史可心 胡建軍/中材建設(shè)有限公司

基于多目標(biāo)優(yōu)化的堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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隨著近年來(lái)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自控理論等高科技產(chǎn)業(yè)也快速發(fā)展，臂式斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)也日漸完善。為了使控制系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，安全性，設(shè)備的操作和維護(hù)自然就會(huì)有更高的要求，本文筆者在介紹了堆取料機(jī)作業(yè)控制要求。及系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上,。主要探討了堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

臂式斗輪堆取料機(jī)；控制系統(tǒng)?？刂埔?優(yōu)化方法

1.堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)要求

通過(guò)對(duì)堆取料作業(yè)特性的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝需求，確定。了堆取料機(jī)作業(yè)優(yōu)化與控制要求，分別如下所述：

1.1 對(duì)堆取料機(jī)作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)備運(yùn)行成本和維修成本。

1.2 通過(guò)確定最優(yōu)堆取料模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堆取料。

1.3 實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)圖自動(dòng)繪制，建立堆取料報(bào)警機(jī)制，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控料場(chǎng)作業(yè)情況。根據(jù)述作業(yè)優(yōu)化與控制要求，需要建立堆取料機(jī)作業(yè)優(yōu)化模型和優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)堆取料作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堆取料、料場(chǎng)圖自動(dòng)繪制、堆取料報(bào)警，以及料場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

2.堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)功能

根據(jù)堆取料控制要求，應(yīng)用本文提。出的優(yōu)化方法建立堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)，共包含5大功能，分別如下：

2.1 堆取料優(yōu)化

通過(guò)將本文提出的堆取料機(jī)優(yōu)化算法編寫成堆取料優(yōu)化模塊，作為一個(gè)單獨(dú)的功能模塊嵌入在堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)。中。同時(shí)，控制系統(tǒng)與L。I～HL2層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)是共享的，因此該程序所需的堆取作業(yè)計(jì)劃、料場(chǎng)信息及堆取料機(jī)在料場(chǎng)中所在位置等數(shù)據(jù)，町從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得。程序運(yùn)行結(jié)果也保存在服務(wù)器中，以指導(dǎo)料場(chǎng)作業(yè)。當(dāng)系統(tǒng)下達(dá)作業(yè)指令時(shí)，管理員只需點(diǎn)擊?！岸讶×蟽?yōu)化?！卑粹o，就可以得到最適合本次作業(yè)的堆取料機(jī)編號(hào)。

除此之外，系統(tǒng)在堆取料過(guò)程中根據(jù)堆取料機(jī)的走行位置、作業(yè)料堆的邊界地址與作業(yè)結(jié)束地址之間的距離來(lái)控制堆取料過(guò)程。如果已接近作業(yè)結(jié)束地址，系統(tǒng)會(huì)提示警示信息。目前。已完成作業(yè)量和剩余堆積地址，內(nèi)可堆取的最大量都會(huì)在監(jiān)控畫面上顯示。

這樣，管理人員呵以直觀地判斷，目前剩余地址內(nèi)是否能完成本次堆取料作業(yè)，如果滿足，則在完成剩余作業(yè)量堆取之后提示作業(yè)結(jié)束；否則，管理人員通知堆取料機(jī)停止作業(yè)。當(dāng)剩余在地面皮帶的原料傳送完畢時(shí)，自動(dòng)結(jié)束本次堆取料作業(yè)，同時(shí)將備用地址作為新作業(yè)指令下發(fā)給對(duì)應(yīng)堆取料機(jī)，重新開(kāi)始作業(yè)。

2.2 料場(chǎng)圖繪制

現(xiàn)場(chǎng)原有的料場(chǎng)圖繪制完全是人完成，不僅更新慢，而且精度低，因此，需采用自動(dòng)繪制的料場(chǎng)圖替代原先的手繪料場(chǎng)圖基于堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度、懸臂長(zhǎng)度、出料?？诟叨?、料堆的堆積半徑等參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，采用討算機(jī)繪圖技術(shù)。自動(dòng)生成料場(chǎng)圖，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員的決策制定提供詳細(xì)信息。

2.3 機(jī)械控制

收到包含作業(yè)貨種、計(jì)劃作業(yè)量的堆取料計(jì)劃后，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)貨種在基礎(chǔ)信息庫(kù)中查出對(duì)應(yīng)堆比重、堆積角度信息確定堆積模式然后通過(guò)PLC控制堆取料機(jī)的懸臂回轉(zhuǎn)、斗輪機(jī)構(gòu)、物料流、俯仰機(jī)構(gòu)、尾車、機(jī)電保護(hù)和大車行走等部件實(shí)現(xiàn)堆取料自動(dòng)作業(yè)，該模塊是堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)中不可缺少的部分。

2.4 集中監(jiān)控

系統(tǒng)選用WinCC在主控室上位機(jī)上開(kāi)發(fā)流程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)堆取料作業(yè)的監(jiān)視與控制。同時(shí)，在堆取料機(jī)上安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，然后將信號(hào)通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳送到主控室，以實(shí)時(shí)顯示堆取料機(jī)作業(yè)時(shí)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、料堆形狀的變化以及物料流動(dòng)的情況。

