港口堆取料機自動控制系統設計

岳秉翔

摘要：堆取料機是一種廣泛用于港口裝卸作業的高效機械，目前國內很多港口在進行堆取料作業時仍采用人工控制或半自動控制的方法，工作效率、穩定性和準確性不高。本文結合掃描成像原理、閉環控制原理和增量式PI控制算法，完成了自動控制系統的設計，有效提高了港口堆取料機的運行效率和控制精度，降低了人工操作帶來的誤差。

關鍵詞：堆取料機;自動控制;三維成像;定位系統

0? 引言

煤炭和鐵礦石是國家工業發展的基礎和命脈，雖然近年來中國經濟發展速度逐步放緩，但我國依然是全球礦石和煤炭進口大國，各大港口對裝卸設備的需求仍然比較旺盛[1]。堆取料機是一種用來對礦石、煤炭進行連續堆料和取料作業的常用機械設備，在港口碼頭、物流中心等場所得到廣泛使用。典型的港口堆取料機結構主要由斗輪機構、回轉機構、俯仰結構、行走機構、輸送機構等部分組成。為了提高堆取料機的裝卸效率、作業精準性和工作穩定性，越來越多的港口開始研究和實施自動化控制系統[2]，而這也是本文的研究重點所在。

1? 堆取料機自動控制系統的組成及功能分析

港口堆取料機自動控制系統包括遠程控制系統和堆取料機本地控制系統兩大部分[3]。遠程控制系統包括堆場管理系統和遠程操作系統，堆場管理系統通過自動操作管理服務器完成料堆模型的仿真計算，通過中央控制PLC生成和下達自動取料、堆料指令，并實時記錄、反饋和共享所有堆取料機的具體位置和運行狀況，設置防碰撞和防過載保護功能。操作員在得到終端授權后可以通過遠程操作系統實現人工干預。堆取料機本地控制系統由本地PLC、定位系統、掃描成像系統、防碰撞系統、防過載系統組成，本地控制系統的主要功能是實現堆料機各工作機構的精準定位、自動控制、現場監控和安全避讓，并通過安裝在懸臂上的激光掃描儀完成堆料三維激光掃描，本地控制系統與遠程控制系統之間通過以太網或光纖實現數據信息的實時交互。

2? 三維成像系統的設計

2.1 三維成像系統的工作原理

三維成像系統由數據采集模塊、數據處理模塊和圖像生成模塊三大部分組成。激光掃描儀基于激光測距原理對堆料輪廓進行實時掃描，并形成大量三維坐標數據點。三維數據處理模塊對定位系統反饋的機構位置信息、控制器反饋的機構狀態信息進行分析，對激光掃描儀反饋的三維坐標數據進行預處理、網格規范化處理和空間坐標轉化，然后利用算法對干擾數據進行過濾處理、對網格數據進行差值處理，最終形成堆料三維點云數據并儲存在數據庫中[4]。三維圖形生成模塊讀取數據庫中的三維點云數據并進行圖形的渲染、拼接和繪制，最終形成高精度的堆料三維模型。

2.2 三維成像系統的設計

以激光掃描儀的激光發射點T和堆料表面測量點B為基礎點構建三維坐標系，如圖1所示。坐標系的原點坐標為（0，0，0），激光發射點T距地面的高度為H，其坐標為（0，0，H），激光束與ZX平面的夾角為θ，與XY平面的夾角為α。激光發射點T到堆料表面測量點B的直線距離為L，設B點的坐標為（a，b，c），建立物料表面測量點的數學模型：

掃描儀通過懸臂的移動進行多次掃描后采集到大量的數據點并建立三維點云模型，為了與堆取料機的作業習慣相適應，還需要將掃描儀采集到的原始坐標轉化為以料場為參考系的坐標。通過定位系統可以得到掃描儀工作時行走機構、俯仰機構和回轉機構的瞬時位置，三維成像系統通過這些位置數據可以將測量點所在的初始坐標系轉換到料場坐標系中。由于被測點的數量很大、密度很高，通過激光掃描儀采集的離散點云的數據量也很大，若直接對這些點云數據進行三維仿真計算將會占用非常大的計算機資源。為了提高計算效率、節省計算資源，在綜合考慮仿真精度和處理器資源后，需要對原始點云數據進行網格規范化處理。散點通常以矩陣的形式表示，以二維數組的形式儲存在服務器中，數組中的元素與初始坐標系下被測點的高度相對應。在得到料場測點的點云數據后，通過Windows平臺下的Open GL軟件進行三維渲染并在上位機上實時顯示，建模相應時間小于200ms，仿真精度小于0.2m。

