齊華軍　程　君　徐　偉

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

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一種鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)電氣控制方式

齊華軍程君徐偉

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

摘要為測定地下鏟運(yùn)機(jī)鏟取物料重量達(dá)到通過數(shù)據(jù)分析的方式對生產(chǎn)進(jìn)行有益調(diào)整的目的，通過安裝在鏟運(yùn)機(jī)大臂上的角度傳感器和壓力傳感器采集大臂壓力及鏟斗角度數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，求得鏟運(yùn)機(jī)每斗礦石的重量，并進(jìn)行電氣傳輸。在廣泛調(diào)研和理論研究的基礎(chǔ)上，井下試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)誤差小于8個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了井下使用的精度要求。

關(guān)鍵詞鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重稱重模型電氣控制

20世紀(jì)90年代以來，礦山信息化進(jìn)程在我國進(jìn)一步加快，先后有一大批礦山進(jìn)行了信息系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，并取得了較好的效果。礦山信息化建設(shè)是以高速企業(yè)“路網(wǎng)”為基礎(chǔ)，結(jié)合底層信息采集與識(shí)別，以開發(fā)適合不同用戶層次、具有不同功能的礦山應(yīng)用系統(tǒng)為核心[1]。其中，井下生產(chǎn)調(diào)度管理是信息化建設(shè)的重點(diǎn)，它決定了礦山的生產(chǎn)效率和資源的有效利用。

由于礦山人工調(diào)度無法實(shí)時(shí)掌握回采出礦數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)指揮調(diào)度中存在一定的盲目性，往往造成分段崩落存量不合理、開采工藝不協(xié)調(diào)影響回收率，不利于設(shè)備效率的發(fā)揮，不便于生產(chǎn)調(diào)度管理，制約著礦山經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此，對回采鏟運(yùn)機(jī)出礦量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行合理調(diào)度，可以極大的提高采礦回收率。

國內(nèi)礦山對鏟運(yùn)機(jī)自稱重系統(tǒng)應(yīng)用的研究幾乎沒有，國外鏟運(yùn)機(jī)自稱重系統(tǒng)對過程操作要求有較多限制，主要是生產(chǎn)過程中大量采用靜態(tài)稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然精度高，但存在車輛滯留、信息滯后和容易造成人為操作漏洞等缺點(diǎn)，極大的影響生產(chǎn)效率。因此，有必要研究鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)，將鏟運(yùn)機(jī)載重和運(yùn)行信息納入實(shí)時(shí)調(diào)度管理系統(tǒng)中，以提高企業(yè)的生產(chǎn)管理效率和水平。

為此，通過課題研究，結(jié)合井下手持機(jī)數(shù)采系統(tǒng)，可構(gòu)建完整的回采出礦過程現(xiàn)場動(dòng)態(tài)信息，有利于資源利用，穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏，控制過采，提高礦山生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)性和全面性，優(yōu)化礦山井下生產(chǎn)調(diào)度及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步提高礦山的生產(chǎn)效率。

1稱重系統(tǒng)原理

通過安裝在鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)工作裝置上的傳感器與信號(hào)采集、控制、處理及顯示系統(tǒng)，在鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)的過程中動(dòng)態(tài)稱量每斗礦石的重量，將每次裝卸重量相加得到裝卸礦石的總重量。這種方法既保證了工作效率又有較高的精度，而且不對鏟運(yùn)機(jī)操作造成任何影響[2]。

該系統(tǒng)的基本原理是利用壓力傳感器、角度傳感器和加速度傳感器測量液壓系統(tǒng)各個(gè)工作油缸壓力、大臂位置角和加速度等，通過數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出載重量，然后再通過重量顯示打印系統(tǒng)進(jìn)行輸出。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：其一，保證了作業(yè)效率，鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重就是在鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)過程中進(jìn)行載重稱量，不需要停機(jī)稱重，基本不改變工人傳統(tǒng)的操作習(xí)慣；其二，可以在原有鏟運(yùn)機(jī)上進(jìn)行模塊化安裝，簡單方便；其三，同地磅等稱重設(shè)施相比，該系統(tǒng)由鏟運(yùn)機(jī)攜帶，不受場地限制，同時(shí)價(jià)格低廉。

