孫波

（泰富重裝集團有限公司研究院，湖南 湘潭 411201）

斗輪堆取料機設備常用位置檢測方式設計與研究

孫波

（泰富重裝集團有限公司研究院，湖南 湘潭 411201）

介紹了斗輪堆取料機設備常用位置檢測方式，比較幾種方式的優(yōu)缺點，分析在不同的應用場合條件下如何進行選擇使用，可為其設計選型提供參考。

斗輪堆取料機；位置檢測；設計

0 引言

傳感器檢測技術在斗輪堆取料機等移動設備中有著舉足輕重的地位，傳感器檢測并提供給斗輪堆取料機進行數(shù)據(jù)處理和運行指示所必需的原始位置信息，很大程度上影響和決定著斗輪堆取料機設備的整體性能。

1 斗輪堆取料機設備位置檢測的主要種類

限位位置檢測裝置，主要有：左、右回轉(zhuǎn)限位，懸臂俯仰上升、下降限位，變尾車俯仰上升、下降限位（變尾車斗輪堆取料機），行走前進、后退限位，三通料斗堆料位、取料位等各動作機構(gòu)的動作限位；

角度檢測裝置，主要是回轉(zhuǎn)角度檢測裝置、俯仰角度檢測裝置、司機室水平角度檢測裝置；直線距離位置檢測裝置，主要有大車走行距離位置的檢測；料位料高檢測，主要是檢測懸臂機構(gòu)落料點到料堆之間的距離；電機速度檢測，主要是通過檢測電機的運行速度來實現(xiàn)閉環(huán)控制，尤其是在對于電機速度要求精密控制的場合。

2 斗輪堆取料機設備位置檢測的主要方式

電纜滑線導軌由軌道、攜纜臺車、扁平軟電纜及懸吊、固定配件組成。該產(chǎn)品以其完備的性能廣泛地應用于煙草機械、鐵路貨場、港口等一切移動式行車的輸電系統(tǒng)中。它雖然結(jié)構(gòu)簡單，但只適合少量電纜間的連接，運行距離要求不能太遠。在斗輪堆取料設備上作為短距離的供電與通訊措施，或單獨某個活動部件的電纜連接措施。

2.1 限位開關、行程開關與接近開關

限位開關與接近開關是常用的檢測元件，它們之間的區(qū)別在于采用接觸與非接觸工作方式。

限位開關一般又稱行程開關，主要用于機械設備的行程及限位保護的控制。在實際控制應用中，將限位開關預先安裝在需要的位置點，再在設備運行中讓運動機構(gòu)上的撞塊撞擊限位開關，通過機械作用力的作用使限位開關內(nèi)部的微動開關動作，它的工作原理類似按鈕動作，是一種間歇式的絕對位置定位方式。限位開關作為一種有觸點開關，其主要適合單方向位置檢測，壽命相對較短。

接近開關是一種利用電場或磁場變化引起觸點的動作和復位的檢測開關，它是一種無觸點開關，使用壽命相對較長，適用于“通過信號”。

總的來說限位開關與行程開關的選擇原則是：在單方向位置檢測時用行程開關，雙向或多向位置檢測時候用接近開關；在用作保護功能時用行程開關，比如極限位置，在需要檢測物體通過某個位置時用接近開關，比如各停止位；行程開關由于有觸發(fā)擺桿，因此檢測物件的位置、角度需確定好，接近開關只需調(diào)整好感應距離就可以了，但無論哪種開關其支架應該設計成可調(diào)式（因為開關本身只能微調(diào)）；行程開關一般是1常開1常閉觸點，一般只使用1對，所以2根線即可，接近開關一般有2線3線4線制，因此線要比行程開關多；行程開關是干接點形式，無需考慮其接口連接對象，接近開關因為其輸出接口有PNP與NPN，其連接要選擇與之一致的相連設備，如PLC接口是PNP還是NPN，否則將無法驅(qū)動連接對象。

