李勝德 袁 楷 姜健寧 張士杰 靳少朋

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

抓斗起重機是一種自動取物機械，分為橋式抓斗起重機、門式抓斗起重機和折臂式抓斗起重機。當抓斗起重機工作時，其抓取和卸出物料的動作由司機操縱，不需要輔助人員，因而避免了工人的繁重勞動，節(jié)省了工作時間，大大提高了工作效率。隨著自動化、智能化的開展，自動運行抓斗起重機替代了司機的常規(guī)操作，但物料狀態(tài)檢測亟待提高。

抓斗起重機抓取的物料通常為糧食、散秸稈、垃圾、灰渣等散料，物料高低分布沒有規(guī)律，抓斗抓取、投放一次或幾次都不能從物料自身確定物料高度降低或升高的量，檢測元件和設(shè)備無法快速準確地檢測出物料的狀態(tài)，實用效果較差，影響了抓斗起重機全自動控制的進程，故需要一種基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)及方法來解決上述問題。

本文以物料檢測技術(shù)和方法為出發(fā)點，為抓斗起重機提供準確的物料抓取或投放位置，提高抓斗起重機的智能化水平，對自動運行起重機提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 物料檢測

生產(chǎn)企業(yè)習(xí)慣將最終產(chǎn)品之外的、在生產(chǎn)領(lǐng)域流轉(zhuǎn)的各種材料、燃料、零部件、半成品、外協(xié)件以及生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生的邊角余料、廢料以及各種廢物統(tǒng)稱為物料。本文所述起重機抓取的物料包括砂巖、鐵礦、頁巖粘土、石灰石、原煤、石膏、雙摻石灰石、混合材料等水泥行業(yè)的生產(chǎn)材料，玉米、小麥、稻谷等糧食類材料，散秸稈、打包秸稈、垃圾等環(huán)保發(fā)電行業(yè)的燃料，灰渣、煤礦、固體廢棄物、工業(yè)危廢、餐廚等廢料，紙料、鋼料等各種物料。

物料檢測是對起重機要抓取的物料外形、輪廓、擺放狀態(tài)、堆積狀態(tài)等進行檢測識別，進一步判斷物料是否達到起重機抓取、放置的既定設(shè)計及起重機抓取、放置后物料的物態(tài)變化情況。物料檢測設(shè)備通常有2D檢測設(shè)備、3D檢測設(shè)備、圖像檢測識別設(shè)備等，用于采集現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)。

2 抓斗起重機

抓斗起重機是一種用于搬運重物或散料在短距離水平移動的搬運設(shè)備，常用于裝卸糧食、垃圾、灰渣或煤礦等散料，在各種貨運碼頭、車站貨場或礦山等環(huán)境下廣泛使用。抓斗起重機一般由橋架、大車、小車和抓斗等組成。當抓斗起重機開始工作時，通過大車的橫向運行和小車的縱向運行，將抓斗起重機處于待抓取的物料正上方，此時抓斗張開并逐漸下降插入到物料堆中，然后抓斗開始閉合抓取物料，待抓斗完全閉合后，抓斗開始上升直到達到預(yù)定高度，再通過調(diào)整大車和小車的位置，將抓斗移動至卸載地點的正上方，此時控制抓斗開啟，將物料卸放。

3 控制系統(tǒng)

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)主要包括物料檢測元件、物料信息處理模塊及工控機。其中，物料檢測元件用于采集現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機，現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)；物料信息處理模塊用于處理物料檢測元件上傳到工控機的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的操作指令，物料信息處理模塊設(shè)置在工控機上；工控機用于發(fā)送操作指令到抓斗起重機，以供抓斗起重機執(zhí)行相應(yīng)的抓取或投放物料的操作。

通過工控機向抓斗起重機上的可編程邏輯控制器PLC發(fā)送相應(yīng)的操作指令，可實現(xiàn)對抓斗起重機的起升裝置、抓斗開閉裝置、大車和小車等進行智能化控制。當抓斗起重機的抓斗對物料進行抓取或投放時，通過物料檢測元件上的傳感器和/或圖像采集設(shè)備，對物料堆放的高度和分布情況進行檢測，并將物料堆的分布數(shù)據(jù)上傳到工控機。此時，通過安裝在工控機上的物料信息處理模塊，對采集到的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)分析結(jié)果，得到抓斗下一次抓取或投放時的位置。當抓斗起重機對物料同一位置進行多次抓取后，導(dǎo)致物料堆中間呈凹陷兩端突出的形狀，此處若再次對凹陷處進行抓取，將會導(dǎo)致抓斗抓取效率低的問題。此時，通過物料檢測元件將現(xiàn)場物料的堆放高度分布數(shù)據(jù)上傳至工控機中的物料信息處理模塊，物料信息處理模塊分析物料的凹陷處不適用于下一次的抓取，并判斷得出物料的突出部分更適于下一次抓取。此時，物料信息處理模塊根據(jù)分析結(jié)果，生成相應(yīng)的智能化操作指令，并通過工控機向抓斗起重機的PLC發(fā)送操作指令，PLC根據(jù)操作指令，控制大車和小車移動到指定抓取位置，并通過自動開閉抓斗，實現(xiàn)對物料進行抓取。同時，物料檢測元件將本次抓取后的現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)進行采集，并發(fā)送到工控機的物料信息處理模塊進行分析，用于下一次抓取工作。

