蘇青

[摘? ? 要]堆取料設(shè)備在港口裝卸作業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也是不可缺少的重要設(shè)備之一，目前大部分港口在堆取料作業(yè)過程中依然使用半自動(dòng)控制方法以及人工控制方法，這些已有的控制方法存在準(zhǔn)確率不足和工作效率低等問題，因此需要在控制方法上進(jìn)行創(chuàng)新，逐漸提升系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性。本文在研究的開始階段對(duì)港口堆取料機(jī)組成機(jī)理、功能進(jìn)行了介紹，之后對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了深入分析，在綜合實(shí)際需求的情況下提出了新的觀點(diǎn)，希望可以通過這種方式確保港口堆取料設(shè)備操作質(zhì)量和效率。

[關(guān)鍵詞]堆料設(shè)備;自動(dòng)控制系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–02

Design Analysis of Automatic Control System for Port Stacker

Su Qing

[Abstract]Stacking equipment is widely used in the field of port loading and unloading， and it is also one of the indispensable important equipment. At present， most ports still use semi-automatic control methods and manual control methods in the process of stacking. This paper introduces the mechanism and function of the port stacker at the beginning of the research， and then analyzes the equipment of the automatic control system in depth.

[Keywords]Stacking equipment; Automatic control system; System design

1 港口堆取料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和功能簡介

在港口堆取料自動(dòng)化操作系統(tǒng)中包含了2個(gè)主要部分，分別為堆取料本地操作系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。在本地操作系統(tǒng)中主要涵蓋了掃描成像程序、定位程序、本地PLC、預(yù)防碰撞系統(tǒng)、預(yù)防載量過大系統(tǒng)等，本地操作系統(tǒng)在功能上正在逐漸優(yōu)化和創(chuàng)新，目前可實(shí)現(xiàn)物料堆定位、現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)控、操作安全避讓以及現(xiàn)場設(shè)備自動(dòng)控制等，在程序中還安裝了激光掃描設(shè)備以及懸掛手臂，短時(shí)內(nèi)就能完成物料對(duì)的三維激光掃描，本地操作系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的初始階段，需要將以太網(wǎng)最為紐帶，達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換的效果，信息方面具有交互性。應(yīng)用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)時(shí)，一定要重視操作系統(tǒng)的管理、現(xiàn)場物料堆放管理，使用自動(dòng)化客戶端對(duì)物料堆進(jìn)行仿真計(jì)算，系統(tǒng)中擁有獨(dú)立的中央控制系統(tǒng)，可以根據(jù)準(zhǔn)確的時(shí)間節(jié)點(diǎn)下發(fā)堆放和取料指令，整個(gè)操作過程都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確記錄，反饋物料堆放位置和具體操作情況，系統(tǒng)應(yīng)用中要重視防碰撞系統(tǒng)操作，不能出現(xiàn)物料碰撞和超載等情況，工作人員只有在收到終端授權(quán)指令之后才能進(jìn)行操作，使用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)人工操作干預(yù)[1]。

2 三維操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 三維成像系統(tǒng)操作原理

在三維成像系統(tǒng)中匯集了數(shù)據(jù)處理模塊、圖像生成模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等，激光掃描裝置可以精準(zhǔn)測量物料輪廓，完成距離和角度等方面的掃描，形成良好的三維坐標(biāo)信息點(diǎn)。三維成像系統(tǒng)中主要使用數(shù)據(jù)處理模塊完成地理信息、信息反饋、機(jī)構(gòu)信息等方面的分析，對(duì)于三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)也能進(jìn)行有效干預(yù)，確保空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的合理性以及規(guī)范性，之后采用良好的計(jì)算機(jī)算法完成過濾處理，保證擁有良好的數(shù)差值，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)用三維讀取數(shù)據(jù)庫可以對(duì)圖片進(jìn)行渲染，保證圖片繪制和拼接的合理性，最終還能構(gòu)成精度與模型都符合標(biāo)準(zhǔn)的堆料[2]。

