虞學(xué)明

摘 要：本文基于料堆建模技術(shù)、堆取料自動控制技術(shù)和空間防碰撞技術(shù)，提出一種新型碼頭斗輪機(jī)自動化控制系統(tǒng)，通過斗輪機(jī)上各類傳感器與自動化控制器連接通訊，實時采集料場的信息，形成料堆三維模型，經(jīng)過邏輯處理，實現(xiàn)堆取料機(jī)的自動化控制，可有效解決作業(yè)超載以及機(jī)構(gòu)碰撞問題，提高系統(tǒng)的安全性，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度，規(guī)避人為事故的發(fā)生，同時減少堆取料機(jī)啟停次數(shù)和運行時間，延長設(shè)備的使用壽命。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī);自動化控制;堆取料工藝;三維掃描

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0088-03

斗輪堆取料機(jī)（以下簡稱斗輪機(jī)），是一種用于散貨碼頭的主要裝卸搬運設(shè)備。以往，斗輪機(jī)都是采用手動或半自動堆取料方式，由于司機(jī)對操作的熟練程度不同，且作業(yè)勞動強(qiáng)度較大，容易導(dǎo)致人為事故的發(fā)生[1]。斗輪機(jī)自動化可以讓司機(jī)在中央控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程取料，讓堆場不再有人參與，實現(xiàn)單人操作多臺斗輪機(jī)同時作業(yè)。

隨著自動化電控技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外漸漸實現(xiàn)斗輪機(jī)全自動化無人控制。目前，西方發(fā)達(dá)國家港口大多使用的都是斗輪機(jī)全自動無人化運行，近年我國的天津港、曹妃甸港、青島港等碼頭斗輪機(jī)也進(jìn)行了自動化的改造，日照嵐橋30萬噸級礦石碼頭的斗輪機(jī)初步實現(xiàn)了自動化作業(yè)的調(diào)試工作[2]。

在斗輪機(jī)自動化控制過程中，主要需要解決三個難題，一是料堆建模問題，二是堆取料的控制，三是防碰撞問題[3]。本文從這三個難題出發(fā)，基于料堆建模技術(shù)、堆取料自動控制技術(shù)和空間防碰撞技術(shù)，提出一種新型碼頭斗輪機(jī)自動化控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型斗輪機(jī)自動化控制系統(tǒng)包含：通訊模塊、定位模塊、料堆檢測模塊、斗輪電流檢測模塊、自動控制模塊、安全防撞模塊、本地HMI操作模塊、視頻模塊、遠(yuǎn)程操作管理模塊等，各模塊之間通過通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

2 斗輪機(jī)自動化作業(yè)系統(tǒng)

2.1通訊模塊

斗輪機(jī)自動化系統(tǒng)各個模塊之間通過通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。利用工業(yè)通訊模塊、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用網(wǎng)線/光纜方式連接，建立中控系統(tǒng)與地面堆斗輪機(jī)之間工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)控制網(wǎng)的鏈路，實現(xiàn)系統(tǒng)間信息數(shù)據(jù)交換、共享。

2.2定位模塊

要實現(xiàn)斗輪機(jī)的自動堆取料，首先要實現(xiàn)斗輪機(jī)的自動定位。斗輪機(jī)主要包括三個機(jī)構(gòu)的動作，即斗輪機(jī)大車行走、斗輪旋轉(zhuǎn)、懸臂回轉(zhuǎn)、俯仰。

2.2.1編碼器定位

斗輪機(jī)大車行走采用絕對值編碼器進(jìn)行定位，臂回轉(zhuǎn)采用高精度編碼器進(jìn)行定位，懸臂俯仰則采用在懸臂中間位置安裝傾角儀進(jìn)行定位。

2.2.2 GPS定位系統(tǒng)

在斗輪機(jī)懸臂前端安裝GPS裝置用于精確定位斗輪機(jī)位置，GPS絕對坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過在中央處理服務(wù)器轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)用（X，Y，Z）表示，分別代表料場長度方向維度、料場寬度方向維度、料堆高度方向維度。轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)用于各機(jī)構(gòu)的位置控制和切入點、切出點定位的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

為確保斗輪機(jī)各機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，采用GPS、編碼器兩套定位系統(tǒng)，兩套定位系統(tǒng)互為冗余，互相校驗。如果其中一套出現(xiàn)故障或者信號不穩(wěn)定，PLC對故障信號進(jìn)行采集、處理，瞬間切換到另一套定位系統(tǒng)，確保自動化作業(yè)正常運行。