在斗輪堆取料機上的應用：

1）限位位置檢測。主要對各機構(gòu)的限位位置與特定位置進行檢測。

2）俯仰角度位置檢測-碼盤檢測法。制作專用的檢測碼盤來檢測如俯仰角度等信息，根據(jù)檢測碼盤的精確度可以將其做成一種較為精確的角度檢測；必須有PLC或?qū)Ｓ玫挠嫈?shù)器來進行數(shù)據(jù)處理，另外因為其容易產(chǎn)生累計誤差，也必須設置校正（零）位置接近開關。

3）回轉(zhuǎn)角度位置檢測-齒輪檢測法（可以看作一種特定形式的碼盤）。利用設備自帶的齒輪，通過對其齒數(shù)進行計數(shù)來檢測角度位置的變化，比如斗輪堆取料機，門式起重器的回轉(zhuǎn)齒輪檢測；必須有PLC或?qū)Ｓ玫挠嫈?shù)器來進行數(shù)據(jù)處理，另外因為其容易產(chǎn)生累計誤差，也必須設置校正（零）位置接近開關。

4）大車走行距離位置檢測-直線位置檢測法。通過在行走輪上安裝檢測輪（斗輪堆取料機的主動輪或從動輪），檢測在行走過程產(chǎn)生的脈沖來檢測出走行行走距離，必須有PLC或?qū)Ｓ玫挠嫈?shù)器來進行數(shù)據(jù)處理，另外因為其容易產(chǎn)生累計誤差，也必須設置校正（零）位置接近開關。

5）電機速度檢測-低轉(zhuǎn)速與低精度的電機轉(zhuǎn)速檢測。通過接近開關取一個特定的檢測點/盤，通過檢測點/盤與電機的同步運動來檢測電機的轉(zhuǎn)速；缺點精度低，基本是一圈一個或幾個脈沖信號，如果電機轉(zhuǎn)速較快，接近開關的反應速度將無法完整地檢測出電機的運行信息。

優(yōu)點：綜合來說這類技術的優(yōu)點是成本低，安裝、維修更換簡單方便，對維護人員要求不高；對于安裝工藝基本無大的要求；應用面廣泛，斗輪堆取料機上所有的位置檢測場合其基本可以實現(xiàn)應用。

缺點：在使用過程中行程開關容易產(chǎn)生點蝕、磨損，使用壽命相對較短。接近開關的可靠性相對較差，易損壞失靈，而且容易受環(huán)境溫度、電源波動、外界物體的電場磁場干擾等影響而產(chǎn)生誤動作，甚至使控制系統(tǒng)邏輯紊亂。同時移動設備在運行過程中所帶有的振動、抖動也經(jīng)常導致其失靈或誤動作。對于位置檢測的精度相對較低，一般都是根據(jù)所設的檢測點數(shù)量來實現(xiàn)精度檢測，但檢測點數(shù)量在一般情況下不可能設置太多；為了防止信號丟失與干擾產(chǎn)生的誤差，在檢測時需對特定的已知點進行位置校正，比如角度位置的0°、90°，直線位置的0 m、50 m，100 m等；一個開關對于所檢測的位置信息不具備特點記憶功能，基本分不出特點的位置，只能檢測到累計數(shù)，如需檢測特定位置需設置特定位置檢測開關。

2.2 編碼器位置檢測

編碼器是一種機械檢測技術與電子檢測技術集合發(fā)展而來的精密檢測儀器。其通過光電原理或電磁原理將一個機械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子脈沖信號或者數(shù)據(jù)串的電子信號。再將電子信號連接到控制系統(tǒng)中（比如PLC、計數(shù)器、變頻器等），控制系統(tǒng)經(jīng)過邏輯數(shù)學計算運行處理最終得到測量所需的數(shù)據(jù)?？偟膩碚f旋轉(zhuǎn)編碼器是一種相對定位的機械接觸式的檢測開關。根據(jù)編碼器刻度方法與信號輸出形式，一般分為增量式編碼器與絕對式編碼器。編碼器一般應用于機械設備的角度檢測、速度檢測，以及距離位置的測量。

