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        試析斗輪取料機無人化取料控制技術(shù)

        2023-12-22 07:07:48邢臺國泰發(fā)電有限責任公司劉英肖趙承東國網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺供電分公司岳宇飛
        電力設(shè)備管理 2023年22期
        關(guān)鍵詞:輪機懸臂遠程

        邢臺國泰發(fā)電有限責任公司 劉英肖 趙承東 國網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺供電分公司 岳宇飛

        本文以某企業(yè)斗輪機無人化堆、取料控制系統(tǒng)改造項目為例。本工程對#1、#2煤場的1臺DQL800/1200·30型懸臂斗輪機(甲斗輪機)和#5、#6煤場的1臺DQ8030型懸臂斗輪機(丙斗輪機)控制系統(tǒng)進行改造。其中#1、#2煤場的甲斗輪機主要規(guī)范見表1。主要改造范圍為2臺斗輪機改造、調(diào)試和運行,遠程操作臺增設(shè),數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的構(gòu)建,同時還需實現(xiàn)遠程控制通信,并在斗輪機臂架加裝防碰檢測裝置,以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

        表1 #1、#2煤場的甲斗輪機主要規(guī)范

        1 斗輪無人化取料控制系統(tǒng)構(gòu)成

        斗輪無人化取料控制系統(tǒng)實際上屬于自動化取料系統(tǒng),整個系統(tǒng)功能強大、結(jié)構(gòu)復雜,為滿足遠程控制需求以及無人取料作業(yè)要求,無人取料控制系統(tǒng)需要具備以下四個基礎(chǔ)系統(tǒng)。

        1.1 地面控制系統(tǒng)

        地面控制系統(tǒng)主要用于實施遠程控制。此次項目改造過程中,在輸煤集控室新增了操作臺,并將其作為人工干預后備手段。通過在操作臺當中設(shè)置PLC 系統(tǒng),實現(xiàn)操作臺、控制中心機柜與兩臺斗輪機之間的數(shù)據(jù)交換,進而達到遠程控制的目的。在設(shè)備實際運行的過程中,可由操作人員直接控制操作臺進行遠程作業(yè),當出現(xiàn)突發(fā)情況時,也可一鍵急停,實現(xiàn)人工與自動化操作之間的無縫切換,降低對作業(yè)流程的影響。地面操作控制系統(tǒng)主要包括遠程控制操作臺、交換機、食品終端,以及工控主機。處于集控室的工作人員,需要根據(jù)遠程監(jiān)控視頻信號實際情況,合理控制和操作系統(tǒng)。

        在實際安裝調(diào)試地面控制系統(tǒng)的過程中,需要注意以下要點:一是控制中心機柜安裝應(yīng)參照標準機柜要求,設(shè)置在輸煤集控室;二是中空主交換機需要提供百兆電口和百兆光口,同時預留擴展接口,加強對于產(chǎn)品質(zhì)量、品質(zhì)的把控;三是確保機柜和就地控制臺具備防塵、防水、防潮等功能,并且耐一定程度的振動,此外需選用304不銹鋼材料,鋼板厚度不小于2.5mm,機柜主體框架的鋼板厚度至少為3.5mm,以免形變;四是確保所有金屬構(gòu)件與接地母線相連[1]。

        1.2 定位系統(tǒng)

        定位系統(tǒng)主要用于檢測材料位置,由于實際取料運輸?shù)倪^程中,材料處于運動狀態(tài)之下,因此為確保定位準確,應(yīng)在堆、取料機走行、回轉(zhuǎn)、俯仰機構(gòu)處設(shè)置定位檢測系統(tǒng)。結(jié)合案例工程項目實際情況特點,回轉(zhuǎn)機構(gòu)定位系統(tǒng)選用了編碼器方式,通過將其固定在斗輪堆、取料機走行輪等位置,使其能夠隨軌道運行,可進行數(shù)據(jù)采集,并將其實時傳送回控制系統(tǒng)。俯仰機構(gòu)的定位系統(tǒng)選用的是傾角傳感器;斗輪機臂架前設(shè)置料高檢測儀;側(cè)面安裝雷達或超聲波,以免出現(xiàn)碰撞情況;斗輪機前后車擋設(shè)置激光感應(yīng)器,防止碰撞。

