王志剛

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

0 引言

斗輪取料機(jī)是干散貨港口的主要生產(chǎn)設(shè)備，通常由人工兩班倒操作，工作時間長、作業(yè)強(qiáng)度大、操作枯燥繁瑣，人工模式下的斗輪取料機(jī)取料流量受人為因素影響較大，料流的波動較大，易造成下游皮帶機(jī)停止及撒落料，且人工操作易出現(xiàn)疲勞狀態(tài)下的操作失誤，特別是在夜間作業(yè)，堆場現(xiàn)場環(huán)境條件差，因此，實(shí)現(xiàn)無人化取料作業(yè)十分重要[1]。

由于實(shí)際卸船量不定，因此所形成的堆垛長度也不一致，造成每個料堆的編號不確定，料堆邊界也不確定，需根據(jù)現(xiàn)場特殊情況定制開發(fā)相應(yīng)的作業(yè)流程功能。在無人取料系統(tǒng)的作業(yè)流程設(shè)計(jì)時考慮到功能模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)形成單個的功能流程和多種控制模式相結(jié)合的無人取料控制系統(tǒng)[2]。

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)有港口開始實(shí)現(xiàn)斗輪取料機(jī)的無人自動化作業(yè)，但是自動化作業(yè)有一定局限性，復(fù)雜工況下需要操控人員輔助操作才能保證作業(yè)效率不低于手動作業(yè)。

本文論述了一種能夠解決料堆長度、位置不確定等復(fù)雜工況下的斗輪取料機(jī)無人智能取料系統(tǒng)，旨在自動作業(yè)過程中可以自動糾偏、作業(yè)參數(shù)動態(tài)調(diào)整，盡量降低人工干預(yù)的可能性，提高斗輪取料機(jī)的智能化作業(yè)程度，保證作業(yè)效率和流量的穩(wěn)定性。

1 無人智能取料系統(tǒng)作業(yè)工藝流程

根據(jù)斗輪取料機(jī)人工作業(yè)可知，人工取料作業(yè)的流程可以分為尋垛作業(yè)、尋點(diǎn)作業(yè)、取料作業(yè)、退場，無人智能取料作業(yè)工藝流程參考人工作業(yè)，設(shè)計(jì)模塊化功能、結(jié)構(gòu)化編程和人機(jī)操作界面。為滿足不同的作業(yè)需要，將控制系統(tǒng)操作模式設(shè)計(jì)為自動、禁止和手動3 種模式，通過主頁面上按鈕實(shí)現(xiàn)各種模式切換。自動模式下從開始作業(yè)到作業(yè)結(jié)束有完整的作業(yè)流程控制。禁止模式下禁止所有無人取料系統(tǒng)的輸出信號，使整個系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)。手動模式時將人機(jī)界面切換到手動控制頁面能夠單獨(dú)對行走、回轉(zhuǎn)、俯仰、斗輪等設(shè)備的控制[3]。無人智能取料作業(yè)工藝分解為尋垛作業(yè)、掃描作業(yè)、尋點(diǎn)作業(yè)、取料作業(yè)、退出堆場五大主要環(huán)節(jié)，作業(yè)流程如圖1 所示，通過各個環(huán)節(jié)的銜接完成斗輪取料機(jī)無人智能取料作業(yè)。

1） 尋垛作業(yè)

無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)獲取作業(yè)垛位號、作業(yè)量等作業(yè)參數(shù)后，自動將各機(jī)構(gòu)歸零，以最近的垛位邊界為行走位置目標(biāo)值，通過比對當(dāng)前斗輪取料機(jī)所在的位置數(shù)據(jù)，計(jì)算斗輪取料機(jī)前進(jìn)或者后退，行走到目標(biāo)位置后抬高懸臂高度，回轉(zhuǎn)懸臂至料堆上方。

2） 掃描作業(yè)