2.2 三維成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在激光掃描設(shè)備的初始點(diǎn)T出發(fā)，對(duì)物料表面B進(jìn)行測量，之后按照各點(diǎn)要點(diǎn)建立良好的三維坐標(biāo)系，設(shè)坐標(biāo)系原點(diǎn)為（0，0，0），初始點(diǎn)T和地面之間的高度為H，（0，0，H），激光束和ZX表面之間的夾角是0，與XY表面之間形成的夾角是α。激光初始點(diǎn)距離表面測量點(diǎn)的距離是L，在這種情況下B點(diǎn)坐標(biāo)是（a，b，c）。在應(yīng)用掃描設(shè)備過程中，使用懸臂對(duì)大量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采集，為三維坐標(biāo)系建成提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確保可以滿足物料堆取作業(yè)需求，對(duì)于設(shè)備采集到的原始坐標(biāo)進(jìn)行采集，將其逐漸變成原始參考坐標(biāo)系。使用定位操作系統(tǒng)可以控制掃描工程進(jìn)度，得出回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)定位以及瞬間位置，保證原始測量點(diǎn)和位置數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，最后實(shí)現(xiàn)初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換。由于測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)相對(duì)較大，密度也相對(duì)較高，使用激光掃描裝置時(shí)工作任務(wù)量很大，所以不能使用直接采集的方法，要不然會(huì)占用大量的計(jì)算機(jī)資源，數(shù)據(jù)過大、老數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的概率更高。為了逐漸優(yōu)化計(jì)算環(huán)境，提升計(jì)算效率，需要在初始階段考慮仿真資源以及數(shù)據(jù)處理資源，之后還要對(duì)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范處理。在表現(xiàn)矩陣的過程中通常使用散點(diǎn)的方法，使用二維數(shù)據(jù)的格式對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，初始坐標(biāo)系和數(shù)組元素相對(duì)應(yīng)。在成功獲取測試點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，需要使用信息操作系統(tǒng)完成三維渲染，之后在上位機(jī)中顯示出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，模型建立時(shí)間需要在200 ms以內(nèi)，仿真精度也需要低于0.2 m[3]。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到理想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要在堆料堆放和存取開始階段完成多個(gè)作業(yè)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)定位，完成作業(yè)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確控制，從而設(shè)計(jì)出良好的變頻減速控制系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于采樣周期的確定，對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速也需要進(jìn)行合理控制，保證控制方案的合理性。在系統(tǒng)采樣過程中可以將周期設(shè)定為T，使用PLC系統(tǒng)分析不同階段的采樣和反饋系統(tǒng)，通過確定脈沖次數(shù)確定實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。將固定掃描周期內(nèi)部的編制程序碼存儲(chǔ)到寄存器中，每次在達(dá)到理想采樣目標(biāo)的情況下，將存放數(shù)據(jù)連接到寄存器中，同時(shí)還要將D1和D2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零處理，使用檢查掃描周期和變化規(guī)律的方法確定不同的采樣點(diǎn)。程序在日常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，MI00保持ON狀態(tài)的情況下，D43具有的存放值是0，在這種狀態(tài)下掃描周期達(dá)到要求之后會(huì)將T0傳遞到B33中，之后的掃描數(shù)據(jù)會(huì)存放在D34中，在T1大于T0的情況下，M110會(huì)保持良好的ON狀態(tài)，此階段無法執(zhí)行停止命令，程序會(huì)時(shí)刻保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

在閉環(huán)控制過程中使用了P1算法，在系統(tǒng)中輸入信號(hào)，使用控制設(shè)備將其傳輸?shù)紻/A通道中，之后使用變頻設(shè)備與電機(jī)之間進(jìn)行連接，系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)在經(jīng)過編譯設(shè)備之后反饋給PLC控制設(shè)備，從而完成良好的閉環(huán)控制。通過良好的閉環(huán)系統(tǒng)可以逐漸提升設(shè)備定位精度，增加作業(yè)結(jié)構(gòu)的效率與精準(zhǔn)度，提升速度，讓堆料過程和取料過程之間也保持著相同的移動(dòng)距離，確保堆料形狀和規(guī)格滿足操作要求，高度也需要和實(shí)際設(shè)計(jì)具有一致性。

3.2 斗輪切入點(diǎn)計(jì)算

在物料場地上選擇良好的切入點(diǎn)，將其作為基礎(chǔ)切入點(diǎn)，之后按照基準(zhǔn)點(diǎn)讓懸臂時(shí)刻保持靜止?fàn)顟B(tài)，在懸臂保持水平狀態(tài)的情況下，基準(zhǔn)點(diǎn)和斗輪之間具有的存垂直度是0，回轉(zhuǎn)中心距離斗輪頭之間的距離設(shè)為L，從而得出切入點(diǎn)坐標(biāo)是（A，B，C），在這種情況斗輪回轉(zhuǎn)角度為N，對(duì)俯視角度M和車輛位置X進(jìn)行計(jì)算可以使用的公式為：