        1.3 軟件管理系統(tǒng)

        軟件管理系統(tǒng)是斗輪取料機無人化取料控制技術(shù)應(yīng)用的要點,借助智能一體化平臺,結(jié)合實際作業(yè)需求,構(gòu)建全自動無人堆取操控系統(tǒng)軟件,以此達到自動作業(yè)的目的。對此,在實際構(gòu)建軟件管理系統(tǒng)的過程中,應(yīng)著重從以下兩個方面入手:一是將單機操作與自動操作平臺有機融合在一起,以便后續(xù)操作和維護管理,提高操作的便利性,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效共享;二是結(jié)合實際操作需求以及操作習慣,優(yōu)化設(shè)計界面布局、風格等,加大畫面功能開發(fā)力度,以便更好地實現(xiàn)人機交互。

        軟件管理系統(tǒng)的設(shè)置需要滿足遠程人工以及自動控制要求,實現(xiàn)對于堆、取料機的全景式管理,實時采集設(shè)備狀態(tài)信號,并對故障問題進行報警。此外,還應(yīng)具備數(shù)據(jù)的分類、存儲、查詢、處理,以及顯示等相關(guān)功能,確保能夠滿足實際作業(yè)需求。結(jié)合實際斗輪取料機無人化取料控制要求,軟件管理系統(tǒng)界面需要具備以下主要功能:一是顯示功能,主要包括登錄界面、主界面、堆、取料單機界面、通信狀態(tài)、報警界面等可供遠程操作的界面;二是查詢監(jiān)測功能,可實時推動顯示報警信息,并進行數(shù)據(jù)查詢、調(diào)取,此外,還可將設(shè)備運行情況狀態(tài)以圖表的方式實時顯示出來,實現(xiàn)遠程監(jiān)測;三是其他功能,軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)對參數(shù)的設(shè)置和維護,操作人員可根據(jù)實際需求進行參數(shù)修改調(diào)整、初始化,控制各種設(shè)備、掃描儀,以及故障復位、顯示3D 存煤模型等[2]。

        1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

        對于斗輪無人化取料控制而言,在實際操作時,多為遠程、自動控制,而在此過程中,視頻監(jiān)控具有無可取代的作用和地位,對技術(shù)的應(yīng)用效果有著直接影響。結(jié)合案例工程項目實際情況,為確保遠程控制系統(tǒng)的可靠性,需要根據(jù)整個取料流程情況,設(shè)置完善的視頻監(jiān)控體系,擬采用至少8個定點高清網(wǎng)絡(luò)攝像機,以此確保操作人員能夠?qū)崟r掌握、了解實際取料情況,以及設(shè)備的運行狀態(tài),避免出現(xiàn)盲區(qū),影響實際工作質(zhì)量效率。

        詳細攝像頭安裝位置及類型如下:球機(各1臺)。斗輪堆取料機輪斗處、斗輪堆取料機司機室前方、斗輪堆取料機配電室內(nèi);定點(各1臺)。斗輪堆取料機懸臂皮帶上方、斗輪堆取料機懸臂皮帶下方、斗輪堆取料機尾車皮帶上方、斗輪堆取料機落料筒處、斗輪堆取料機堆料分流擋板處、斗輪堆取料機電纜卷盤處。此外,還采用了硬盤錄像機作為視頻信號的存儲系統(tǒng),通過無線通信裝置與地面控制室相連,實現(xiàn)視頻信號的實時傳輸。