斗輪取料機(jī)懸臂在目標(biāo)垛位上方后啟動掃描儀，待掃描儀啟動成功后控制斗輪取料機(jī)移動掃描整個垛位，生成垛位中料堆的三維點(diǎn)云模型。

3） 尋點(diǎn)作業(yè)

無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)根據(jù)料堆的三維模型計(jì)算取料作業(yè)起始點(diǎn)位置，通過回轉(zhuǎn)和行走機(jī)構(gòu)共同動作斗輪至目標(biāo)點(diǎn)位上方，然后降下懸臂至目標(biāo)位置。機(jī)構(gòu)動作過程中操控人員需要監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)料堆模型錯誤等特殊工況則需切換到手動模式，通過手動控制斗輪取料機(jī)到達(dá)取料起始位置。

4） 取料作業(yè)

斗輪取料機(jī)控制斗輪從料堆的一側(cè)邊沿回轉(zhuǎn)至另一側(cè)，然后步進(jìn)，將斗輪插入料堆再回轉(zhuǎn)至另一側(cè)，如此往復(fù)循環(huán)直至停止，取料作業(yè)的平均作業(yè)效率受到回轉(zhuǎn)速度、斗輪插入深度、斗輪空轉(zhuǎn)時間等因素的影響。

上述作業(yè)的方法稱為回轉(zhuǎn)取料，在回轉(zhuǎn)取料過程中步進(jìn)后的取料層厚度會隨著回轉(zhuǎn)角度的增加呈逐漸減少的變化趨勢[4]。通過回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)速度、步進(jìn)距離和取料半徑的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)在取料過程中將月牙缺損減小的取料量補(bǔ)償至標(biāo)準(zhǔn)取料層厚的取料量，從而實(shí)現(xiàn)取料過程中取料流量穩(wěn)定的效果[5]。

智能回轉(zhuǎn)取料到邊判斷，通過專業(yè)傳感器和程序設(shè)計(jì)，檢測斗輪取料量變化趨勢以判斷回轉(zhuǎn)取料時斗輪到邊情況，及時做出反向回轉(zhuǎn)取料動作，避免在垛邊停留浪費(fèi)時間，保證了作業(yè)效率。

5） 退出堆場作業(yè)

取料作業(yè)完成后，點(diǎn)擊“停止”按鈕，自動作業(yè)流程停止，緊接著執(zhí)行退出料堆作業(yè)，此時系統(tǒng)設(shè)定3 個斗輪取料機(jī)構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)、俯仰）目標(biāo)位置分別是向遠(yuǎn)離取料位置行走3 m、回轉(zhuǎn)3°、俯仰2°的位置移動[6]，為避免斗輪取料機(jī)與料堆碰撞，先執(zhí)行俯仰機(jī)構(gòu)動作，其次行走機(jī)構(gòu)，最后動作回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。該作業(yè)是保證將斗輪取料機(jī)從料堆中移出，且排空斗輪和懸臂皮帶上余料的有效方法。

2 無人智能取料系統(tǒng)硬件架構(gòu)

根據(jù)取料機(jī)作業(yè)工藝流程，在各動作機(jī)構(gòu)處設(shè)置定位設(shè)備，保證機(jī)構(gòu)活動幅度的準(zhǔn)確性；在臂架前端安裝激光掃描儀和雷達(dá)，作業(yè)前和作業(yè)過程中實(shí)時掃描料堆，生成料堆的三維模型，調(diào)整斗輪取料機(jī)的作業(yè)工藝；在臂架兩側(cè)和斗輪兩側(cè)安裝防碰撞雷達(dá)，實(shí)時監(jiān)測斗輪取料機(jī)周邊的作業(yè)環(huán)境，保證設(shè)備的安全，通過PLC 控制系統(tǒng)整合所有設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，制定智能取料作業(yè)策略。無人智能取料系統(tǒng)硬件系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Hardware system topology

3 無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)

3.1 自動尋垛技術(shù)

