岳秉翔

摘要：堆取料機(jī)是一種廣泛用于港口裝卸作業(yè)的高效機(jī)械，目前國內(nèi)很多港口在進(jìn)行堆取料作業(yè)時(shí)仍采用人工控制或半自動控制的方法，工作效率、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不高。本文結(jié)合掃描成像原理、閉環(huán)控制原理和增量式PI控制算法，完成了自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效提高了港口堆取料機(jī)的運(yùn)行效率和控制精度，降低了人工操作帶來的誤差。

關(guān)鍵詞：堆取料機(jī);自動控制;三維成像;定位系統(tǒng)

0? 引言

煤炭和鐵礦石是國家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和命脈，雖然近年來中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度逐步放緩，但我國依然是全球礦石和煤炭進(jìn)口大國，各大港口對裝卸設(shè)備的需求仍然比較旺盛[1]。堆取料機(jī)是一種用來對礦石、煤炭進(jìn)行連續(xù)堆料和取料作業(yè)的常用機(jī)械設(shè)備，在港口碼頭、物流中心等場所得到廣泛使用。典型的港口堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)主要由斗輪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)等部分組成。為了提高堆取料機(jī)的裝卸效率、作業(yè)精準(zhǔn)性和工作穩(wěn)定性，越來越多的港口開始研究和實(shí)施自動化控制系統(tǒng)[2]，而這也是本文的研究重點(diǎn)所在。

1? 堆取料機(jī)自動控制系統(tǒng)的組成及功能分析

港口堆取料機(jī)自動控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和堆取料機(jī)本地控制系統(tǒng)兩大部分[3]。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括堆場管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，堆場管理系統(tǒng)通過自動操作管理服務(wù)器完成料堆模型的仿真計(jì)算，通過中央控制PLC生成和下達(dá)自動取料、堆料指令，并實(shí)時(shí)記錄、反饋和共享所有堆取料機(jī)的具體位置和運(yùn)行狀況，設(shè)置防碰撞和防過載保護(hù)功能。操作員在得到終端授權(quán)后可以通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)。堆取料機(jī)本地控制系統(tǒng)由本地PLC、定位系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、防過載系統(tǒng)組成，本地控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)定位、自動控制、現(xiàn)場監(jiān)控和安全避讓，并通過安裝在懸臂上的激光掃描儀完成堆料三維激光掃描，本地控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)或光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)交互。

2? 三維成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 三維成像系統(tǒng)的工作原理

三維成像系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖像生成模塊三大部分組成。激光掃描儀基于激光測距原理對堆料輪廓進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，并形成大量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)。三維數(shù)據(jù)處理模塊對定位系統(tǒng)反饋的機(jī)構(gòu)位置信息、控制器反饋的機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息進(jìn)行分析，對激光掃描儀反饋的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、網(wǎng)格規(guī)范化處理和空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，然后利用算法對干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理、對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理，最終形成堆料三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并儲存在數(shù)據(jù)庫中[4]。三維圖形生成模塊讀取數(shù)據(jù)庫中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖形的渲染、拼接和繪制，最終形成高精度的堆料三維模型。

2.2 三維成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以激光掃描儀的激光發(fā)射點(diǎn)T和堆料表面測量點(diǎn)B為基礎(chǔ)點(diǎn)構(gòu)建三維坐標(biāo)系，如圖1所示。坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，0），激光發(fā)射點(diǎn)T距地面的高度為H，其坐標(biāo)為（0，0，H），激光束與ZX平面的夾角為θ，與XY平面的夾角為α。激光發(fā)射點(diǎn)T到堆料表面測量點(diǎn)B的直線距離為L，設(shè)B點(diǎn)的坐標(biāo)為（a，b，c），建立物料表面測量點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型：

掃描儀通過懸臂的移動進(jìn)行多次掃描后采集到大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)并建立三維點(diǎn)云模型，為了與堆取料機(jī)的作業(yè)習(xí)慣相適應(yīng)，還需要將掃描儀采集到的原始坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為以料場為參考系的坐標(biāo)。通過定位系統(tǒng)可以得到掃描儀工作時(shí)行走機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)位置，三維成像系統(tǒng)通過這些位置數(shù)據(jù)可以將測量點(diǎn)所在的初始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到料場坐標(biāo)系中。由于被測點(diǎn)的數(shù)量很大、密度很高，通過激光掃描儀采集的離散點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量也很大，若直接對這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維仿真計(jì)算將會占用非常大的計(jì)算機(jī)資源。為了提高計(jì)算效率、節(jié)省計(jì)算資源，在綜合考慮仿真精度和處理器資源后，需要對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格規(guī)范化處理。散點(diǎn)通常以矩陣的形式表示，以二維數(shù)組的形式儲存在服務(wù)器中，數(shù)組中的元素與初始坐標(biāo)系下被測點(diǎn)的高度相對應(yīng)。在得到料場測點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過Windows平臺下的Open GL軟件進(jìn)行三維渲染并在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，建模相應(yīng)時(shí)間小于200ms，仿真精度小于0.2m。