3? 自動控制系統設計

3.1 調速系統設計

為了實現自動作業前堆取料機各作業機構的高精度定位和自動作業過程中各作業機構運行的準確控制，需要設計變頻調速控制系統[5]。設計調速系統的關鍵在于確定采樣周期Ts、電機實時轉速N以及PID控制策略。根據香農采樣定理和系統波動情況，采樣周期Ts選擇為20ms。PLC通過SPD指令在每個采樣周期內反饋檢測的脈沖數得到電機的實時轉速。將在一個掃描周期內編碼器反饋的脈沖數儲存在寄存器D0內，當前所接收的脈沖數存放在D1內，剩余的掃描周期時長存放在D2內。每次達到采樣點時，將D1內存放的數值傳遞給寄存器D0，與此同時D1和D2內存放的數值清零，可以通過D2中掃描周期的變化規律確定每個周期的采樣點。PLC程序段的梯形圖如圖2，程序在運行時M100處于ON狀態且D34存放值為0，將D32內存放的當前時刻的剩余掃描周期t0傳遞到D33，將下一時刻剩余掃描周期t1存放到D34。當t1>t0時，M110處于ON狀態，跳轉命令[CJ P10]停止執行，程序繼續向下運行。

閉環調速控制采用增量式PI算法，系統輸入信號通過PLC控制器傳遞到D/A通道，然后通過變頻器控制交流電機轉速，系統輸出信號通過速度編碼器反饋到PLC控制器形成閉環控制。通過閉環調速系統可以提高作業機構的定位精度，提升作業機構移動和停止的精準性，使取料和堆料過程中的寸動保持相同的移動距離和移動范圍，使堆料垛形的規格具有高度穩定性和一致性。

3.2 斗輪切入點計算

首先在料場平面內選擇一個點作為基準點，然后將大臂置于基準點的正上方并使其保持靜止狀態，當懸臂處于水平狀態時，斗輪與基準點之間的垂直為O，斗輪頭部與回轉中心之間的距離為L。設斗輪切入點的坐標為（A，B，C），則斗輪的回轉角度N、大車位置X和俯仰角度M可以根據下式計算：

3.3 自動定位系統設計

PLC中配置有自動定位模塊，自動定位系統通過編碼器GPS和格雷母線可以獲取行走機構、回轉機構和斗輪機構的實時位置，并能夠分時分階段地糾正各機構的位置以減少系統誤差和精度誤差，通過變頻器控制各個機構的移動速度。在對大車行走機構定位時，設大車實際位置的坐標為X，系統設定的參考坐標為Y，假設大車位置點指向錨定點的方向為正方向，當XY時，如果X與Y差值的絕地值大于8，大車將以速度V2高速沿負方向向后移動，若差值的絕對值小于8，大車就以速度V2′低速沿負方向向后移動。當X=Y時，大車處于靜止狀態。

在對回轉機構進行定位時，設回轉實際角度值為A，系統設定的參考值為B，當AB時，如果A與B差值的絕對值大于8，懸臂將以角速度w2快速向左旋轉，若差值絕對值小于8，懸臂就以角速度w2′緩慢向左旋轉。當X=Y時，懸臂處于靜止狀態。

3.4 自動循環取料系統設計

中控PLC系統根據各作業機構的位置信息和料堆三維輪廓信息，建立了料場三維坐標數據庫，然后以此計算出取料邊界坐標和斗輪切入點坐標。當行走機構、回轉機構和斗輪機構的定位工作完成后，斗輪下緣移動到與切入點重合時，即可啟動取料作業命令。在取料作業過程中，系統通過PI條件模塊對回轉機構進尺量進行反復微調，使回轉機構始終以恒定低速的速度轉動，使取料流量保持恒定。PI調節模塊輸入信號為回轉機構的工作電流，輸出信號為回轉機構的旋轉速度。以回轉機構的回轉中心為圓心，以回轉中心到懸臂頭部的距離作為半徑可以繪制出回轉機構的工作平面，如圖3所示。

通過圖中的幾何關系可推導出回轉機構旋轉速度和回轉角度間的相互關系：

式中，θ表示旋轉角度，s表示旋轉速度，Q表示取料流量，d表示進給距離，l和h表示取料深度和厚度。

在進行取料作業時，在d和h為定值的情況下旋轉速度s與cosθ成反比。將上述公式的邏輯運算關系編寫到可編程控制器中，在每次取料作業之前設定取料流量后，即可通過編碼器計算出實時回轉角度并發送給PLC。當斗輪頭部移動到取料邊界位置后，回轉機構向反方向旋轉并繼續取料，通過如此往復循環運動完成當層取料任務。取料任務完成后觸發系統暫停命令，斗輪自動移動到下一層切入點并保持不動，系統處于待命狀態，一個堆取料作業命令內的自動控制完成。

參考文獻：

[1]李特，崔曉峰.斗輪堆取料機的發展應用趨勢[J].精品，2016（1）：60-61.

[2]王樂.煤碼頭斗輪堆取料機的發展趨勢[J].中國科技投資，2018（01）：108-110.

[3]嚴晨.堆取料機的智能化發展思考[J].科技創新與應用，2018，256（36）：75-76.

[4]李響初，張微.基于PLC的礦山堆取料機自動控制系統研究與設計[J].世界有色金屬，2017（18）：63-64.

[5]牛春寶.基于電氣自動化控制技術的港口堆取料機關鍵技術研究[J].信息系統工程，2016（11）：91-92.