基于物料檢測的抓斗起重機控制系統及方法

李勝德 袁 楷 姜健寧 張士杰 靳少朋

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

抓斗起重機是一種自動取物機械，分為橋式抓斗起重機、門式抓斗起重機和折臂式抓斗起重機。當抓斗起重機工作時，其抓取和卸出物料的動作由司機操縱，不需要輔助人員，因而避免了工人的繁重勞動，節省了工作時間，大大提高了工作效率。隨著自動化、智能化的開展，自動運行抓斗起重機替代了司機的常規操作，但物料狀態檢測亟待提高。

抓斗起重機抓取的物料通常為糧食、散秸稈、垃圾、灰渣等散料，物料高低分布沒有規律，抓斗抓取、投放一次或幾次都不能從物料自身確定物料高度降低或升高的量，檢測元件和設備無法快速準確地檢測出物料的狀態，實用效果較差，影響了抓斗起重機全自動控制的進程，故需要一種基于物料檢測的抓斗起重機控制系統及方法來解決上述問題。

本文以物料檢測技術和方法為出發點，為抓斗起重機提供準確的物料抓取或投放位置，提高抓斗起重機的智能化水平，對自動運行起重機提供技術基礎。

1 物料檢測

生產企業習慣將最終產品之外的、在生產領域流轉的各種材料、燃料、零部件、半成品、外協件以及生產過程中必然產生的邊角余料、廢料以及各種廢物統稱為物料。本文所述起重機抓取的物料包括砂巖、鐵礦、頁巖粘土、石灰石、原煤、石膏、雙摻石灰石、混合材料等水泥行業的生產材料，玉米、小麥、稻谷等糧食類材料，散秸稈、打包秸稈、垃圾等環保發電行業的燃料，灰渣、煤礦、固體廢棄物、工業危廢、餐廚等廢料，紙料、鋼料等各種物料。

物料檢測是對起重機要抓取的物料外形、輪廓、擺放狀態、堆積狀態等進行檢測識別，進一步判斷物料是否達到起重機抓取、放置的既定設計及起重機抓取、放置后物料的物態變化情況。物料檢測設備通常有2D檢測設備、3D檢測設備、圖像檢測識別設備等，用于采集現場物料分布數據。

2 抓斗起重機

抓斗起重機是一種用于搬運重物或散料在短距離水平移動的搬運設備，常用于裝卸糧食、垃圾、灰渣或煤礦等散料，在各種貨運碼頭、車站貨場或礦山等環境下廣泛使用。抓斗起重機一般由橋架、大車、小車和抓斗等組成。當抓斗起重機開始工作時，通過大車的橫向運行和小車的縱向運行，將抓斗起重機處于待抓取的物料正上方，此時抓斗張開并逐漸下降插入到物料堆中，然后抓斗開始閉合抓取物料，待抓斗完全閉合后，抓斗開始上升直到達到預定高度，再通過調整大車和小車的位置，將抓斗移動至卸載地點的正上方，此時控制抓斗開啟，將物料卸放。

3 控制系統

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統主要包括物料檢測元件、物料信息處理模塊及工控機。其中，物料檢測元件用于采集現場物料分布數據，并將現場物料分布數據發送到工控機，現場物料分布數據包括現場物料堆放高度信息和/或現場物料圖像處理數據；物料信息處理模塊用于處理物料檢測元件上傳到工控機的現場物料分布數據，并根據現場物料分布數據生成相應的操作指令，物料信息處理模塊設置在工控機上；工控機用于發送操作指令到抓斗起重機，以供抓斗起重機執行相應的抓取或投放物料的操作。

通過工控機向抓斗起重機上的可編程邏輯控制器PLC發送相應的操作指令，可實現對抓斗起重機的起升裝置、抓斗開閉裝置、大車和小車等進行智能化控制。當抓斗起重機的抓斗對物料進行抓取或投放時，通過物料檢測元件上的傳感器和/或圖像采集設備，對物料堆放的高度和分布情況進行檢測，并將物料堆的分布數據上傳到工控機。此時，通過安裝在工控機上的物料信息處理模塊，對采集到的現場物料分布數據進行分析處理，并根據分析結果，得到抓斗下一次抓取或投放時的位置。當抓斗起重機對物料同一位置進行多次抓取后，導致物料堆中間呈凹陷兩端突出的形狀，此處若再次對凹陷處進行抓取，將會導致抓斗抓取效率低的問題。此時，通過物料檢測元件將現場物料的堆放高度分布數據上傳至工控機中的物料信息處理模塊，物料信息處理模塊分析物料的凹陷處不適用于下一次的抓取，并判斷得出物料的突出部分更適于下一次抓取。此時，物料信息處理模塊根據分析結果，生成相應的智能化操作指令，并通過工控機向抓斗起重機的PLC發送操作指令，PLC根據操作指令，控制大車和小車移動到指定抓取位置，并通過自動開閉抓斗，實現對物料進行抓取。同時，物料檢測元件將本次抓取后的現場物料堆放高度信息和/或現場物料圖像處理數據進行采集，并發送到工控機的物料信息處理模塊進行分析，用于下一次抓取工作。