        2 斗輪無人化取料控制系統(tǒng)的應(yīng)用

        斗輪無人化取料控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用需要以取料作業(yè)流程為基礎(chǔ),先由斗輪轉(zhuǎn)動挖取物料,然后由擋板運輸至懸臂皮帶,最后完成裝料。實際取料工藝主要包括以下幾種:一是平推取料,即分層不分段取料,需結(jié)合實際料垛高度,確定取料層數(shù),通常17m 的料高可劃分為4層,整個取料過程包括回轉(zhuǎn)、行走和俯仰三個自由度;二是梯形取料,為分層分段取料方式,需先在料垛頂層確定固定的取料長度,然后換層取料,在確保料堆穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,確定好每層取料的程度,最終形成梯形料堆。兩種取料方式各有優(yōu)缺點,前者換成次數(shù)少,實際操作效率較高,但同時也會使庫存緊張;后者則換成次數(shù)較多,實際工作效率偏低,但是能夠有效解決平推取料方式下庫存緊張的情況,便于堆場管理。在采用無人取料控制系統(tǒng)時,現(xiàn)場工作人員需要結(jié)合實際情況,合理選擇相應(yīng)取料方式。結(jié)合取料操作流程,為更好地發(fā)揮無人化、自動化取料控制系統(tǒng)的作用,確保取料過程順利,需結(jié)合實際情況合理設(shè)計取料策略,科學應(yīng)用取料流量控制器。

        2.1 取料策略設(shè)計

        斗輪無人化取料流程,需先進行激光掃描,獲得作業(yè)煤堆的三維模型,然后得到相應(yīng)斗輪切入點坐標,自動對垛,最后自動取料。實際取料策略設(shè)計要點如下。

        自動對垛策略設(shè)計。自動對垛是無人化取料系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ),直接決定著取料質(zhì)量和效率,因此,對于自動對垛策略的設(shè)計研究是十分重要的。結(jié)合無人取料實際工作情況,自動對垛詳細流程如下:開始-起始位置-行走至目標行走位置-俯仰至極限位置,啟動斗輪-回轉(zhuǎn)至目標回轉(zhuǎn)角度-俯仰至目標俯仰角度-步行回轉(zhuǎn)取料,直至斗輪碰到料堆停止-結(jié)束。需注意:一是結(jié)合實際取料需求,確定斗輪切入點;二是確定目標位置、回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度;三是控制操作臺發(fā)出自動對坐指令,操作臺會控制設(shè)備自動抵達目標位置,并調(diào)整俯仰角度和回轉(zhuǎn)角度,直至斗輪與料堆相接觸,此時斗輪壓力指數(shù)會發(fā)生變化,提醒操作人員已經(jīng)完成自動對垛。

        第二,到邊換向策略設(shè)計。在實際用于無人化取料控制系統(tǒng)的過程中,由于取料時大臂會出現(xiàn)回轉(zhuǎn)操作,為更好地避免反向回轉(zhuǎn)風險,造成斗輪扎入料堆的情況,影響取料流程,甚至發(fā)生安全事故,需要合理展開到邊換向策略的設(shè)計。到邊換向策略設(shè)計過程中,需要將取料機行走位置、回轉(zhuǎn)角度,以及俯仰角度轉(zhuǎn)換為斗輪底部三維坐標,以便后續(xù)計算分析,具體坐標轉(zhuǎn)換公式如下:

        式中,X1表示大機行走位置;L 表示懸臂長度;α 表示懸臂俯仰角;H1表示懸臂俯仰鉸點與斗輪中心的豎直距離;L1表示懸臂俯仰鉸點與回轉(zhuǎn)中心的水平距離;β 表示回轉(zhuǎn)角;Y1表示回轉(zhuǎn)中心在Y 軸上的坐標;H 表示懸臂俯仰鉸點高度;H2表示懸臂俯仰鉸點在Z 軸上的位置;R 表示斗輪半徑[3]。

