堆取料機自動化控制的研究與應用

王軍正 李世龍

摘 要：在工業生產中，堆取料機是非常重要的設備，能夠連續、高效的進行物料挖掘。本文將以堆取料機的自動化控制結構與原理作為研究對象，探索自動、半自動控制方法，研究設計堆取料機的自動化控制關鍵系統，達成無人化管理料場作業的目的。

關鍵詞：堆取料機;自動控制;PLC

前言：堆取料機是物料輸送設備的起源，在工業生產中屬于很重要的設備，關系到工業生產效率。在信息化技術快速發展的同時，過去的手段已經無法適應當代的生產要求。漸漸的電子信息化手段成為了工業生產核心技術。在物料輸送技術中，電氣自動化控制屬于很重要的技術手段，在很多工業系統中都能見到其身影。

1 堆取料機的自動化控制原理和結構

1.1原理

堆取料機自動化控制靠的是人工智能技術，實現了料場散料的自動化控制。按照不同情況，選擇不同堆取料方式和控制系統。堆取料機在工業生產中是很重要的設備。目前常見的有橋式、斗輪旋轉式、懸臂梁式等類型[1]。這種設備包括回轉系統、輸送系統、運行機構、中控系統等，在企業、大型貨場以及碼頭中應用非常廣泛。依靠自動控制系統，只需要操作人員點擊開始按鈕，中控系統就能自動化處理與掃描作業任務，之后將任務信息變成指令，使用掃描技術識別料場中的散堆坐標，并將物料的規模、大小與形狀發送給中控系統。此時PLC就能夠按照作業情況，選擇對應的控制方式。

1.2結構

堆取料機的控制系統，主要是中控系統與堆取料機的關鍵系統。關鍵系統為回轉、俯仰、走行、PLC、掃描、監控、防碰撞等。

（1）回轉

使用驅動回轉平臺與臂架回轉裝置，在帶外齒轉盤軸承中安裝回轉。此時動力裝置驅動回轉齒輪，小齒輪和轉盤軸承外齒圈嚙合，讓回轉部分跟著一起動。

（2）俯仰

應用液壓驅動的方法，控制俯仰系統。液壓控制這一系統包括高壓球閥、油缸控制閥、導料槽翻板油缸、皮帶張緊油缸、俯仰油缸。使用串電阻調速，使用液力推桿制動器制動[2]。

（3）走行

該裝置配備了錨定、夾軌器等裝置，車架端部配有軌道清掃器。控制系統包括安全裝置、平衡臺車、調速變頻器、電氣控制。該系統應用可調速變頻電機控制。

（4）PLC

堆取料機使用可編程控制器PLC，通過觸摸屏操作，使用總線和模塊連接，賦予系統通訊功能。操作中，在現場需要先將程序指令輸入系統，之后就能自動運行。

（5）掃描

該模塊能夠完成料場模型數據掃描，并將數據發送給中控系統，使用以太網達成系統控制目的。掃描料場料堆數據的時候，工具為激光掃描儀，能夠準確獲得料堆各種參數。設置掃描系統的時候，需要考慮堆料機物理參數功能，識別系統誤差。識別完機械物理參數之后，修改維護系統，能夠動態顯現堆取料機工作狀態。遇到惡劣工作環境，系統發出報警，告訴工作人員謹慎操作設備。該模塊擁有遠程控制與維護能力。

（6）監控

該系統由控制臺、網絡通訊、數據處理服務器組成。用鍵盤顯示和調用PLC數據參數，使用CPU對系統進行處理，控制堆取料機自動化生產，并并能能夠實時監控堆取料機自動化作業情況。操作和顯示數據靠的是觸摸屏。觸摸屏能夠實時顯示故障、工況等情況。使用通信端口連接CPU，就能夠人機對話，了解堆取料機狀態。

（7）防碰撞

為避免多臺堆取料機發生碰撞，需要使用傳感器通信和視頻監控技術，實時采集堆取料機位置信息，之后應用防碰撞技術，對三維空間進行模擬運算，自動判斷碰撞位置和情況，提前發出警報。

