料場刮板機無人化自動控制系統

王節亮 聞宇 王浩

大連華銳重工集團股份有限公司 遼寧大連 116 035

1 總體介紹

依托某無人化料場改造項目開展實施，范圍為料場中4臺半門式刮板取料機+2臺23米移動卸料車、配料倉中的2臺卸料車以及相關的12條皮帶。

料場采用移動卸料車+半門式刮板取料機進行堆料和取料。堆料設備采用的是移動卸料車，取料設備采用的是半門式刮板取料機。該取料機門架為L型結構，軌道高低布置[1]。刮板機通過卷揚機構的鋼絲繩實現上下旋轉。門架坐在行走機構上。設備帶動刮板機沿著軌道前后行走，將料堆的料取入出料皮帶上運走，兩邊共15+16個倉位。

2 改造技術方案

2.1 刮板取料機本體改造方案

2.1.1 刮板機定位系統

采用格雷母線進行刮板取料機走行距離檢測，檢測精度可達到10mm。另外，根據編碼電纜檢測到的位置值，進行料格的判斷。

2.1.2 大臂升降角度檢測。

刮板機取料時俯仰機構傾斜角度直接決定了取料量和刮板電機負荷。通過編碼器實現俯仰機構工作時傾斜角度的檢測。

2.1.3 刮板機取料料流檢測及防取料偏析

在刮板取料機原有料流檢測的基礎上在刮板下料口處安裝2D激光掃描儀，在取料時用于實時檢測取料料流，便于系統建立取料模型，控制取料料流[2]。

2.2 料場自動盤庫功能

三維掃描系統，用于掃描堆、取料作業時料格內物料堆垛的變化，在作業過程及作業結束后掃描獲取實時圖像信號進行料堆三維圖像采集、傳輸和存儲，繪制3D料場模型，可打印上傳，系統根據計算結果及3D模型，自動生成物料盤點報表并上傳MES系統，實現料場盤庫的數字化。

2.3 設備運維系統

監測設備關鍵數據，根據設備特點，建立故障預警模型，對可能產生的故障，在預定的情況下做出預警，提醒監控人員進行處理。

對料場各設備的運行狀態進行實時監測，包括運行速度、電機的電流、電壓、轉矩及各元器件狀態等。對數據進行采集，為這些數據的實時監測和分析整理留接口，此接口能和需要這些數據的設備用無線網絡進行通信[3]。

所有與保護相關的檢測元件如皮帶的撕裂、跑偏、堵料限位、防撞限位等。

重要運行數據如：走行的位置、刮板俯仰角度等。

重要部件運行狀態信號：斷路器、接觸器、主令控制器指令、制動器開閘等；

故障信號：電氣聯鎖、機械過載、熱過載、限位保護、超速等；

2.4 無線通信網絡系統

每臺刮板取料機和23米卸料小車均安裝2臺無線電臺，一臺用于傳輸控制信號，一臺用于傳輸視頻。控制用無線電臺為帶冗余功能，接2付雙極化全向天線，分別和作業區2端的無線基站進行通信，保證傳輸穩定性，掉線時可自動切換另外一路。2臺基站通過光纜進行連接，匯聚到漫游控制AC，然后接入到地面匯聚交換機中。視頻采用非冗余無線通訊網絡。

2.5 視頻監控系統

對刮板取料機和23米卸料小車視頻監控改造，在設備及廠房內安裝攝像頭，滿足生產對設備的監控。每臺刮板取料機安裝4臺攝像頭，用于監測刮板、皮帶、大臂、料堆。每臺卸料小車安裝2臺攝像頭：用于監測料堆、皮帶。料場固定端兩側各安裝6臺攝像頭，對于整個料場全貌進行監控。整個C型料場共配置30個攝像頭。

2.6 二級系統

在中控室操作臺設置1臺操作站，由三臺工控機組成，用于設備綜合調度管理。料倉選擇、設備選擇、取料機自動運行、卸料小車自動運行和皮帶機運行均通過該系統實現調度管理。同時具備設備狀態顯示、分析和簡單的診斷功能，具備遠程操作功能。

2.6.1 生產調度的實現原理

根據來料出料計劃進行物料堆放場地分配以及堆料、取料作業流程選擇和排程。初期可采用人工方式制定作業計劃并下達作業指令進行料場生產調度，后期需根據三級或其他二級系統發來電子計劃完成。將整個C型料場作為一個整體考慮，確定來料和出料信息（輸入和輸出），料場內部各設備分配由本料場管理系統完成。

2.6.2 料場管理平臺的功能

（1）堆取作業任務管理。根據實際需求自動生成或者控制人員人為編寫堆、取料作業任務，運行人員根據任務執行相應的作業。對物料的堆放、抓取計劃和計劃執行情況實時記錄，對作業過程中的數據實時記錄，確保作業數據的準確和歷史可溯。

通過卸料車和取料機高精度定位系統，實現堆取料機位置識別，在料場坐標系下的三維坐標實時計算，實現準確堆、取料的目標，同時采集進料場、出料場皮帶秤計量數據、堆取料機實時位置，準確的控制取料機的位置和生產料流。

（2）料堆入場管理。物料進入料場后，依據實際來料情況、料場各分區料堆堆放物料品種及來料特性，自動生成卸料方案。用戶可根據實際情況判定及修改，最終制定準確、合理的方案。并對卸料作業情況實時進行跟蹤，反饋實際堆放執行情況。

2.6.3 料場測量及盤庫

采用三維測量技術可以通過三維掃描獲取料堆外形輪廓的點云數據，不僅可以計算出準確的料堆體積，進而計算料堆質量，還可以使用三維成像技術繪制出料堆的外形輪廓，為實現堆取料機無人化控制提供支持。

3 結語

本文以大型機械生產設備的智能化無人化改造為主要研究對象，以某料場智能化無人化改造項目為依托，將機器視覺、云平臺、網絡通信、三維成像、管理調度系統等跨界技術與電氣、嵌入式應用等工業技術結合，以解決用戶“痛點”問題為突破口，實現了既定目標，具有很高的技術創新性，極具市場推廣價值。