基于重量傳感器信號采集的抓斗抓取量智能控制系統(tǒng)

供稿/南京港機(jī)重工制造有限公司 潘 磊

采編/鄒鐵漢 張韋微

目前，抓斗抓取物料的過程主要是依賴司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)，手動操作主令控制器控制抓斗打開的角度大小，同一貨種的情況下，抓斗打開的角度越大，抓斗抓取量就越大。在抓斗打開的角度相同的情況下，不同的物料，密度越大，抓取的物料就越重，所以抓斗抓取物料的質(zhì)量跟司機(jī)操作抓斗打開的角度和所抓物料的密度都有關(guān)聯(lián)。為了滿足作業(yè)需求，避免出現(xiàn)因貨種密度不同或司機(jī)打開的抓斗角度不合適造成起重機(jī)作業(yè)時(shí)超載或抓取量過少的情況發(fā)生，目前港口生產(chǎn)者會根據(jù)不同的貨種配置斗容大小相適應(yīng)的抓斗，但是往往還不能完全兼顧所有的散貨作業(yè)需求。

現(xiàn)有的港口起重機(jī)設(shè)備上一般都有1套獨(dú)立的超負(fù)荷系統(tǒng)裝置，該裝置主要檢測起重機(jī)所吊起的貨物是否超載。當(dāng)超負(fù)荷系統(tǒng)裝置檢測到所吊起的貨物超載時(shí)會輸出信號至PLC系統(tǒng)，參與PLC系統(tǒng)控制，自動限制司機(jī)控制起重機(jī)將貨物繼續(xù)提升，只能將貨物下降。當(dāng)人工控制抓斗打開角度過大時(shí)，抓取物料質(zhì)量超過額定起重量，此時(shí)司機(jī)只能將抓斗放下，需重新操作抓斗抓料；當(dāng)抓斗打開角度過小時(shí)，抓取物料質(zhì)量又會低于額定起重量；以上2種情況都會造成生產(chǎn)效率降低。現(xiàn)有的抓斗控制系統(tǒng)完全依賴司機(jī)的操作水平，很難完全發(fā)揮起重設(shè)備的額定生產(chǎn)能力。超負(fù)荷系統(tǒng)也屬于獨(dú)立設(shè)置，使得超負(fù)荷系統(tǒng)無法融入整個(gè)系統(tǒng)，不能實(shí)時(shí)參與電氣系統(tǒng)控制。

技術(shù)方案

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，南京港機(jī)重工制造有限公司設(shè)計(jì)了一種基于重量傳感器信號采集的抓斗抓取量智能控制系統(tǒng)，以解決目前單一抓斗無法兼顧所有的散貨作業(yè)需求，需根據(jù)不同貨重更換不同類抓斗；以及作業(yè)過程中需人工反復(fù)調(diào)整抓斗打開角度以控制最合適的抓取量，進(jìn)而造成工作效率低的問題。

基于重量傳感器信號采集的抓斗抓取量智能控制系統(tǒng)包括：重量傳感器、抓斗控制系統(tǒng)、增量型編碼器及PLC系統(tǒng)。重量傳感器與PLC系統(tǒng)電性連接。抓斗控制裝置包括：抓斗、支持電動機(jī)、開閉電動機(jī)、支持卷筒、開閉卷筒、支持鋼絲繩、開閉鋼絲繩、主令控制器及變頻器。抓斗包括數(shù)片顎片，抓斗的頭部通過支持鋼絲繩與支持卷筒相連，抓斗顎片內(nèi)側(cè)的閉合繩上端通過開閉鋼絲繩與開閉卷筒相連，支持卷筒和開閉卷筒安裝于機(jī)房內(nèi)，卷筒上的鋼絲繩通過改向滑輪連接至抓斗；支持電動機(jī)連接控制支持卷筒，開閉電動機(jī)連接控制開閉卷筒。變頻器與支持電動機(jī)及開閉電動機(jī)、主令控制器與PLC系統(tǒng)、變頻器與PLC系統(tǒng)均為電性連接。主令控制器用于發(fā)出控制抓斗升降與開閉的指令，PLC系統(tǒng)將主令控制器發(fā)出的升降、開閉指令轉(zhuǎn)化后發(fā)送給變頻器，變頻器接收轉(zhuǎn)化后的運(yùn)行指令控制電動機(jī)工作運(yùn)行。支持電動機(jī)和開閉電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上均安裝有增量型編碼器，其與PLC系統(tǒng)電性連接，采集支持電動機(jī)及開閉電動機(jī)的運(yùn)行數(shù)值，再將數(shù)值信號回饋給PLC系統(tǒng)。