（1）

3.3 自動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在PLC系統(tǒng)中擁有獨(dú)立的自動(dòng)定位模塊，通過應(yīng)用編碼器的方式逐漸獲取行走機(jī)構(gòu)，確定斗輪和回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的位置，通過及時(shí)糾正錯(cuò)誤位置方式降低數(shù)據(jù)誤差度，使用變頻器控制的方法可保證每個(gè)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)效果。在定位大車行走機(jī)構(gòu)過程中，大車位置坐標(biāo)可以設(shè)置成X，系統(tǒng)參數(shù)是Y，若是大車位置指向錨定點(diǎn)，在X>Y的情況下，最大差值的絕對(duì)值會(huì)在8之上，大車速度也就是V，始終朝著正方向逐漸移動(dòng)。若是絕對(duì)差值在8以內(nèi)，那么大車就會(huì)沿著負(fù)方向逐漸移動(dòng)，若是X=Y，車輛處于完全靜止?fàn)顟B(tài)。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位過程中，可以將實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為A，系統(tǒng)參數(shù)值設(shè)為B，在A大于B的情況下，得出的絕對(duì)值會(huì)在8之上，懸臂也會(huì)快速向右進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，絕對(duì)差值在8以內(nèi)的情況下，懸臂會(huì)緩慢向右進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在B小于A的情況下，絕對(duì)值在8之內(nèi)，旋轉(zhuǎn)角度為w，旋轉(zhuǎn)方向始終為右。在X和Y數(shù)值相等的情況下，懸臂會(huì)時(shí)刻保持靜止?fàn)顟B(tài)。

3.4 自動(dòng)循環(huán)取料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在使用PLC中控系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的作業(yè)機(jī)構(gòu)位置以及信息確定三維輪廓信息，構(gòu)建全面科學(xué)的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)庫，之后計(jì)算出取料邊界，將斗輪和邊界作為坐標(biāo)系建立的切入點(diǎn)。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)完成定位之后，斗輪下方會(huì)與切入點(diǎn)之間保持重合狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)這種情況時(shí)可開啟取料命令。進(jìn)行取料操作過程中系統(tǒng)會(huì)經(jīng)過條件模塊對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)微調(diào)操作，逐漸增加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度，讓取料的流量時(shí)刻保持恒定狀態(tài)。一定要保證調(diào)節(jié)模塊可以得到足夠的電流支持，這樣才能將得到的數(shù)據(jù)回轉(zhuǎn)到機(jī)構(gòu)中，電路質(zhì)量也非常重要，會(huì)直接影響電流回轉(zhuǎn)速度以及效果。在設(shè)備應(yīng)用過程中需要將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為中心點(diǎn)，根據(jù)回轉(zhuǎn)中心確定懸臂和半徑之間的距離，從而繪制出良好的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平面圖，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平面圖如圖1所示。

通過對(duì)圖1進(jìn)行觀察得出，幾何關(guān)系可以直接表示出回轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系，一定要控制好旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，保證取料的效果符合標(biāo)準(zhǔn)，提供足夠的供給距離，讓物料深度和厚度都可以滿足實(shí)際操作標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行物料堆放和獲取過程中，需要在滿足d和h的情況下控制旋轉(zhuǎn)速度，按照已有的邏輯對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行編輯，最后錄入到編程控制設(shè)備中，在每次開展物料作業(yè)的準(zhǔn)備階段，都需要對(duì)物料流量進(jìn)行控制，還需要使用編碼器計(jì)算出回轉(zhuǎn)角度，最后將其傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中。在斗輪頭部出現(xiàn)移動(dòng)的情況下，首先需要確定物料位置，之后改變已有的回轉(zhuǎn)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，持續(xù)取料，使用反復(fù)循環(huán)的方法達(dá)到理想的物料堆取效果。在完成取堆取料工作之后，需要及時(shí)發(fā)出暫停命令，這樣斗輪就會(huì)逐漸移動(dòng)到下一層切入點(diǎn)，讓切入點(diǎn)具有穩(wěn)定性。在沒有發(fā)出任何指定程序的情況下，系統(tǒng)會(huì)處于待命狀態(tài)，只要輸入正確的堆取命令，程序?qū)?huì)自動(dòng)進(jìn)行控制與監(jiān)督。

4 結(jié)語

綜上所述，本文在研究的開始階段對(duì)港口堆取料機(jī)組成機(jī)理、功能進(jìn)行了介紹，之后對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了深入分析，通過研究的方法得出為了保證港口堆取料工作效率，提升日常工作的準(zhǔn)確性以及合理性，就要針對(duì)港口堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了解，完成系統(tǒng)模式的更新，提升系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，保證自動(dòng)化系統(tǒng)的先進(jìn)性，為行業(yè)發(fā)展提供穩(wěn)定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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