3斗輪機(jī)自動化關(guān)鍵技術(shù)

3.1料堆檢測模塊

料堆建模有圖像建模和激光掃描儀建模兩種方式，而圖像建模耗時過長，不適用于自動化控制系統(tǒng)，為獲取料堆的三維輪廓數(shù)據(jù)，采用激光掃描儀。掃描系統(tǒng)工作流程圖如圖2。

激光掃描儀對料堆表面進(jìn)行二維高速連續(xù)掃描，獲取料堆表面上各點的位置信息;通過高速通訊接口獲取的來自斗輪機(jī)的大車行走、俯仰、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及斗輪機(jī)本身的尺寸數(shù)據(jù)、激光掃描儀的安裝位置數(shù)據(jù);對兩個掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、空間變換;對激光數(shù)據(jù)、GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

通過機(jī)構(gòu)平移及回轉(zhuǎn)擺動獲得第三維數(shù)據(jù)，利用坐標(biāo)變換和三維重建算法構(gòu)建料堆的三維立體模型，同時濾除由于抖動和遮擋產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù);利用LOD技術(shù)，根據(jù)料堆模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定模型渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運算，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

通過三維圖形處理軟件將三維模型中的關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)，包括堆料高度、寬度、起始位置、終止位置及其他位置數(shù)據(jù)傳送到單機(jī)全自動作業(yè)控制程序模塊中，為全自動作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2堆取料自動控制技術(shù)

在自動化控制模塊中，自動化控制包括大車行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、尾車、中間皮帶、懸臂皮帶等10余個動力機(jī)構(gòu)自動控制。斗輪機(jī)堆取料工藝的選擇會影響設(shè)備的安全性及工作效率，下面對堆料和取料方式分別研究，結(jié)合堆取料的工藝流程，得出效率高的堆取料方式，進(jìn)行邏輯化編程，實現(xiàn)堆取料的自動化控制。

3.2.1自動堆料模塊

（1）定點堆料。堆料時把大臂架調(diào)整到適當(dāng)高度，在堆料過程中一面堆料一面抬高大臂堆料高度，直至達(dá)到堆高要求后開動行走機(jī)構(gòu)移動一個位置，繼續(xù)從下往上堆料。這種堆料方式，動作單一，消耗功率小，操作也很簡單。

（2）回轉(zhuǎn)堆料。將斗輪機(jī)先固定在某一位置，即大車暫不行走，物料按臂架回轉(zhuǎn)半徑的軌跡堆出，由低到高逐層進(jìn)行，堆到需要長度后，再升高一個高度，進(jìn)行第二層第三層堆料，直至堆到要求高度。這種堆料優(yōu)點是堆料有規(guī)則，缺點是繁瑣、功率消耗大。

（3）鱗狀定點堆料。①新堆的場合：當(dāng)垛位內(nèi)沒有貨料時，可采用新堆方式，斗輪機(jī)根據(jù)堆積方向和垛位的起始地址，自動計算出推薦的堆積起始地址，堆積方式如圖3。先堆1列1行（再寸動）-1列2行-1列3行等，直至到系統(tǒng)計算推薦（或人工設(shè)置堆積結(jié)束地址）;然后再堆2列3行-2列2行-2列1行。事先設(shè)定列與列的間距，系統(tǒng)根據(jù)料場寬度和列間距自動計算合理列數(shù)。該模式的結(jié)束地址由系統(tǒng)根據(jù)需要堆積的來料量、料堆高度和寬度計算得到一個推薦的堆積長度（即堆積結(jié)束地址），人工也可根據(jù)實際情況修改該計算值，當(dāng)自動堆積達(dá)到結(jié)束地址值時，若尚有余料，由于余料量一般會較少，系統(tǒng)對余料的堆積方式會自動切換到上述堆積方式。視實際情況，操作人員可設(shè)定新的堆積起始點和堆積方向，按照給定的堆積方向，以上述方式進(jìn)行余料堆積。②補(bǔ)堆的場合。當(dāng)垛位內(nèi)有貨料時，可以采用補(bǔ)堆方式，補(bǔ)堆可以先對垛內(nèi)余料進(jìn)行掃描，進(jìn)行掃描后的垛位可以使用系統(tǒng)進(jìn)行垛形計算，模型系統(tǒng)會根據(jù)垛形尋找缺口找到推薦落料點，后續(xù)堆積方式與新堆的堆積方式相類似。