在斗輪堆取料機上的應用：

1）俯仰角度檢測。在俯仰中心鉸點位置，通過專門的檢測連接裝置（一般都是各個廠家自制的檢測裝置，其主要含俯仰同心檢測盤、與編碼器連接的檢測盤、機械連接裝置等），將俯仰位置的變化量通過編碼器（一般采用絕對值型編碼器）輸送給PLC，讓PLC通過計算變換成實際的俯仰角度或高度。因為機械傳輸機構(gòu)的累計誤差，一般設置校零點。

2）回轉(zhuǎn)角度檢測。在回轉(zhuǎn)大齒圈上，通過專門的檢測連接裝置（一般都是各個廠家自制的檢測裝置，其主要含與編碼器連接的檢測盤、機械連接裝置等），將回轉(zhuǎn)位置的變化量通過編碼器（一般采用絕對值型編碼器）輸送給PLC，讓PLC通過計算變換成實際的回轉(zhuǎn)角度。因為機械傳輸機構(gòu)的累計誤差，一般設置校零點。

3）大車走行距離位置檢測。是在大車走行機構(gòu)的車輪上安裝專門的編碼器檢測碼盤來連續(xù)檢測行走位置的變化，原理是通過測量軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)再乘以周長從而得到移動設備的位置變化。通過安裝在大車走行機構(gòu)車輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測行走位置的方法，是一種相對定位的接觸工作方式。因為編碼器測量位移技術的特點，其往往避免不了由于大車走行時頻繁啟停所導致的滑動累積誤差和大車行走過程中車輪打滑的位移誤差，實踐應用證明這種誤差程度也影響到其所提供的位置信息的精準性，在實際應用中還需要采用在每隔一個固定位置距離（如0 m、50 m、100 m等）校正一次，但如果追求校正的精確性，有時對校正的設置就過于密集，比如10 m設置一個，這樣又變成了類似與行程開關或接近開關增量式位置檢測，但其對位置的高分辨率是行程開關與接近開關無法實現(xiàn)的。

4）電機轉(zhuǎn)速檢測。通過與電機輸出軸的連接，可以高效可靠地檢測電機的旋轉(zhuǎn)速度，而且可以提供多種接口與PLC、變頻器等進行連接。

優(yōu)點：技術成熟、測量范圍廣、應用較廣，尤其是在角度測量與電機測速方面，另外與其他復雜測量方式比還具有成本低等特點。

缺點：增量式缺點是存在零點累計誤差，抗干擾較差，易丟脈沖，掉電會丟失零點，開機應找零或參考位。絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，而且不用連續(xù)計數(shù)，數(shù)據(jù)可靠性高，但由于絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器是由一套精密機械完成位置計數(shù)，在使用中也存在易錯碼易損壞的缺陷。整體來說編碼器還是易損壞，不耐高溫，維護工作量大。

2.3 傾角檢測

傾角傳感器是一種用來測量相對于水平面產(chǎn)生傾角變化量的專用檢測開關。其理論依據(jù)是牛頓第二定律，根據(jù)此原理在一個運動系統(tǒng)中當速度無法測量時，可以測量其加速度；所以當初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。其實傾角傳感器是運用慣性原理的一種加速度傳感器。一般可分為：單軸傾角傳感器和雙軸傾角傳感器。

在斗輪堆取料機上的應用：在斗輪堆取料機中，主要是用來檢測俯仰機構(gòu)的角度變化與自調(diào)式司機室水平位置變化的檢測，因為俯仰機構(gòu)與司機室機構(gòu)具有變化角度?。ㄆ浣嵌茸兓秶话闶窃?15°～+15°之間）、變化速度慢等特點，所以非常適合采用傾角傳感器。

