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        基于半自動化背景下的門機全自動智能化控制系統(tǒng)的研究

        2023-09-07 09:19:18
        現(xiàn)代食品 2023年12期
        關(guān)鍵詞:智能化作業(yè)檢測

        ◎ 王 家

        (連云港東糧碼頭有限公司,江蘇 連云港 222000)

        1 研究背景

        連云港東糧碼頭有限公司32泊位3臺門機半自動控制技術(shù)于2020年7月改造完成投入使用,該項技術(shù)在當(dāng)時國內(nèi)門機使用尚屬首例,開創(chuàng)了門機半自動駕駛技術(shù)的先河,也為后期門機全自動智能化控制提供了技術(shù)支撐。

        現(xiàn)有的半自動化控制指將門機的起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的控制,通過變頻器及PLC程序的編寫,實現(xiàn)了3機構(gòu)在設(shè)定情況下的自動運行,司機只需坐在駕駛室內(nèi)監(jiān)控此過程的運行情況,既降低了司機的勞動強度,也解決了抓斗落料過程中與大漏斗的碰撞及粉塵外溢問題,但是無法達到全自動化控制,其他機構(gòu)的操作仍然需要司機完成。因此,本文提出了全自動智能化控制系統(tǒng)。

        全自動智能化控制系統(tǒng)基于半自動背景下的全自動智能化控制,應(yīng)用高精度定位、三維智能掃描、抓斗自動防搖、安全防撞、綜合安防監(jiān)控等技術(shù),結(jié)合碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能形成作業(yè)策略,可實現(xiàn)對抓斗門機的異地遠程控制、半自動控制或全自動控制的多種作業(yè)模式[1-3]。

        2 研究內(nèi)容

        2.1 機構(gòu)位姿檢測技術(shù)

        通過絕對值編碼器、接近開關(guān)、FRID磁感應(yīng)裝置等傳感器,檢測起升、旋轉(zhuǎn)、變幅、行走4大機構(gòu)的位置狀態(tài)。

        2.2 激光掃描建模技術(shù)

        激光云臺掃描設(shè)備對目標(biāo)區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集, 目標(biāo)區(qū)域包括船體、船舶艙口位置、船舷高度、船艙蓋板 、物料、裝卸位置等。

        2.3 抓斗防搖技術(shù)

        根據(jù)等效繩長等數(shù)據(jù),結(jié)合各機構(gòu)速度,估算出偏擺角度。變頻器通過建模分析角度衰減控制,實現(xiàn)抓斗防搖。

        2.4 防撞檢測技術(shù)及防入侵保護

        依托各機構(gòu)的精準(zhǔn)定位和位姿獲取,通過軟件算法實現(xiàn)軟件防撞功能??刂葡到y(tǒng)計算本機與相鄰門機的運動趨勢,判斷是否存在碰撞的可能,并進行相應(yīng)的處理。

        2.5 抓斗運行軌跡定位

        通過建立抓斗的運動模型和力學(xué)分析模型,結(jié)合抓斗的運行控制程序和算法,最終實現(xiàn)抓斗的運行軌跡定位及優(yōu)化。

        2.6 光纖通訊技術(shù)

        通過光纖通訊,可實現(xiàn)門機與中央控制室的信息交互。同時,在電纜卷盤滑環(huán)和門機中心滑環(huán)2個節(jié)點,采用光纖滑環(huán)實現(xiàn)機上與機下的光纖通訊。

        2.7 門機遠程集中控制技術(shù)

        通過遠程控制系統(tǒng),建立門機群之間的遠程控制,即在中央控制室控制門機各機構(gòu)動作和抓斗運行軌跡,實現(xiàn)1名司機操作多臺門機。

        3 系統(tǒng)架構(gòu)

        3.1 信息管理系統(tǒng)層

        信息管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、生產(chǎn)管理應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備組成,建立靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和可靠的安全系統(tǒng)。信息管理設(shè)備層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng),主要用于生產(chǎn)設(shè)備等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存貯、信息查詢、數(shù)據(jù)分析以及報表的輸出等工作。

        3.2 中央控制系統(tǒng)層

        中央控制系統(tǒng)是以中央控制室為中心的控制系統(tǒng)。中央控制室設(shè)置在生產(chǎn)指揮中心,控制系統(tǒng)還包括中央控制系統(tǒng)與門機控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信以及信號聯(lián)鎖控制。

        3.3 自動化控制層

        自動化控制層將門機控制系統(tǒng)、工藝設(shè)備流程控制、操作臺遠程控制、智能照明控制等獨立的生產(chǎn)工藝設(shè)備控制系統(tǒng)連接起來,實現(xiàn)集中自動化控制,全自動智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[4-5]。

        圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

        4 實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 機構(gòu)位姿檢測

        4.1.1 起升機構(gòu)

        采用多圈絕對值編碼器和電機帶增量型編碼器實現(xiàn)。

        4.1.2 變幅機構(gòu)