該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為增設(shè)了角度傳感器和加速度傳感器，使稱重可以在“鏟”后“運(yùn)”送過程中的任意姿態(tài)和任意調(diào)姿的速度下完成。提出了一套基于卡特彼勒稱重算法模型的改進(jìn)型分區(qū)間固定角度預(yù)標(biāo)定稱重算法，同時(shí)提出了一種分段搜索有效勻速段的方案用于解決大臂角加速度帶來的慣性力問題，其測量誤差小于8個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)，其鏟裝物料重量為：

(1)

式中，大臂工作舉升角度α由傾角傳感器測得，舉升油缸無桿腔和有桿腔壓力P1、P2分別由兩個(gè)壓力傳感器測得，g0l0經(jīng)過空載標(biāo)定試驗(yàn)由式(1)計(jì)算可得，其余各尺寸與角度均為已知條件，因此可以利用該式求出鏟斗中物料的重量[3-4]。

2稱重系統(tǒng)裝置的組成

根據(jù)稱重模型，需要測量舉升油缸的有桿腔、無桿腔的壓力和鏟運(yùn)機(jī)大臂的傾角變化[1]。

稱重系統(tǒng)硬件組成包括：有桿腔壓力傳感器、無桿腔壓力傳感器、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、車載計(jì)算機(jī)以及電源。如圖1所示，地下鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中，通過安裝在油壓監(jiān)測點(diǎn)的兩個(gè)壓力傳感器獲得舉升油缸壓力信號(hào)，安裝在舉升臂上的傾角傳感器獲得舉升臂舉升角度信號(hào)，這些信號(hào)將通過數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1　電氣控制系統(tǒng)組成

稱重系統(tǒng)電源選用西門子24VDC，車載計(jì)算機(jī)選用TREK-753R-0A0E，操作系統(tǒng)采用Windows XP，支持Microsoft Visual C++程序設(shè)計(jì)語言。由于車載計(jì)算機(jī)為操作工人在駕駛室使用，將車載計(jì)算機(jī)BIOS設(shè)置為加電自啟動(dòng)模式，測量程序在注冊表的RUN鍵下設(shè)置為自啟動(dòng)模式，這樣操作人員無需操作稱重系統(tǒng)，測量在稱重程序中自動(dòng)完成，并可把測量的重量記錄為Excel表，表中含測量時(shí)間和礦石重量信息，可存盤可上傳，便于管理人員調(diào)閱。

壓力傳感器的壓力測量范圍為0～40 MPa，輸出電流范圍為4～20 mA，外接一個(gè)250 Ω的電阻，則輸出電壓變化范圍為1～5 V，當(dāng)壓力傳感器測得的壓力為0 MPa時(shí)輸出電壓為1 V，當(dāng)壓力傳感器測得的壓力為40 MPa時(shí)輸出電流為5 V，因此可以得到輸出電壓信號(hào)與壓力之間的換算公式：

y=10x-10 ，

(2)

式中，x為輸出傳感器輸出電壓值；y為傳感器實(shí)測壓力值。

傾角傳感器是用來測量目標(biāo)載體在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，相對于水平位置的角度變化。傾角傳感器按照軸向可以分為單軸傾角傳感器和雙軸傾角傳感器，單軸傾角傳感器僅能夠測量一個(gè)軸相對于水平位置的角度變化，雙軸傾角傳感器可以分別測量兩個(gè)相互垂直軸的相對于水平位置的角度變化，需要注意的是這兩個(gè)軸的角度需要分開測量；按照傾角傳感器原理又可分為固體擺傾角傳感器、液體擺傾角傳感器和氣體擺傾角傳感器。