為了解決斗輪取料機(jī)自動移動至起始作業(yè)點(diǎn)，需要自動尋垛，即中央控制系統(tǒng)下達(dá)作業(yè)指令，程序自動解析指令代碼、篩選堆垛號，并根據(jù)當(dāng)前斗輪取料機(jī)位置邏輯判斷運(yùn)動方向，自動啟動斗輪取料機(jī)行走指令向目標(biāo)堆場移動。

斗輪取料機(jī)定位一般以回轉(zhuǎn)中心位置作為判斷依據(jù)，但是為了便于計(jì)算，自動尋垛以斗輪取料機(jī)斗輪最前沿的位置作為斗輪取料機(jī)目標(biāo)位置。

在自動尋垛前，將斗輪取料機(jī)的回轉(zhuǎn)、俯仰機(jī)構(gòu)歸零，讓斗輪和料堆處于平行狀態(tài)，再以斗輪前沿位置為基準(zhǔn)點(diǎn)控制斗輪取料機(jī)行走。在即將到達(dá)目標(biāo)位置時，設(shè)定兩級減速區(qū)域以實(shí)現(xiàn)精確到位控制，當(dāng)進(jìn)入目標(biāo)位置5 m 范圍內(nèi)，觸發(fā)第一級減速，行走速度降低至50%；當(dāng)斗輪取料機(jī)進(jìn)入目標(biāo)位置0.5 m 范圍內(nèi)時，觸發(fā)第二級減速，行走速度降低至10%。在斗輪取料機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時停機(jī)，即可將斗輪取料機(jī)精確停止在目標(biāo)位置。精確度達(dá)到±2 cm。

3.2 自動定位技術(shù)

無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)在自動尋垛控制完成后，觸發(fā)自動定位控制，根據(jù)當(dāng)前料堆形狀、臨近料堆形狀和附近其他單機(jī)位置情況自動判斷正向取料或者反向取料。

若無其他干擾則選擇正向取料，根據(jù)三維模型系統(tǒng)提供的料堆邊緣信息，自動控制斗輪取料機(jī)回轉(zhuǎn)、俯仰向取料起始點(diǎn)靠近。在定位過程中安裝在斗輪兩側(cè)的高頻雷達(dá)會實(shí)時監(jiān)測與煤垛之間的距離，通過空間幾何算法實(shí)時校正定位誤差，以確保斗輪取料機(jī)準(zhǔn)確地定位到取料起始點(diǎn)。

3.3 自動取料控制技術(shù)

自動取料控制技術(shù)是無人智能取料作業(yè)系統(tǒng)的核心技術(shù)，結(jié)合人工取料作業(yè)的特點(diǎn)，本文采用了分層取料的方法，根據(jù)斗輪的大小和料堆高度分為3 層，逐層取料，如圖3 所示。在每層取料過程中，以數(shù)據(jù)變比與實(shí)際流量、斗輪壓力與回轉(zhuǎn)速度2 個閉環(huán)控制，月牙缺損補(bǔ)償控制、退車收邊控制技術(shù)等多項(xiàng)控制技術(shù)實(shí)時調(diào)整作業(yè)工藝，控制斗輪取料機(jī)機(jī)構(gòu)動作保證作業(yè)實(shí)時流量的平穩(wěn)。