優(yōu)點：其相對于編碼器來說具有安裝簡單、維護方便等特點，因為其安裝無需借助其他傳動機構(gòu)，只需被檢測機構(gòu)在水平位置時，進行簡單的固定安裝。

缺點：檢測角度范圍有限，一般在-45°～+45°內(nèi)，對于控制變化的速率有一定要求。

2.4 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器本質(zhì)是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關系的感應式微型電機。旋轉(zhuǎn)變壓器主要由由1個鐵心、2個定子繞組和2個轉(zhuǎn)子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉(zhuǎn)子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成一定的數(shù)學函數(shù)關系。旋轉(zhuǎn)變壓器的位移傳感器中線性可變差動變壓器和旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器傳感器能夠提供高穩(wěn)定性、高可靠性的位置檢測，其具有無限分辨率、多通道輸出匹配的獨特功能。

在斗輪堆取料機上的應用：旋轉(zhuǎn)變壓器主要是用于斗輪堆取料機的角度位置變化檢測。

優(yōu)點：技術成熟穩(wěn)定，價格便宜。

缺點：需要設計專門的轉(zhuǎn)換電路才能夠與PLC等控制系統(tǒng)連接。

2.5 激光與紅外測距

激光與紅外測距的檢測原理是：在光速固定不變的前提下，利用激光傳輸時間來測量距離，即通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離，它是一種連續(xù)的非接觸式位置檢測。

在斗輪堆取料機上的應用：主要是用在走行距離位置的檢測，以及同軌道設備之間的防碰撞保護。

優(yōu)點：測量精度高，一般可以到厘米甚至毫米級的分辨率，安裝方便簡單，在保證直線性的前提下，只要在直線傳輸?shù)闹虚g不存在干擾物體就可以。

缺點：價格相對較貴，所測距相對較短，對環(huán)境尤其是空氣質(zhì)量有一定要求，不能夠屏蔽傳輸通道上的干擾物，需要經(jīng)常對設備進行維護（外罩）。

2.6 格雷母線

格雷母線是利用電磁感應原理和格雷編碼原理來進行位置檢測的技術，它是一種連續(xù)的非接觸式絕對位置檢測方式。其通過安裝在斗輪堆取料機上的感應天線箱與沿軌道方向安裝的格雷母線之間的相互電磁感應來檢測斗輪堆取料機及感應天線箱在格雷母線長度方向上的位置。

在斗輪堆取料機上的應用：走行距離位置檢測。

優(yōu)點：由于感應天線箱與格雷母線之間是靠電磁感應來工作的，而電磁波可以穿過任何非金屬物體，能在高溫、高濕、強粉塵、多干擾物的環(huán)境下穩(wěn)定可靠運行，基本不受天氣環(huán)境影響，具有全天候工作特性，在露天環(huán)境中具有較為突出的使用優(yōu)勢。感應天線箱與格雷母線之間工作距離范圍在30～300 mm，其抗電氣干擾能力強，寬容度比較大，可以用于直線或環(huán)形以及其他不規(guī)則位移的位置檢測，定位精度可以達到5 mm，輸出頻率20 ms；格雷碼地址穩(wěn)定可靠，無重碼誤碼現(xiàn)象，系統(tǒng)基本不受電氣環(huán)境的影響。其非接觸式工作方式?jīng)]有任何磨損存在，所以使用壽命也極長。不怕斗輪堆取料機在走行過程中的振動和抖動問題，使用中一般不會發(fā)生丟失地址現(xiàn)象。

