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        港口散貨取料機(jī)無人取料系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        2023-11-09 06:21:26王志剛
        中國港灣建設(shè) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:智能作業(yè)系統(tǒng)

        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)。

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