控制系統還包括通訊裝置，用于在工控機和物料檢測元件之間進行數據傳輸，工控機通過通訊裝置連接物料檢測元件。通訊裝置可以是有線通訊，也可以是無線通訊。通訊裝置包括近端通訊裝置和遠端通訊裝置，近端通訊裝置設置在工控機一端，遠端通訊裝置設置在抓斗起重機一端，每一端的通訊裝置還設有交換機，用于數據之間的轉換和設備間的連接。物料檢測元件通過網絡接口接入到抓斗起重機端的交換機，并將采集到的現場物料分布數據通過兩端的交換機進行數據傳輸，以供物料信息處理模塊對現場物料分布數據進行分析處理。隨后，將得到的操作指令通過通訊裝置發送至抓斗起重機，從而實現抓斗起重機的智能化控制。

物料檢測元件包括2D設備和/或圖像識別設備，用于采集現場物料分布數據。物料檢測元件通過2D設備和/或圖像識別設備對現場物料分布數據進行采集，以供物料信息處理模塊分析得到抓斗起重機抓取或投放的物料位置。為了使物料分布數據采集更準確，可在抓斗起重機相應位置設置多個物料檢測元件，更好地獲取現場物料分布數據。

通過物料檢測元件采集到現場物料分布數據，以供物料信息處理模塊分析，從而得到更準確的抓斗起重機抓取和投放位置，提高了抓斗起重機的利用率。系統包括多個物料檢測元件，多個物料檢測元件分別設置在多個抓斗起重機上。

在大型貨運碼頭或貨場等工作場合，往往有多個抓斗起重機同時工作，故在多個抓斗起重機上個設置一個或多個物料檢測元件。通過工控機對多個抓斗起重機進行集中管控，每一個抓斗起重機上的物料檢測元件通過設置在本端的通訊裝置和工控機端的通訊裝置進行數據傳輸，并在工控機上還設置有顯示模塊，顯示模塊對工作場景下的每一個抓斗起重機分別進行編號，同時將每個抓斗起重機的現場物料堆放高度信息和/或現場物料圖像處理數據呈現給操作人員，可以讓工作人員了解目前的物料卸載或裝運情況以及抓斗起重機的工作情況。物料信息處理模塊同時對多個抓斗起重機的物料檢測元件上傳的現場物料分布數據進行處理，并將生成的操作指令通過PLC控制抓斗起重機執行。

通過在多個抓斗起重機上設置物料檢測元件，使抓斗起重機的智能化運行規模更大，使多個抓斗起重機同時操作更加方便，能夠更加可靠、準確地完成各種控制任務。

4 控制方法

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統的控制方法包括3個步驟：

步驟1：獲取抓斗起重機的現場物料分布數據，現場物料分布數據包括現場物料堆放高度信息和/或現場物料圖像處理數據；當抓斗起重機的抓斗對物料進行抓取或投放時，通過物料檢測元件上的傳感器和/或圖像采集設備，對物料堆放的高度以及分布情況進行檢測，并將物料堆的分布數據通過通訊裝置上傳到工控機。

步驟2：根據現場物料分布數據生成相應的操作指令；基于物料檢測的抓斗起重機控制系統通過安裝在工控機上的物料信息處理模塊，對采集到的現場物料堆放高度的分布數據進行分析處理，并根據分析結果得到抓斗下一次抓取或投放時的位置，同時生成相應的操作指令。

步驟3：發送操作指令到抓斗起重機，以供抓斗起重機執行相應的抓取或投放物料的操作，并通過運用PLC實現對抓斗起重機執行相應的操作指令。

通過檢測現場物料的分布狀態，從而識別現場物料的堆放高度位置信息，并通過工控機上設置的物料信息處理模塊分析現場物料分布數據，為抓斗起重機提供準確的物料抓取或投放位置，使得抓斗起重機利用率更高，提高了抓斗起重機智能化運行水平。

5 應用情況

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統及方法已在多個起重機項目、多個應用場景中進行了應用，應用狀態穩定，物料檢測效果良好，為抓斗起重機提供了準確的物料抓取或投放位置，使抓斗起重機利用率更高，提高了抓斗起重機智能化運行水平，為起重機的自動化、智能化運行提供了有利條件，同時，推進了全廠自動化、智能化進程，受到業主的廣泛好評。

本文所述基于物料檢測的抓斗起重機控制系統及方法，不局限于新設計起重機項目使用，在役起重機項目同樣可以通過升級改造投入使用，同時，本文未描述的其他起重機或設備，同樣可以參考本文的方法投入工程實踐，為自動化、智能化技術添磚加瓦。

6 結束語

基于物料檢測的抓斗起重機控制系統及方法，開展了物料檢測技術在起重機行業的應用，尤其具體到散物料料位檢測，通過高精度物料檢測元件檢測出現場物料分布數據，準確提取現場物料堆放高度信息和/或現場物料圖像處理數據，為起重機的抓取或投放物料操作提供了技術依據，提高了起重機的自動化、智能化水平，同時，基于物料檢測的抓斗起重機控制系統及方法已申報國家發明專利，對知識產權進行保護。