控制系統(tǒng)還包括通訊裝置，用于在工控機和物料檢測元件之間進行數(shù)據(jù)傳輸，工控機通過通訊裝置連接物料檢測元件。通訊裝置可以是有線通訊，也可以是無線通訊。通訊裝置包括近端通訊裝置和遠端通訊裝置，近端通訊裝置設(shè)置在工控機一端，遠端通訊裝置設(shè)置在抓斗起重機一端，每一端的通訊裝置還設(shè)有交換機，用于數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換和設(shè)備間的連接。物料檢測元件通過網(wǎng)絡(luò)接口接入到抓斗起重機端的交換機，并將采集到的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)通過兩端的交換機進行數(shù)據(jù)傳輸，以供物料信息處理模塊對現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進行分析處理。隨后，將得到的操作指令通過通訊裝置發(fā)送至抓斗起重機，從而實現(xiàn)抓斗起重機的智能化控制。

物料檢測元件包括2D設(shè)備和/或圖像識別設(shè)備，用于采集現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)。物料檢測元件通過2D設(shè)備和/或圖像識別設(shè)備對現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進行采集，以供物料信息處理模塊分析得到抓斗起重機抓取或投放的物料位置。為了使物料分布數(shù)據(jù)采集更準確，可在抓斗起重機相應(yīng)位置設(shè)置多個物料檢測元件，更好地獲取現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)。

通過物料檢測元件采集到現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，以供物料信息處理模塊分析，從而得到更準確的抓斗起重機抓取和投放位置，提高了抓斗起重機的利用率。系統(tǒng)包括多個物料檢測元件，多個物料檢測元件分別設(shè)置在多個抓斗起重機上。

在大型貨運碼頭或貨場等工作場合，往往有多個抓斗起重機同時工作，故在多個抓斗起重機上個設(shè)置一個或多個物料檢測元件。通過工控機對多個抓斗起重機進行集中管控，每一個抓斗起重機上的物料檢測元件通過設(shè)置在本端的通訊裝置和工控機端的通訊裝置進行數(shù)據(jù)傳輸，并在工控機上還設(shè)置有顯示模塊，顯示模塊對工作場景下的每一個抓斗起重機分別進行編號，同時將每個抓斗起重機的現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給操作人員，可以讓工作人員了解目前的物料卸載或裝運情況以及抓斗起重機的工作情況。物料信息處理模塊同時對多個抓斗起重機的物料檢測元件上傳的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)進行處理，并將生成的操作指令通過PLC控制抓斗起重機執(zhí)行。

通過在多個抓斗起重機上設(shè)置物料檢測元件，使抓斗起重機的智能化運行規(guī)模更大，使多個抓斗起重機同時操作更加方便，能夠更加可靠、準確地完成各種控制任務(wù)。

4 控制方法

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)的控制方法包括3個步驟：

步驟1：獲取抓斗起重機的現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)；當抓斗起重機的抓斗對物料進行抓取或投放時，通過物料檢測元件上的傳感器和/或圖像采集設(shè)備，對物料堆放的高度以及分布情況進行檢測，并將物料堆的分布數(shù)據(jù)通過通訊裝置上傳到工控機。

步驟2：根據(jù)現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的操作指令；基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)通過安裝在工控機上的物料信息處理模塊，對采集到的現(xiàn)場物料堆放高度的分布數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)分析結(jié)果得到抓斗下一次抓取或投放時的位置，同時生成相應(yīng)的操作指令。

步驟3：發(fā)送操作指令到抓斗起重機，以供抓斗起重機執(zhí)行相應(yīng)的抓取或投放物料的操作，并通過運用PLC實現(xiàn)對抓斗起重機執(zhí)行相應(yīng)的操作指令。

通過檢測現(xiàn)場物料的分布狀態(tài)，從而識別現(xiàn)場物料的堆放高度位置信息，并通過工控機上設(shè)置的物料信息處理模塊分析現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，為抓斗起重機提供準確的物料抓取或投放位置，使得抓斗起重機利用率更高，提高了抓斗起重機智能化運行水平。

5 應(yīng)用情況

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)及方法已在多個起重機項目、多個應(yīng)用場景中進行了應(yīng)用，應(yīng)用狀態(tài)穩(wěn)定，物料檢測效果良好，為抓斗起重機提供了準確的物料抓取或投放位置，使抓斗起重機利用率更高，提高了抓斗起重機智能化運行水平，為起重機的自動化、智能化運行提供了有利條件，同時，推進了全廠自動化、智能化進程，受到業(yè)主的廣泛好評。

本文所述基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)及方法，不局限于新設(shè)計起重機項目使用，在役起重機項目同樣可以通過升級改造投入使用，同時，本文未描述的其他起重機或設(shè)備，同樣可以參考本文的方法投入工程實踐，為自動化、智能化技術(shù)添磚加瓦。

6 結(jié)束語

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)及方法，開展了物料檢測技術(shù)在起重機行業(yè)的應(yīng)用，尤其具體到散物料料位檢測，通過高精度物料檢測元件檢測出現(xiàn)場物料分布數(shù)據(jù)，準確提取現(xiàn)場物料堆放高度信息和/或現(xiàn)場物料圖像處理數(shù)據(jù)，為起重機的抓取或投放物料操作提供了技術(shù)依據(jù)，提高了起重機的自動化、智能化水平，同時，基于物料檢測的抓斗起重機控制系統(tǒng)及方法已申報國家發(fā)明專利，對知識產(chǎn)權(quán)進行保護。