新型斗輪堆取料機自動化控制系統研究

虞學明

摘 要：本文基于料堆建模技術、堆取料自動控制技術和空間防碰撞技術，提出一種新型碼頭斗輪機自動化控制系統，通過斗輪機上各類傳感器與自動化控制器連接通訊，實時采集料場的信息，形成料堆三維模型，經過邏輯處理，實現堆取料機的自動化控制，可有效解決作業超載以及機構碰撞問題，提高系統的安全性，減輕操作人員的勞動強度，規避人為事故的發生，同時減少堆取料機啟停次數和運行時間，延長設備的使用壽命。

關鍵詞：斗輪堆取料機;自動化控制;堆取料工藝;三維掃描

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0088-03

斗輪堆取料機（以下簡稱斗輪機），是一種用于散貨碼頭的主要裝卸搬運設備。以往，斗輪機都是采用手動或半自動堆取料方式，由于司機對操作的熟練程度不同，且作業勞動強度較大，容易導致人為事故的發生[1]。斗輪機自動化可以讓司機在中央控制室進行遠程取料，讓堆場不再有人參與，實現單人操作多臺斗輪機同時作業。

隨著自動化電控技術和計算機技術的快速發展，國內外漸漸實現斗輪機全自動化無人控制。目前，西方發達國家港口大多使用的都是斗輪機全自動無人化運行，近年我國的天津港、曹妃甸港、青島港等碼頭斗輪機也進行了自動化的改造，日照嵐橋30萬噸級礦石碼頭的斗輪機初步實現了自動化作業的調試工作[2]。

在斗輪機自動化控制過程中，主要需要解決三個難題，一是料堆建模問題，二是堆取料的控制，三是防碰撞問題[3]。本文從這三個難題出發，基于料堆建模技術、堆取料自動控制技術和空間防碰撞技術，提出一種新型碼頭斗輪機自動化控制系統。

1系統結構

新型斗輪機自動化控制系統包含：通訊模塊、定位模塊、料堆檢測模塊、斗輪電流檢測模塊、自動控制模塊、安全防撞模塊、本地HMI操作模塊、視頻模塊、遠程操作管理模塊等，各模塊之間通過通訊模塊進行數據交換。系統結構圖如圖1。

2 斗輪機自動化作業系統

2.1通訊模塊

斗輪機自動化系統各個模塊之間通過通訊模塊進行數據交換。利用工業通訊模塊、工業網絡設備，采用網線/光纜方式連接，建立中控系統與地面堆斗輪機之間工業以太網及工業控制網的鏈路，實現系統間信息數據交換、共享。

2.2定位模塊

要實現斗輪機的自動堆取料，首先要實現斗輪機的自動定位。斗輪機主要包括三個機構的動作，即斗輪機大車行走、斗輪旋轉、懸臂回轉、俯仰。

2.2.1編碼器定位

斗輪機大車行走采用絕對值編碼器進行定位，臂回轉采用高精度編碼器進行定位，懸臂俯仰則采用在懸臂中間位置安裝傾角儀進行定位。

2.2.2 GPS定位系統

在斗輪機懸臂前端安裝GPS裝置用于精確定位斗輪機位置，GPS絕對坐標數據經過在中央處理服務器轉換處理，轉換后的坐標用（X，Y，Z）表示，分別代表料場長度方向維度、料場寬度方向維度、料堆高度方向維度。轉換后的坐標數據用于各機構的位置控制和切入點、切出點定位的指導數據。

為確保斗輪機各機構定位系統穩定、可靠運行，采用GPS、編碼器兩套定位系統，兩套定位系統互為冗余，互相校驗。如果其中一套出現故障或者信號不穩定，PLC對故障信號進行采集、處理，瞬間切換到另一套定位系統，確保自動化作業正常運行。

3斗輪機自動化關鍵技術

3.1料堆檢測模塊

料堆建模有圖像建模和激光掃描儀建模兩種方式，而圖像建模耗時過長，不適用于自動化控制系統，為獲取料堆的三維輪廓數據，采用激光掃描儀。掃描系統工作流程圖如圖2。

激光掃描儀對料堆表面進行二維高速連續掃描，獲取料堆表面上各點的位置信息;通過高速通訊接口獲取的來自斗輪機的大車行走、俯仰、回轉機構GPS坐標數據以及斗輪機本身的尺寸數據、激光掃描儀的安裝位置數據;對兩個掃描儀的數據進行拼接、空間變換;對激光數據、GPS坐標數據進行融合處理。

通過機構平移及回轉擺動獲得第三維數據，利用坐標變換和三維重建算法構建料堆的三維立體模型，同時濾除由于抖動和遮擋產生的干擾數據;利用LOD技術，根據料堆模型的節點在顯示環境中所處的位置和重要度，決定模型渲染的資源分配，降低非重要物體的面數和細節度，從而獲得高效率的渲染運算，提高系統響應速度。

通過三維圖形處理軟件將三維模型中的關鍵位置數據，包括堆料高度、寬度、起始位置、終止位置及其他位置數據傳送到單機全自動作業控制程序模塊中，為全自動作業提供數據支撐。

3.2堆取料自動控制技術

在自動化控制模塊中，自動化控制包括大車行走、回轉、俯仰、尾車、中間皮帶、懸臂皮帶等10余個動力機構自動控制。斗輪機堆取料工藝的選擇會影響設備的安全性及工作效率，下面對堆料和取料方式分別研究，結合堆取料的工藝流程，得出效率高的堆取料方式，進行邏輯化編程，實現堆取料的自動化控制。