技術(shù)原理和實(shí)施流程

基于重量傳感器信號采集的抓斗抓取量智能控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

1）確認(rèn)增量型編碼器計(jì)數(shù)的方向，設(shè)抓斗上升或閉斗時(shí)為增計(jì)數(shù)，抓斗下降或開斗時(shí)為減計(jì)數(shù)；當(dāng)抓斗作打開動作時(shí)，支持鋼絲繩靜止不動，支持電動機(jī)的編碼器數(shù)值不變，開閉鋼絲繩下降，開閉電動機(jī)的編碼器數(shù)值遞減，直到抓斗打開到預(yù)想的角度時(shí)開閉鋼絲繩停止動作，此時(shí)開閉電動機(jī)的編碼器的數(shù)值停止遞減變化。

2）由主令控制器發(fā)送升降或開閉指令，再由PLC系統(tǒng)接收轉(zhuǎn)化后發(fā)送給變頻器，變頻器控制支持電動機(jī)及開閉電動機(jī)運(yùn)行。

3）支持電動機(jī)和開閉電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上的增量型編碼器與PLC系統(tǒng)電性連接，采用PLC高速計(jì)數(shù)器對增量型編碼器進(jìn)行信號采集，增量型編碼器作為變頻器的實(shí)際速度檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)閉環(huán)控制。通過計(jì)算得到支持和開閉鋼絲繩之間的繩差，根據(jù)比例關(guān)系

抓斗抓取量智能控制系統(tǒng)流程圖

φ=k1·c

c=a-b

式中：a為閉斗狀態(tài)時(shí)支持電動機(jī)的編碼器的數(shù)值，b為開閉電動機(jī)的編碼器的數(shù)值、c為抓斗打開動作時(shí)支持機(jī)構(gòu)鋼絲繩與開閉機(jī)構(gòu)鋼絲繩之間繩差對應(yīng)編碼器的差值，φ為抓斗打開的角度數(shù)值，k1為φ與c之間的比例系數(shù)。

通過PLC編程讀取支持電動機(jī)和開閉電動機(jī)上增量型編碼器的數(shù)值，計(jì)算出支持和開閉鋼絲繩的實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)，從而得出抓斗的打開角度。

4）將重量傳感器輸出的4～20 mA的模擬量信號直接進(jìn)入PLC的模擬量輸入模塊，港口起重機(jī)設(shè)備重量傳感器輸出的模擬量信號的數(shù)值與起重機(jī)設(shè)備所吊起的物料的質(zhì)量呈正比例關(guān)系，即

G=k2·I

式中：G為起重機(jī)所吊起的重物的質(zhì)量，I為重量傳感器輸出的模擬量信號的數(shù)值，k2為I與G之間的比例系數(shù)。

將超負(fù)荷系統(tǒng)的重量傳感器信號直接進(jìn)入PLC模擬量輸入模塊，根據(jù)重量傳感器輸出的模擬量信號的數(shù)值大小與起重機(jī)設(shè)備所吊起的物料的質(zhì)量呈正比例關(guān)系的原理，即可通過PLC編程實(shí)時(shí)讀取到起重機(jī)所吊起的重物的質(zhì)量。

5）ΔG為起重機(jī)實(shí)際所吊起的重物的質(zhì)量與起重機(jī)在正常工作情況下所允許的最大起重量之間的差，ΔG值越大，抓斗實(shí)際少抓的物料質(zhì)量就越多，根據(jù)ΔG值的大小，下個(gè)循環(huán)作業(yè)時(shí)，PLC根據(jù)程序模塊將自動調(diào)整抓斗打開的角度，直到ΔG值接近于0為止。同時(shí)PLC將此時(shí)抓斗打開的角度值φ記憶存儲，即記憶存儲支持機(jī)構(gòu)鋼絲繩與開閉機(jī)構(gòu)鋼絲繩之間繩差對應(yīng)編碼器的數(shù)值c，然后PLC將按照此角度值自動進(jìn)行精確控制，保證每次抓斗抓取物料的量接近起重機(jī)在正常工作情況下所允許的最大起重質(zhì)量Gn。

6）如果計(jì)算得出的ΔG值為負(fù)值，負(fù)值越大，抓斗實(shí)際多抓的物料的質(zhì)量就越多，根據(jù)ΔG值的大小，PLC按照程序模塊自動控制抓斗打開進(jìn)行卸料減重，直到ΔG的值接近于0為止，PLC根據(jù)程序模塊自動控制抓斗閉合，停止卸料減重，記憶存儲同5）。

總結(jié)

本技術(shù)方案簡單實(shí)用，在不改變?nèi)魏螜C(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過PLC系統(tǒng)采集重量傳感器的實(shí)時(shí)信號，對抓取量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并參與系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)抓斗抓取量智能控制，整個(gè)過程無需人工控制；且可對抓取的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，加快了工作效率，更加便于作業(yè)；避免了因反復(fù)抓取造成的空氣環(huán)境污染等問題；本系統(tǒng)成本低，智能化程度高，極大地提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率、本質(zhì)安全性、綠色環(huán)保性、智能性。