        在實際設(shè)計到邊換向策略時,結(jié)合斗輪底部Y 的位置,將其與每層料堆邊界Y 位置對比分析,以此確定自動回轉(zhuǎn)取料邊界相關(guān)信息,并通過雷達功能,實現(xiàn)邊界檢測,以此有效避免出現(xiàn)大臂反向回轉(zhuǎn)的情況,防止大臂突然反向回轉(zhuǎn),以此確保實際取料流程的順暢性,保障取料作業(yè)安全、可靠。

        塌垛處理策略設(shè)計。塌垛是實際取料過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題,不僅會導致皮帶機過載,而且還會中止取料過程,影響實際作業(yè)。因此,如何處理塌垛問題始終是斗輪取料過程中重點研究的內(nèi)容。基于無人化自動取料特點,為保障作業(yè)效率,實際操作過程中,大臂存在回轉(zhuǎn)過快的情況,而料堆本身較為松散,因此料堆坍塌事故屢見不鮮,斗輪當中的料會出現(xiàn)突然增多的情況,影響系統(tǒng)正常運行。對此,在運用無人化自動取料系統(tǒng)時,應(yīng)重點設(shè)計塌垛處理策略。當斗輪當中突增較多煤料,表明發(fā)生了塌垛事故,需進入塌垛處理流程。

        在此過程中,準確判斷塌垛情況尤為重要,其判斷流程如下:開始-正常取料過程中-斗輪在運行狀態(tài)10s,斗輪沒有旋轉(zhuǎn)或者回轉(zhuǎn)變頻器電流過高(如否,重復進行上一步)-自動模式下發(fā)生煤料坍塌-第一次產(chǎn)生坍塌的脈沖時,記錄當前設(shè)備的行走值、回轉(zhuǎn)值和俯仰值-停止行走/回轉(zhuǎn)/俯仰運動-結(jié)束。

        此外,還應(yīng)進行自動塌垛恢復設(shè)計,以此確保取料流程得以正常推進。塌垛恢復流程共包括以下幾個步驟:一是進行煤堆坍塌恢復初始化,若斗輪運行10s 后,并未出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或者回轉(zhuǎn)變頻器電流過高的情況,則推進下一流程。二是在俯仰角度與坍塌時俯仰角度之差在0.3°以內(nèi),且當前行走位置與坍塌時行走位置之間的差值不超過0.3m 時,可判定為塌垛恢復完成,可進入后續(xù)取料流程;若不滿足上述要求,需要將第一次坍塌時的行走之和俯仰值賦值給當前情況,并重新進行差值計算,直至符合要求。

        2.2 取料流量控制器的應(yīng)用

        取料流量控制器是確保無人化取料控制系統(tǒng)運用質(zhì)量效果的重要設(shè)備,在系統(tǒng)當中有著極大的作用。在實際設(shè)計流量控制器時,需先構(gòu)建斗輪取料系統(tǒng)模型,以此確定取料時取料量與回轉(zhuǎn)角度等相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系,并采用PID 控制法以及便捷控制閥,實現(xiàn)對于速度控制器的有效設(shè)計,以此確保取料流量控制準確、合理。經(jīng)計算分析,取料量與回轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系表達式如下:h=(60×60×ρ×v×H)/1000,式中:h 表示每噸每小時取料量;ρ 表示物料密度;v 表示以體積為單位的取料速度;H 表示取料高度。

        根據(jù)上述分析可知,取料量與回轉(zhuǎn)速度之間并非單純的線性關(guān)系,為保障取料流量控制效果,對于非線性增量,在設(shè)計過程中,應(yīng)設(shè)計前饋補償模塊。對此,需要以斗輪負載壓力和空載壓力之差作為控制系統(tǒng)的前置反饋量,并根據(jù)皮帶秤瞬時流量值校正,以此實現(xiàn)對取料流量的有效、穩(wěn)定的控制[4]。

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