自動堆料過程中，斗輪機(jī)按照作業(yè)計劃，自動進(jìn)行堆料計算，并進(jìn)行自動對位，“定點堆積法”功能由斗輪機(jī)機(jī)上PLC實現(xiàn)，垛型種類以定點堆積為主，堆積點達(dá)到指定高度時，俯仰和回旋角度保持不變，斗輪機(jī)進(jìn)行寸動，落料點移動到先前已成型料堆的肩處，并開始第二堆的作業(yè)，以此類推，直至堆料作業(yè)結(jié)束。

3.2.2自動取料模塊

本功能模塊主要包括遠(yuǎn)程手動操作模式、半自動操作模式、全自動操作模式三種作業(yè)模式，并為全自動取料各設(shè)一套自動取料工藝，具體方案如下：

（1）中控手動取料作業(yè)?？赏ㄟ^中控室操作平臺上的操作面板，進(jìn)行取料機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰動作，結(jié)合上位機(jī)軟件及視頻監(jiān)控圖像，達(dá)到遠(yuǎn)程手動操控取料的目的。

（2）半自動操作模式。半自動取料是指在激光三維掃描及三維成像系統(tǒng)在異常條件下導(dǎo)致全自動操作系統(tǒng)不能正常工作而開發(fā)的一套作業(yè)模式。半自動取料控制模式下，取料機(jī)對位需要人工輸入目標(biāo)作業(yè)地址，在達(dá)到作業(yè)位置后，需要人工手動進(jìn)行開層作業(yè)，開層后，人工輸入取料作業(yè)左右邊界條件，取料機(jī)自動進(jìn)行取料作業(yè)，在對該層作業(yè)完成后，需人工進(jìn)行換層，手動定位切入點完成后，繼續(xù)當(dāng)前層的自動取料作業(yè)，直至作業(yè)結(jié)束。

（3）全自動操作模式。旋轉(zhuǎn)分層取料工藝，根據(jù)料堆長度分為旋轉(zhuǎn)分層分段取料工藝和旋轉(zhuǎn)分層不分段取料工藝兩種作業(yè)方式[4]，為了使取料效率最大化，采用取料效率高的旋轉(zhuǎn)分層不分段取料工藝，可以避免作業(yè)過程中由于塌垛而造成設(shè)備的斗輪和臂架過載的危險，適用于較低、較短的料堆，在作業(yè)中臂架不會碰及料堆。為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分層等量取料，在自動控制方式下，按等量取料算法，臂架旋轉(zhuǎn)速度與瞬時流量成正比，斗輪驅(qū)動電機(jī)的電流與取料瞬時流量成正比，可以通過變頻器計算的電機(jī)電流反饋實時發(fā)送給PLC來實現(xiàn)恒流量控制。PLC通過PID算法，將斗輪電機(jī)電流作為反饋信號，將臂架旋轉(zhuǎn)速度作為控制源，實現(xiàn)恒流量取料控制。

3.3防撞系統(tǒng)

（1）雷達(dá)防撞：斗輪斗輪機(jī)大車門腿上分別安裝4個雷達(dá)傳感器，當(dāng)雷達(dá)檢測到軌道上有障礙物時，發(fā)出報警，大車停止運行。

（2）激光防撞：在懸臂兩側(cè)安裝多個激光距離傳感器，多個傳感器在懸臂外圍形成包圍圈，有效地保護(hù)懸臂在堆取料過程中的安全。

（3）超聲波防撞：在斗輪和懸臂處安裝超聲波測距傳感器，實時監(jiān)測斗輪、懸臂與料堆的相對位置，當(dāng)有碰撞發(fā)生時，斗輪機(jī)本地PLC避讓或停止作業(yè)，并發(fā)出警報。

4 結(jié)語

斗輪機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)深入發(fā)展的產(chǎn)物，正向自動化、智能化發(fā)展，自動化斗輪機(jī)的投入使用能夠改善作業(yè)人員的勞動環(huán)境，降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，保障人身安全。本文設(shè)計的新型斗輪堆取料機(jī)自動化控制系統(tǒng)，著重于解決斗輪機(jī)自動化控制中料堆建模、堆取料控制、防碰撞三大問題，有助于實現(xiàn)堆取料機(jī)自動化控制，提高料場的工作效率，改善工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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[3]潘宗才. 斗輪堆取料機(jī)自動化控制系統(tǒng)的研制[D].廣西大學(xué)，2018.

[4]李祥軍.臂式斗輪堆取料機(jī)堆、取料工藝[J].科技風(fēng)，2019（10）：154.