3? 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動作業(yè)前堆取料機(jī)各作業(yè)機(jī)構(gòu)的高精度定位和自動作業(yè)過程中各作業(yè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的準(zhǔn)確控制，需要設(shè)計(jì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[5]。設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于確定采樣周期Ts、電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速N以及PID控制策略。根據(jù)香農(nóng)采樣定理和系統(tǒng)波動情況，采樣周期Ts選擇為20ms。PLC通過SPD指令在每個(gè)采樣周期內(nèi)反饋檢測的脈沖數(shù)得到電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。將在一個(gè)掃描周期內(nèi)編碼器反饋的脈沖數(shù)儲存在寄存器D0內(nèi)，當(dāng)前所接收的脈沖數(shù)存放在D1內(nèi)，剩余的掃描周期時(shí)長存放在D2內(nèi)。每次達(dá)到采樣點(diǎn)時(shí)，將D1內(nèi)存放的數(shù)值傳遞給寄存器D0，與此同時(shí)D1和D2內(nèi)存放的數(shù)值清零，可以通過D2中掃描周期的變化規(guī)律確定每個(gè)周期的采樣點(diǎn)。PLC程序段的梯形圖如圖2，程序在運(yùn)行時(shí)M100處于ON狀態(tài)且D34存放值為0，將D32內(nèi)存放的當(dāng)前時(shí)刻的剩余掃描周期t0傳遞到D33，將下一時(shí)刻剩余掃描周期t1存放到D34。當(dāng)t1>t0時(shí)，M110處于ON狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)命令[CJ P10]停止執(zhí)行，程序繼續(xù)向下運(yùn)行。

閉環(huán)調(diào)速控制采用增量式PI算法，系統(tǒng)輸入信號通過PLC控制器傳遞到D/A通道，然后通過變頻器控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)輸出信號通過速度編碼器反饋到PLC控制器形成閉環(huán)控制。通過閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以提高作業(yè)機(jī)構(gòu)的定位精度，提升作業(yè)機(jī)構(gòu)移動和停止的精準(zhǔn)性，使取料和堆料過程中的寸動保持相同的移動距離和移動范圍，使堆料垛形的規(guī)格具有高度穩(wěn)定性和一致性。

3.2 斗輪切入點(diǎn)計(jì)算

首先在料場平面內(nèi)選擇一個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后將大臂置于基準(zhǔn)點(diǎn)的正上方并使其保持靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)懸臂處于水平狀態(tài)時(shí)，斗輪與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的垂直為O，斗輪頭部與回轉(zhuǎn)中心之間的距離為L。設(shè)斗輪切入點(diǎn)的坐標(biāo)為（A，B，C），則斗輪的回轉(zhuǎn)角度N、大車位置X和俯仰角度M可以根據(jù)下式計(jì)算：

3.3 自動定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC中配置有自動定位模塊，自動定位系統(tǒng)通過編碼器GPS和格雷母線可以獲取行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗輪機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置，并能夠分時(shí)分階段地糾正各機(jī)構(gòu)的位置以減少系統(tǒng)誤差和精度誤差，通過變頻器控制各個(gè)機(jī)構(gòu)的移動速度。在對大車行走機(jī)構(gòu)定位時(shí)，設(shè)大車實(shí)際位置的坐標(biāo)為X，系統(tǒng)設(shè)定的參考坐標(biāo)為Y，假設(shè)大車位置點(diǎn)指向錨定點(diǎn)的方向?yàn)檎较颍?dāng)XY時(shí)，如果X與Y差值的絕地值大于8，大車將以速度V2高速沿負(fù)方向向后移動，若差值的絕對值小于8，大車就以速度V2′低速沿負(fù)方向向后移動。當(dāng)X=Y時(shí)，大車處于靜止?fàn)顟B(tài)。

在對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位時(shí)，設(shè)回轉(zhuǎn)實(shí)際角度值為A，系統(tǒng)設(shè)定的參考值為B，當(dāng)AB時(shí)，如果A與B差值的絕對值大于8，懸臂將以角速度w2快速向左旋轉(zhuǎn)，若差值絕對值小于8，懸臂就以角速度w2′緩慢向左旋轉(zhuǎn)。當(dāng)X=Y時(shí)，懸臂處于靜止?fàn)顟B(tài)。

3.4 自動循環(huán)取料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中控PLC系統(tǒng)根據(jù)各作業(yè)機(jī)構(gòu)的位置信息和料堆三維輪廓信息，建立了料場三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，然后以此計(jì)算出取料邊界坐標(biāo)和斗輪切入點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和斗輪機(jī)構(gòu)的定位工作完成后，斗輪下緣移動到與切入點(diǎn)重合時(shí)，即可啟動取料作業(yè)命令。在取料作業(yè)過程中，系統(tǒng)通過PI條件模塊對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)尺量進(jìn)行反復(fù)微調(diào)，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)始終以恒定低速的速度轉(zhuǎn)動，使取料流量保持恒定。PI調(diào)節(jié)模塊輸入信號為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作電流，輸出信號為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度。以回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)中心為圓心，以回轉(zhuǎn)中心到懸臂頭部的距離作為半徑可以繪制出回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作平面，如圖3所示。

通過圖中的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)角度間的相互關(guān)系：

式中，θ表示旋轉(zhuǎn)角度，s表示旋轉(zhuǎn)速度，Q表示取料流量，d表示進(jìn)給距離，l和h表示取料深度和厚度。

在進(jìn)行取料作業(yè)時(shí)，在d和h為定值的情況下旋轉(zhuǎn)速度s與cosθ成反比。將上述公式的邏輯運(yùn)算關(guān)系編寫到可編程控制器中，在每次取料作業(yè)之前設(shè)定取料流量后，即可通過編碼器計(jì)算出實(shí)時(shí)回轉(zhuǎn)角度并發(fā)送給PLC。當(dāng)斗輪頭部移動到取料邊界位置后，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)向反方向旋轉(zhuǎn)并繼續(xù)取料，通過如此往復(fù)循環(huán)運(yùn)動完成當(dāng)層取料任務(wù)。取料任務(wù)完成后觸發(fā)系統(tǒng)暫停命令，斗輪自動移動到下一層切入點(diǎn)并保持不動，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，一個(gè)堆取料作業(yè)命令內(nèi)的自動控制完成。

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