置，并調(diào)整俯仰角度和回轉(zhuǎn)角度，直至斗輪與料堆相接觸，此時(shí)斗輪壓力指數(shù)會(huì)發(fā)生變化，提醒操作人員已經(jīng)完成自動(dòng)對(duì)垛。

第二，到邊換向策略設(shè)計(jì)。在實(shí)際用于無(wú)人化取料控制系統(tǒng)的過(guò)程中，由于取料時(shí)大臂會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)操作，為更好地避免反向回轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，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(kāi)到邊換向策略的設(shè)計(jì)。到邊換向策略設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將取料機(jī)行走位置、回轉(zhuǎn)角度，以及俯仰角度轉(zhuǎn)換為斗輪底部三維坐標(biāo)，以便后續(xù)計(jì)算分析，具體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，X1表示大機(jī)行走位置；L 表示懸臂長(zhǎng)度；α 表示懸臂俯仰角；H1表示懸臂俯仰鉸點(diǎn)與斗輪中心的豎直距離；L1表示懸臂俯仰鉸點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心的水平距離；β 表示回轉(zhuǎn)角；Y1表示回轉(zhuǎn)中心在Y 軸上的坐標(biāo)；H 表示懸臂俯仰鉸點(diǎn)高度；H2表示懸臂俯仰鉸點(diǎn)在Z 軸上的位置；R 表示斗輪半徑[3]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)到邊換向策略時(shí)，結(jié)合斗輪底部Y 的位置，將其與每層料堆邊界Y 位置對(duì)比分析，以此確定自動(dòng)回轉(zhuǎn)取料邊界相關(guān)信息，并通過(guò)雷達(dá)功能，實(shí)現(xiàn)邊界檢測(cè)，以此有效避免出現(xiàn)大臂反向回轉(zhuǎn)的情況，防止大臂突然反向回轉(zhuǎn)，以此確保實(shí)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(shè)計(jì)。塌垛是實(shí)際取料過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，不僅會(huì)導(dǎo)致皮帶機(jī)過(guò)載，而且還會(huì)中止取料過(guò)程，影響實(shí)際作業(yè)。因此，如何處理塌垛問(wèn)題始終是斗輪取料過(guò)程中重點(diǎn)研究的內(nèi)容?；跓o(wú)人化自動(dòng)取料特點(diǎn)，為保障作業(yè)效率，實(shí)際操作過(guò)程中，大臂存在回轉(zhuǎn)過(guò)快的情況，而料堆本身較為松散，因此料堆坍塌事故屢見(jiàn)不鮮，斗輪當(dāng)中的料會(huì)出現(xiàn)突然增多的情況，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)此，在運(yùn)用無(wú)人化自動(dòng)取料系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)塌垛處理策略。當(dāng)斗輪當(dāng)中突增較多煤料，表明發(fā)生了塌垛事故，需進(jìn)入塌垛處理流程。

在此過(guò)程中，準(zhǔn)確判斷塌垛情況尤為重要，其判斷流程如下：開(kāi)始-正常取料過(guò)程中-斗輪在運(yùn)行狀態(tài)10s，斗輪沒(méi)有旋轉(zhuǎn)或者回轉(zhuǎn)變頻器電流過(guò)高（如否，重復(fù)進(jìn)行上一步）-自動(dòng)模式下發(fā)生煤料坍塌-第一次產(chǎn)生坍塌的脈沖時(shí)，記錄當(dāng)前設(shè)備的行走值、回轉(zhuǎn)值和俯仰值-停止行走/回轉(zhuǎn)/俯仰運(yùn)動(dòng)-結(jié)束。

此外，還應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)塌垛恢復(fù)設(shè)計(jì)，以此確保取料流程得以正常推進(jìn)。塌垛恢復(fù)流程共包括以下幾個(gè)步驟：一是進(jìn)行煤堆坍塌恢復(fù)初始化，若斗輪運(yùn)行10s 后，并未出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或者回轉(zhuǎn)變頻器電流過(guò)高的情況，則推進(jìn)下一流程。二是在俯仰角度與坍塌時(shí)俯仰角度之差在0.3°以內(nèi)，且當(dāng)前行走位置與坍塌時(shí)行走位置之間的差值不超過(guò)0.3m 時(shí)，可判定為塌垛恢復(fù)完成，可進(jìn)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(shí)的行走之和俯仰值賦值給當(dāng)前情況，并重新進(jìn)行差值計(jì)算，直至符合要求。

2.2 取料流量控制器的應(yīng)用

取料流量控制器是確保無(wú)人化取料控制系統(tǒng)運(yùn)用質(zhì)量效果的重要設(shè)備，在系統(tǒng)當(dāng)中有著極大的作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)流量控制器時(shí)，需先構(gòu)建斗輪取料系統(tǒng)模型，以此確定取料時(shí)取料量與回轉(zhuǎn)角度等相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，并采用PID 控制法以及便捷控制閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)于速度控制器的有效設(shè)計(jì)，以此確保取料流量控制準(zhǔn)確、合理。經(jīng)計(jì)算分析，取料量與回轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系表達(dá)式如下：h=（60×60×ρ×v×H）/1000，式中：h 表示每噸每小時(shí)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(zhuǎn)速度之間并非單純的線性關(guān)系，為保障取料流量控制效果，對(duì)于非線性增量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償模塊。對(duì)此，需要以斗輪負(fù)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(shí)流量值校正，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)取料流量的有效、穩(wěn)定的控制[4]。