3.2.1自動堆料模塊

（1）定點堆料。堆料時把大臂架調整到適當高度，在堆料過程中一面堆料一面抬高大臂堆料高度，直至達到堆高要求后開動行走機構移動一個位置，繼續從下往上堆料。這種堆料方式，動作單一，消耗功率小，操作也很簡單。

（2）回轉堆料。將斗輪機先固定在某一位置，即大車暫不行走，物料按臂架回轉半徑的軌跡堆出，由低到高逐層進行，堆到需要長度后，再升高一個高度，進行第二層第三層堆料，直至堆到要求高度。這種堆料優點是堆料有規則，缺點是繁瑣、功率消耗大。

（3）鱗狀定點堆料。①新堆的場合：當垛位內沒有貨料時，可采用新堆方式，斗輪機根據堆積方向和垛位的起始地址，自動計算出推薦的堆積起始地址，堆積方式如圖3。先堆1列1行（再寸動）-1列2行-1列3行等，直至到系統計算推薦（或人工設置堆積結束地址）;然后再堆2列3行-2列2行-2列1行。事先設定列與列的間距，系統根據料場寬度和列間距自動計算合理列數。該模式的結束地址由系統根據需要堆積的來料量、料堆高度和寬度計算得到一個推薦的堆積長度（即堆積結束地址），人工也可根據實際情況修改該計算值，當自動堆積達到結束地址值時，若尚有余料，由于余料量一般會較少，系統對余料的堆積方式會自動切換到上述堆積方式。視實際情況，操作人員可設定新的堆積起始點和堆積方向，按照給定的堆積方向，以上述方式進行余料堆積。②補堆的場合。當垛位內有貨料時，可以采用補堆方式，補堆可以先對垛內余料進行掃描，進行掃描后的垛位可以使用系統進行垛形計算，模型系統會根據垛形尋找缺口找到推薦落料點，后續堆積方式與新堆的堆積方式相類似。

自動堆料過程中，斗輪機按照作業計劃，自動進行堆料計算，并進行自動對位，“定點堆積法”功能由斗輪機機上PLC實現，垛型種類以定點堆積為主，堆積點達到指定高度時，俯仰和回旋角度保持不變，斗輪機進行寸動，落料點移動到先前已成型料堆的肩處，并開始第二堆的作業，以此類推，直至堆料作業結束。

3.2.2自動取料模塊

本功能模塊主要包括遠程手動操作模式、半自動操作模式、全自動操作模式三種作業模式，并為全自動取料各設一套自動取料工藝，具體方案如下：

（1）中控手動取料作業?？赏ㄟ^中控室操作平臺上的操作面板，進行取料機的行走、回轉、俯仰動作，結合上位機軟件及視頻監控圖像，達到遠程手動操控取料的目的。

（2）半自動操作模式。半自動取料是指在激光三維掃描及三維成像系統在異常條件下導致全自動操作系統不能正常工作而開發的一套作業模式。半自動取料控制模式下，取料機對位需要人工輸入目標作業地址，在達到作業位置后，需要人工手動進行開層作業，開層后，人工輸入取料作業左右邊界條件，取料機自動進行取料作業，在對該層作業完成后，需人工進行換層，手動定位切入點完成后，繼續當前層的自動取料作業，直至作業結束。

（3）全自動操作模式。旋轉分層取料工藝，根據料堆長度分為旋轉分層分段取料工藝和旋轉分層不分段取料工藝兩種作業方式[4]，為了使取料效率最大化，采用取料效率高的旋轉分層不分段取料工藝，可以避免作業過程中由于塌垛而造成設備的斗輪和臂架過載的危險，適用于較低、較短的料堆，在作業中臂架不會碰及料堆。為實現旋轉分層等量取料，在自動控制方式下，按等量取料算法，臂架旋轉速度與瞬時流量成正比，斗輪驅動電機的電流與取料瞬時流量成正比，可以通過變頻器計算的電機電流反饋實時發送給PLC來實現恒流量控制。PLC通過PID算法，將斗輪電機電流作為反饋信號，將臂架旋轉速度作為控制源，實現恒流量取料控制。

3.3防撞系統

（1）雷達防撞：斗輪斗輪機大車門腿上分別安裝4個雷達傳感器，當雷達檢測到軌道上有障礙物時，發出報警，大車停止運行。

（2）激光防撞：在懸臂兩側安裝多個激光距離傳感器，多個傳感器在懸臂外圍形成包圍圈，有效地保護懸臂在堆取料過程中的安全。

（3）超聲波防撞：在斗輪和懸臂處安裝超聲波測距傳感器，實時監測斗輪、懸臂與料堆的相對位置，當有碰撞發生時，斗輪機本地PLC避讓或停止作業，并發出警報。

4 結語

斗輪機是現代工業深入發展的產物，正向自動化、智能化發展，自動化斗輪機的投入使用能夠改善作業人員的勞動環境，降低作業人員勞動強度，保障人身安全。本文設計的新型斗輪堆取料機自動化控制系統，著重于解決斗輪機自動化控制中料堆建模、堆取料控制、防碰撞三大問題，有助于實現堆取料機自動化控制，提高料場的工作效率，改善工作環境。

參考文獻：

[1]陳磊，趙憲花.散貨碼頭智能化發展制約因素研究[J].中國水運（下半月），2016，16（01）：62-63.

[2]高玉軍，孫波，褚衍剛，趙朋朋.堆取料機自動化作業技術在董家口礦石碼頭的應用研究[J].自動化技術與應用，2019，38（11）：172-175.

[3]潘宗才. 斗輪堆取料機自動化控制系統的研制[D].廣西大學，2018.

[4]李祥軍.臂式斗輪堆取料機堆、取料工藝[J].科技風，2019（10）：154.