3.臂式斗輪堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

3.1 臂式斗輪堆取料機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臂式斗輪堆取料機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由電源部分、電動(dòng)機(jī)控制中心（MCC）、變頻調(diào)速系統(tǒng)、操作臺(tái)、PLC。及觸摸屏等組成。PLC。是系統(tǒng)的控制核心，采用。SIEMENS公司的S7300系列可編程序控制器，主機(jī)采用CPU315-2DP，提供一個(gè)。PROFIBUSDP接口。

變頻器采用施耐德公司的ATV7。變頻器。

軟起動(dòng)器采用西門子公司的3RW44。

變頻器、人機(jī)界面等現(xiàn)場(chǎng)裝置，通過(guò)獨(dú)立的Profibus-DP接口直接連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上PLC通過(guò)邏輯運(yùn)算處理發(fā)出相應(yīng)的數(shù)字信息，從而控制現(xiàn)場(chǎng)裝置的工作運(yùn)行。

3.2 臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件，選擇相應(yīng)的編程軟件對(duì)系統(tǒng)的控制流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。西門子專門為客戶提供了程序開(kāi)發(fā)軟件STEP7，STE7是用于SIMATIC可編程序控制器的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。

3.2.1 堆料程序控制任務(wù)。

在斗輪堆取料機(jī)堆料PLC控制程序中，斷續(xù)回轉(zhuǎn)+斷續(xù)行走定點(diǎn)堆料是經(jīng)常采用的一種工作方式。首先將大車行走到預(yù)定料場(chǎng)位置，啟動(dòng)堆料程序，給系統(tǒng)發(fā)出堆料作業(yè)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)膠帶工況聯(lián)鎖。通過(guò)編碼器和物位計(jì)的采樣、傳送、邏輯運(yùn)算，做出判斷進(jìn)行懸臂回轉(zhuǎn)和大車行走動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)的堆料作業(yè)。

3.2.2 取料程序控制任務(wù)。

在斗輪堆取料機(jī)取料PLC控制程序中，采用旋轉(zhuǎn)分層不分段取料。首先將大車開(kāi)至預(yù)定取料位置，當(dāng)接到系統(tǒng)取料指令后，啟動(dòng)取料程序，斗輪在程序控制下順序啟動(dòng)，通過(guò)編碼器分別進(jìn)行取料初始角和取料終止角的角度采集、傳送和存貯，確定懸臂回轉(zhuǎn)的取料范圍，實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)的取料作業(yè)。

3.3 臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)的解決方案

3.3.1 創(chuàng)建并編輯項(xiàng)目。

項(xiàng)目可用來(lái)存儲(chǔ)為自動(dòng)化任務(wù)解決方案而生成的數(shù)據(jù)和程序。這些數(shù)據(jù)被收集在一個(gè)項(xiàng)目下，包括：硬件結(jié)構(gòu)的組態(tài)數(shù)據(jù)及模板參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)數(shù)據(jù)，以及為可編程序模板編制的程序。生成一個(gè)項(xiàng)目的主要任務(wù)就是為編程準(zhǔn)備這些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在一個(gè)項(xiàng)目中以對(duì)象的形式存儲(chǔ)。

3.3.2 項(xiàng)目硬件組態(tài)。

通過(guò)STEP7編程軟件對(duì)臂式斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置進(jìn)行組態(tài)。在項(xiàng)目中插入相應(yīng)的可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)。

3.3.3 項(xiàng)目程序開(kāi)發(fā)。

一旦完成了硬件組態(tài)，就可以為可編程模板生成軟件，選擇編程語(yǔ)言，完成程序邏輯STEP7。軟件為客戶提供多種編程語(yǔ)言，包括語(yǔ)句表,STL、梯形邏輯。LAD、功能塊圖FBD、SCL結(jié)構(gòu)控制語(yǔ)言等等。本設(shè)計(jì)采用語(yǔ)句表、STL和梯形圖LAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)的編程實(shí)例

斗輪堆取料機(jī)自動(dòng)堆料程序，采用LAD梯形圖編制。程序塊中包含了堆料聯(lián)鎖工藝流程，只有滿足各種工作條件，才能激活輸出點(diǎn)，斗輪堆取料機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)才能互相配合順序運(yùn)行。

為了方便閱讀和編程，通常要將。I/O.點(diǎn)進(jìn)行定義，通過(guò)。Step.7。軟件提供的符號(hào)編輯表就可以輕而易舉地完成。I代表數(shù)字輸入；Q代表數(shù)字輸出；M代表中間變量；PIW代表輸入字；PQW代表輸出字。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文在深入研究堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)功能上，重點(diǎn)探討了臂式斗輪堆取料機(jī)的硬件、軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并對(duì)臂式斗輪堆取料機(jī)軟件控制系統(tǒng)的編程實(shí)例進(jìn)行了深入分析，以其更好地指導(dǎo)企業(yè)優(yōu)化管理，為解決堆取料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用問(wèn)題提供。了有效幫助。

[1]馮敏、劉宇.自控產(chǎn)品在堆取料機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，2006（6）.

[2]李榮芳、范曉濤等SIEMENS自控產(chǎn)品在堆取料機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，2004（3）.

[3]王瑞琪,張承慧,李珂.基于改進(jìn)混沌優(yōu)化的多目標(biāo)遺傳算法[J].控制與決策.2011(09).

[4]馮雪,裴志松.求解裝卸混合車輛路徑問(wèn)題的模擬退火遺傳算法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2011(08).