2 堆取料機自動化控制系統設計方法

2.1自動控制方案

（1）堆取料機行走與回轉控制

該部分由安全裝置、平衡臺車、調速變頻器、電氣控制裝置組成。使用可調速變頻電氣完成頻率控制。按照變頻器容量，決定最終是否需要增加電抗器。其擁有多樣化的控制辦法。當前許多自控設備使用的是變頻調速與直流調速。本次將對二者混用，轉換高低速的時候，只需要調整電源模式，使其從交流電源變成直流電源即可，之后轉化直流頻率，對其進行控制。想要達成這一目的，需要電壓足夠才行。

首先是堆取料機行走。操控室按照實際情況設置參數，完成機器操作，能夠控制機器的速度開關，操縱堆取料機前進或是后退。運行中，通過改變電氣控制系統變頻器的參數完成調速處理，回轉裝置按照高低速達成左右回轉功能，能夠讓斗輪機的回轉更加容易控制。變頻器輸入側安裝交流電抗器，操控中，臂架旋轉能夠無極調速。運行期間，避免了電機失速，應做好電機參數調整。尤其是工作電流、工作頻率調整。注重部件保護與控制，完成堆取料機運行期間的故障排除，讓堆取料機能夠可靠、平穩運行。調速采用的是V/F控制方法，以無轉速反饋方法開環控制。通過變頻器，實現一拖多的驅動控制部件運行速度，能夠讓設備保持穩定運行，有著比較簡單的調試方式。機構動態性能要求并不是很高，跨距相對較小，使用強冷風機就能有效實現電機散熱，并且讓電機擁有了絕緣性。

其次是回轉結構。懸臂旋轉機構回轉機構用于料流恒定速度的調整，其控制原理采用的是交流變頻調速。

（2）俯仰控制

堆取料機的俯仰控制靠的是液壓系統，其由高壓球閥、油缸控制閥塊、導料槽翻板油缸、皮帶張緊油缸、俯仰油缸構成，應用串電阻調速，使用液力推桿制動器制動。

用電機、液壓制動氣、變頻調速系統、PLC、操作桿完成電機加減速和啟停、位置和方向的控制。邏輯控制使用的是PLC，能夠完成位置和速度閉環。下俯的時候，堆取料機有著很強的操控性，能夠快速或慢速的推進，不會出現強沖擊或震蕩，可以減緩、平穩運行，負重能力強，不易出現保護臂受損問題。

（3）斗輪控制

斗輪機堆料中，使用半自動、手動方式控制。設置變為器的變頻參數，調節回轉速度。使用PLC，在發生故障的時候，就能第一時間停止運作。斗輪機構驅動靠的是低速大轉矩液壓馬達，斗輪轉速的調整，需要使用壓力值調整方法，對壓力模擬量信號進行測試，并將其發送到控制系統，觀察模擬信號的運行情況，對機構切削力狀態進行判斷，就能準確獲知回轉速度。作業期間，使用電機轉動堆料機，使用皮帶輸送裝卸物料。

2.2 PLC控制

當前很多堆取料機使用的都是自動化或半自動化控制系統，足以滿足大多數情況下的物料堆取要求。使用多臺堆取料機一起工作，可以有效改善工作環境，并降低工人壓力與成本，對實現安全控制與提高工作效率有很大的幫助，能夠實現自動化控制堆取料機的目的。

為了達成無人管理目的，需要解決堆取料機的智能化控制、無人化控制要求。使用工業PLC控制堆取料機，使用激光掃描儀掃描料堆，就能獲取料堆的各種數據。之后用PLC控制，確定取料起始點，并完成自動化取料。

堆取作業期間，使用整體掃描技術配合實時掃描技術獲得料堆模型數據，并將其導入到操控系統，此時就能完成料堆起點和終點位置的掃描和識別。圖像庫中調取三維模型的數據，此時呈現出三維圖像。應用掃描儀掃描獲得原始數據，也可以通過回轉編碼器以及俯仰編碼器、走行編碼器得到位置數據，使用以太網對其進行預處理獲得準確坐標。

結語：本文對堆取料機的自動化控制進行了研究，從行走、回轉、俯仰、斗輪以及PLC等角度出發，研究了控制方法。自動化控制能夠提高堆取料機的運行效率，有效減少勞動強度，并具有了遠程、智能化控制功能。

參考文獻：

[1]岳秉翔.港口堆取料機自動控制系統設計[J].內燃機與配件，2020（17）：202-203.

[2]尹崇志，劉文祎，高玉軍等.董家口堆取料機自動化控制技術分析[J].港口科技，2020（04）：1-2+41.