3程序?qū)崿F(xiàn)

地下鏟運(yùn)機(jī)稱重程序框圖[5]見圖2。

圖2　稱重程序框圖

計(jì)算地下鏟運(yùn)機(jī)工作裝置最大自重力矩g0l0的C++語言程序如下：

/*

f 7 000[0]∥無桿腔壓力信號(hào)

f 7 000[1]∥有桿腔壓力信號(hào)

f 7 000[2]∥舉升臂角度信號(hào)

*/

if (f 7 000[0]<1) f 7 000[0]=1；

p1=10* f 7 000[0]-10；∥無桿腔壓力

if (f 7000[1]<1) f 7 000[1]=1；

p2=10* f 7 000[1]-10；∥有桿腔壓力

alph=(22.5* f 7 000[2]-11.25)；∥轉(zhuǎn)動(dòng)角度

m_LED1.Set_Value(p1)；∥無桿腔壓力顯示

m_LED2.Set_Value(p2)；∥有桿腔壓力顯示

m_LED3.Set_Value(alph)；∥轉(zhuǎn)動(dòng)角度

g0l0=(sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)* 0.017 5))))；

m_LED5.Set_Value(g0l0)；∥最大自重力矩顯示

測量鏟裝物料重量的程序

測量地下鏟運(yùn)機(jī)鏟斗鏟裝物料的重量時(shí)，只需將測量最大自重力矩程序中

“g0l0=(sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt( 2.15- 2.126*(cos((74+alph)* 0.017 5))))；

m_LED5.Set_Value(g0l0)；∥最大自重力矩顯示”

改寫為

“G=33.023*((sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)*0.017 5))))-g0l0)；

if(G<0) G=0；

m_LED5.Set_Value(G)；∥物料質(zhì)量顯示”，即可。

上述程序中，“g0l0”為已知值，其值由試驗(yàn)測得。鏟運(yùn)機(jī)車載計(jì)算機(jī)測量程序界面見圖3。

圖3　鏟運(yùn)機(jī)車載計(jì)算機(jī)測量程序界面

根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)井上空載標(biāo)定試驗(yàn)，可以獲得最大自重力矩的數(shù)值，在稱重模型中減去最大自重力矩，則可得到地下鏟運(yùn)機(jī)鏟裝物料的質(zhì)量。只需將測量最大自重力矩程序中

“g0l0=(sin((74+alph)*0.0175)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)* 0.017 5))))；

m_LED5.Set_Value(g0l0)；∥最大自重力矩顯示”

改寫為：

“G=33.023*((sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)*0.017 5))))-0.12)；

if(G<0) G=0；

m_LED5.Set_Value(G)；∥物料質(zhì)量顯示”即可。

4結(jié)語

鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)的測試方法及實(shí)現(xiàn)方式使稱重物料的重量數(shù)據(jù)分析更加方便、快捷、準(zhǔn)確，且受環(huán)境影響小、不對操作人員的工作造成影響，如與軌跡跟蹤系統(tǒng)配合，可更好地指導(dǎo)礦山生產(chǎn)調(diào)配和計(jì)劃調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

[1]張鳳池，曹榮敏.現(xiàn)代工廠電氣控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]張寶琴，袁旭芳.液壓傳動(dòng)與采掘機(jī)械[M].1版.北京:北京交通大學(xué)出版社，2012.

[3]王松柏，魏洪興.裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2007(1):29-30.

[4]耿迎元.裝載機(jī)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)舉升過程的運(yùn)動(dòng)分析[J].工程機(jī)械，1994(5):5-8.

[5]張海龍，袁國忠.C++ Primer Plus[M].6版.北京：人民郵電出版社，2012.

(收稿日期2015-01-28)

齊華軍(1981—)，男，工程師， 210041 江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)西善橋。