圖3 料堆分層示意圖Fig.3 Layering diagram of material pile

1） 取料過程中根據(jù)實(shí)際皮帶秤所測得的取料瞬時量與斗輪壓力進(jìn)行比值運(yùn)算，反饋至比值計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)時取料瞬時量和斗輪壓力的比值流程如圖4 所示。在取料作業(yè)時實(shí)時計(jì)算斗輪壓力和回轉(zhuǎn)速度的比值，先將計(jì)算比值帶入閉環(huán)控制邏輯內(nèi)運(yùn)算，計(jì)算比值為回轉(zhuǎn)速度控制基值，當(dāng)斗輪壓力大于或者小于設(shè)定取料瞬時量換算的壓力值時，根據(jù)偏差大小實(shí)時計(jì)算回轉(zhuǎn)速度補(bǔ)償值。將回轉(zhuǎn)速度控制基值與補(bǔ)償值進(jìn)行運(yùn)算，補(bǔ)償回轉(zhuǎn)速度，流程如圖5 所示。通過實(shí)時計(jì)算補(bǔ)償值的數(shù)據(jù)并反饋至回轉(zhuǎn)速度以實(shí)現(xiàn)斗輪壓力調(diào)整回轉(zhuǎn)速度的閉環(huán)控制。

圖4 數(shù)據(jù)變比與實(shí)際流量閉環(huán)控制Fig.4 Data ratio and actual flow closed-loop control

圖5 斗輪壓力與回轉(zhuǎn)速度閉環(huán)控制Fig.5 Bucket wheel pressure and rotational speed closed-loop control

2） 由于回轉(zhuǎn)取料屬于定點(diǎn)回轉(zhuǎn)，則在回轉(zhuǎn)取料的過程中，步進(jìn)后的取料層厚度會隨著回轉(zhuǎn)角度的增加，取料層厚度逐漸減小，如圖6 所示，呈現(xiàn)“月牙缺損”的形狀。以步進(jìn)1.5 m 作業(yè)工藝工況條件為例，近零度點(diǎn)取料厚度1.48 m，遠(yuǎn)零度點(diǎn)取料厚度0.95 m?！霸卵廊睋p”呈線性變化，取料效率逐漸降低。

圖6 月牙缺損補(bǔ)償控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of the control of crescent defect compensation

通過控制回轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)在取料過程中將月牙缺損減小的取料量補(bǔ)償至標(biāo)準(zhǔn)取料層厚度的取料量，回轉(zhuǎn)速度的輸出計(jì)算公式如下：

式中：ɑ 為回轉(zhuǎn)角度；V為回轉(zhuǎn)速度；X為回轉(zhuǎn)速度分配基值；D為取料步進(jìn)距離；R為取料半徑。

3） 每層取料完成，在換邊過程中斗輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了減少該空轉(zhuǎn)時間，本文提出了一種退車收邊控制方法，即在本層取料過程中放棄取料外邊沿效率較低的部分，保證本層作業(yè)時的取料效率，本層取料完成后，斗輪回轉(zhuǎn)至外邊沿留邊部分，退車收邊至下一層取料起始點(diǎn)，如圖7所示，這樣最大限度地提高取料效率。

圖7 本層取料完畢退車收邊設(shè)計(jì)示意圖Fig.7 Design diagram of reclaimer rotating to the outer edge after reclaiming in this layer

4 無人智能取料系統(tǒng)應(yīng)用效果

通過項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，國投湄洲灣項(xiàng)目取料機(jī)無人智能取料系統(tǒng)日均作業(yè)時長超過20 h。RC8自動取料時，平均流量達(dá)到1 800 t/h，流量穩(wěn)定，充分發(fā)揮了取料機(jī)的設(shè)備運(yùn)載能力。在作業(yè)過程中，RC8 無人智能取料系統(tǒng)能夠根據(jù)料堆模型實(shí)時調(diào)整取料機(jī)機(jī)構(gòu)動作，與人工取料相比，自動作業(yè)效率更加穩(wěn)定，取料流量波動較少。

5 結(jié)語

本文通過對無人智能取料系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對取料作業(yè)中流量穩(wěn)定性、作業(yè)生產(chǎn)效率、作業(yè)安全等難點(diǎn)問題，提出自動尋垛、自動定位、雙閉環(huán)+月牙缺損取料控制、退車收邊設(shè)計(jì)等方法，實(shí)現(xiàn)斗輪取料機(jī)自動作業(yè)，智能取料作業(yè)功能完善，作業(yè)流量相較于人工作業(yè)更加平穩(wěn)。