        采用在變幅齒條處安裝絕對值編碼器或變幅電機增量編碼器實現(xiàn)。

        4.1.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

        采用從動齒輪轉(zhuǎn)軸和多圈絕對值編碼器或電感式接近開關(guān)實現(xiàn)(如圖2)。

        圖2 三機構(gòu)初始檢測位置圖

        4.1.4 行走機構(gòu)

        采用行走自由輪和多圈絕對值編碼器或RFID磁感應(yīng)裝置實現(xiàn),全自動智能化控制系統(tǒng)各機構(gòu)安裝檢測裝置示意圖如圖3。

        圖3 各機構(gòu)安裝檢測裝置示意圖

        4.2 激光掃描建模

        通過安裝在司機室附近和象鼻梁頭部的Sick 3611激光掃描儀,對場景進行掃描,然后對獲取到的點云數(shù)據(jù)進行處理,通過算法提取所需信息,然后將信息通過傳輸協(xié)議傳遞到PLC,控制系統(tǒng)執(zhí)行自動化作業(yè)流程。

        Sick 3611激光掃描儀為360°2D掃描模式,為實現(xiàn)3D建模,需要添加一個軸的運動,合成3D結(jié)果,完成場景建模。為此,掃描儀模塊的硬件架構(gòu)為激光掃描儀和伺服電機云臺。通過伺服控制器精確控制云臺的旋轉(zhuǎn)角度,利用歐式變換矩陣計算方法,將掃描儀獲得的每一幀掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下。激光掃描的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、特征提取后,將作為卸船策略的依據(jù)。

        4.3 抓斗防搖技術(shù)

        閉環(huán)控制:采用傳感器實時采集抓斗的搖擺角度和角速度,反饋給控制系統(tǒng),通過控制機構(gòu)加速度,將抓斗擺動角度限制到最小,達到防搖的目的。

        開環(huán)控制:采用最優(yōu)控制、增益調(diào)節(jié)、自適應(yīng)控制度、狀態(tài)反饋等現(xiàn)代控制方式,建立數(shù)學(xué)模型。通過有效繩長、給定速度、反饋速度等,估算出抓斗搖擺角度,從而進行防搖控制(如圖4)。

        圖4 抓斗防搖控制流程圖

        4.4 防撞檢測技術(shù)及安全防護

        4.4.1 被動防撞檢測

        依托各機構(gòu)的精準(zhǔn)定位和位姿獲取,通過軟件算法實現(xiàn)軟件防撞功能??刂葡到y(tǒng)計算本機與相鄰門機的運動趨勢,判斷是否存在碰撞的可能,并進行相應(yīng)的處理(如圖5)。

        圖5 被動防撞檢測示意圖

        4.4.2 主動防撞檢測

        依托檢測裝置來實現(xiàn),通過檢測裝置實時監(jiān)測防碰撞區(qū)域內(nèi)的障礙物情況,當(dāng)有障礙物入侵時發(fā)出報警信息,生成控制指令,通過控制系統(tǒng)進行主動防碰撞處理(如圖6)。

        圖6 主動防撞檢測示意圖

        4.4.3 大車行走防撞

        在行走機構(gòu)支腿上安裝4臺激光掃描儀,可檢測14 m距離內(nèi)的障礙物。實現(xiàn)大車行走方向上的區(qū)域防護(如圖7)。

        圖7 大車行走防撞示意圖

        4.4.4 防侵入保護

        在門機合適位置安裝1臺警戒式攝像球機,攝像頭識別大漏斗,并根據(jù)相關(guān)策略自動劃定警戒區(qū)域。當(dāng)檢測到警戒區(qū)域內(nèi)沒有人員時(包括動態(tài)和靜態(tài)識別),抓斗方可執(zhí)行抓料和卸料流程作業(yè),否則將等待,直到檢測現(xiàn)場無人員時再作業(yè)。

        4.5 抓斗運行軌跡定位

        抓斗在料斗上方精確定位后,開斗揚塵最小,可實現(xiàn)除塵、靜電料斗內(nèi)開斗放料,抓斗的運行只要依靠起升、變幅、旋轉(zhuǎn)3大機構(gòu)的運行定位來實現(xiàn)。

        4.5.1 起升機構(gòu)設(shè)定

        門機起升設(shè)計的最大速度為60 m/min,即1 m/s,加、減速時間為3 s。根據(jù)1/2(V×T),可以算出起升機構(gòu)從最大速到0速的滑行距離為1.5 m,即從離設(shè)定位置1.5 m的位置給0速,可以正好達到設(shè)定位置。若設(shè)定起升目標(biāo)值為18.8 m,抓料高度時距離為h,運行時間即為t=(18.8-1.5-h)。

        4.5.2 變幅機構(gòu)設(shè)定

        門機變幅機構(gòu)的設(shè)計速度為45 m/min,即0.75 m/s,加、減速時間為3 s,因此想達到最大速度最少要2.25 m(2×1/2×V×T)的運行距離。