缺點：造價較貴，系統(tǒng)復雜，對維護人員的專業(yè)技術水平有較高要求。

2.7 料位料高檢測

在斗輪堆取料機應用中料位料高檢測主要是采用超聲波料位計與雷達料位計兩種方式；超聲波和雷達因為其測量原理的不同，所以其應用場合有一定的區(qū)別。雷達波是一種電磁波，不需要傳播媒介，與被測物質(zhì)的介電常數(shù)有關；而超聲波是一種機械波，需要傳播媒介，與被測物質(zhì)的密度有關。對于它們的使用選擇，被測物體介質(zhì)方面，對于介電常數(shù)很低的物質(zhì)，雷達的測量效果一般很差，所以固體物質(zhì)一般用超聲波，但對于機械波有吸收的物體，卻只能夠選擇雷達；被測物體壓力方面，超聲波是通過壓電物質(zhì)的振動來發(fā)射的，所以它不可能用在壓力較高或負壓的場合，一般只用在常壓場合，而雷達可以用在高壓場合；被測物體角度方面，雷達的發(fā)射角度比超聲波大，在小容器或狹長容器中一般使用超聲波而不推薦用非接觸式雷達，實在需要用雷達時一般使用導波雷達；檢測精度方面，雷達的精度一般比超聲波高，對于高精度應用場合下要使用高精度雷達；價格方面，一般情況下在同量程環(huán)境下超聲波比雷達低。

在斗輪堆取料機上的應用：主要是用在料位料高檢測、皮帶上的來料檢測、噴淋系統(tǒng)水箱水位檢測、液壓系統(tǒng)油位檢測等。根據(jù)被檢測物體的不同特性選擇不同的檢測開關。

2.8 其他新型檢測方式

除了以上應用較廣的檢測技術外，其他最新發(fā)展的檢測技術主要有：1）數(shù)字式刻度編碼位置檢測系統(tǒng)，它是利用RFID無線射頻識別技術來進行非接觸式數(shù)據(jù)通信，從而達到識別目標，并進行數(shù)據(jù)交換的目的；2）電力線式現(xiàn)場總線定位技術，它是利用編碼技術與總線技術來檢測不同位置的檢測技術；3）GPS定位技術，利用在斗輪堆取料機固定位置中心點、運動懸臂端點安裝GPS定位裝置，實現(xiàn)斗輪堆取料機在料場的定位；4）無線定位技術，利用在地面的多個無線發(fā)射基站，以及在斗輪堆取料機上的多個無線接收反饋基站，再根據(jù)一套定位數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)無線基站對斗輪堆取料機的精確定位。

3 結(jié)語

整體來看，斗輪機結(jié)合限位開關與接近開關的檢測、大車位置定位技術、料高檢測技術、斗輪機旋轉(zhuǎn)角度、懸臂俯仰角度及懸臂臂長計算出斗輪準確位置，中控室采得斗輪機斗輪地址，動態(tài)顯示散貨堆場每臺斗輪機在料線上的準確位置及工作狀態(tài)，斗輪地址結(jié)合每條料線上進口的皮帶秤或者每臺斗輪機上的皮帶秤，動態(tài)統(tǒng)計每臺斗輪機在用戶指定位置或者劃定區(qū)域中堆/取料的準確數(shù)量，便于管理。另外結(jié)合盤煤儀、視頻監(jiān)控與自動控制技術可以實現(xiàn)斗輪堆取料機的無人化料場控制。

斗輪堆取料機位置檢測方法眾多，每種檢測方式適用的場所不一樣，每種檢測方法有自己的優(yōu)點和缺點，在設計選擇的時候要綜合多方面的因素來選擇，本文可為斗輪堆取料機位置檢測的設計和選型提供參考借鑒。

［1］李園園.斗輪機位置環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)的研究［D］.秦皇島：燕山大學，2012.

［2］任志剛，張亮.臂式斗輪堆取料機俯仰角度的檢測裝置［J］.起重運輸機械，2014（5）：87-88.

［3］汪濤.無線網(wǎng)絡技術導論［M］.北京：清華大學出版社，2014.

（編輯 立 明）

TH39

B

1002-2333（2015）04-0272-03

孫波（1980—），工程師，從事斗輪堆取料機電氣控制系統(tǒng)研究工作。

2014-12-15