        變幅的計算公式:實時位置減去設(shè)定位置得到位置差(S1-S2=S)。

        根據(jù)半自動的調(diào)試試驗,很短的運行距離達不到很好的防搖效果,因此在程序上做了限制,若變幅小于18 m時,不允許啟動自動控制技術(shù)(門機變幅12 m~39 m,料斗的位置約在變幅13.8 m處)。S<2.25 m工況不存在。

        當(dāng)S>2.25 m時,加減速的滑行距離為2.25 m,因此勻速運行的時間為:t1=(S-2.25)/0.75。但是變幅的防搖周期為8.31 s,因此,變幅運行時在t1+8.31 s后,給0速。在開始運行到t1+8.31 s的時刻給最大速度50 Hz/m。

        4.5.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)定

        旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的速度為1.5轉(zhuǎn)/min,即9°/S,旋轉(zhuǎn)的加、減速時間為8.31 s。考慮到防搖效果,現(xiàn)場設(shè)定的最大速度分了4個檔,分別為40 Hz/m、30 Hz/m、20 Hz/m、10 Hz/m。

        若要達到40 Hz/m,需要的最小旋轉(zhuǎn)角度差為4/5×9×8.31,也就是59.8°。

        若要達到30 Hz/m,最小的旋轉(zhuǎn)角度為44.9°。

        若要達到20 Hz/m,最小的旋轉(zhuǎn)角度為29.9°。

        若要達到10 Hz/m,最小的旋轉(zhuǎn)角度為14.9°。根據(jù)角度差可以選擇最大速度。

        旋轉(zhuǎn)勻速運行時間(以40 Hz/m為例):t2=[(θ-59.8) ×5]/(9×4),旋轉(zhuǎn)的運行時間為:8.31+t2,在開始運行到8.31+t2這段時間給40 Hz/m的速度,過了8.31+t2時間后給0速。

        4.6 門機遠程集中控制技術(shù)

        遠程自動化控制是整個門機自動化系統(tǒng)的核心,通過各門機控制系統(tǒng)采集本機的運行信息和數(shù)據(jù),借助可靠的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,可以將信息和數(shù)據(jù)匯總到中控室,再通過服務(wù)器 PC 上的自動控制程序、組態(tài)軟件對操控臺的各種指令進行處理,將處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各門機控制系統(tǒng),執(zhí)行相應(yīng)的命令(如圖8)。

        圖8 門機全自動控制系統(tǒng)簡圖

        通過多機協(xié)同作業(yè)策略和智能化控制算法,實現(xiàn)多機調(diào)度或協(xié)同作業(yè),并在系統(tǒng)作業(yè)過程中通過可靠的安全防撞系統(tǒng)和措施,保障多機協(xié)同作業(yè)的安全可靠。

        4.7 全自動控制流程

        中央控制室操作人員檢查各機構(gòu)情況及現(xiàn)場安全狀況,操作門機到指定位置后,設(shè)定相關(guān)參數(shù),然后進行自動化操作,按照圖9進行。

        圖9 全自動控制流程簡介圖

        5 預(yù)期效果

        5.1 提升綜合效率

        采用門機全自動智能化控制系統(tǒng),可降低門機作業(yè)效率對司機專業(yè)技術(shù)水平的依賴程度,在減輕門機司機疲勞的同時,規(guī)范操作流程、實現(xiàn)卸船作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,從而提升門機作業(yè)效率的穩(wěn)定性。

        5.2 減員增效

        通過實現(xiàn)門機的全自動智能化控制,可大幅降低門機司機的勞動強度。例如,若有3臺門機,門機司機可以從每個班4人3臺門機減少到3人3臺門機,按照3大班制測算,全年節(jié)約人工成本約30萬元,達到優(yōu)化作業(yè),降低能耗的目的。

        5.3 提升智能化水平

        門機作為散貨碼頭工藝設(shè)備重要的組成部分,實現(xiàn)門機操作全自動智能化,為下一步散貨碼頭全流程自動化邁出了關(guān)鍵一步,為智慧港口建設(shè)貢獻技術(shù)支撐。

        5.4 提升安全性能

        自動化作業(yè)可降低人為因素風(fēng)險,降低由于司機疲勞或操作失誤導(dǎo)致的安全風(fēng)險,提升門機作業(yè)的安全化水平,提高運行安全可靠性;減少設(shè)備抖動、晃動對金屬結(jié)構(gòu)的影響。同時,可減少揚塵,提高環(huán)境保護能力。

        6 推廣應(yīng)用

        門機全自動化控制技術(shù)的應(yīng)用對于散貨碼頭具有重大意義,解決了傳統(tǒng)門機作業(yè)中的難點和痛點,具有極大的推廣價值。門機作為港口傳統(tǒng)設(shè)備,借助智能技術(shù),使司機走出駕駛室,可實現(xiàn)適應(yīng)復(fù)雜工況的無人化作業(yè)。隨著散貨碼頭各設(shè)備智能化升級、各系統(tǒng)間的整合,今后將改變傳統(tǒng)散貨碼頭作業(yè)模式,實現(xiàn)散貨碼頭全智能化技術(shù),在安全、可控、高效、節(jié)能、環(huán)保等各方面邁上一個新的臺階。

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