試析斗輪取料機無人化取料控制技術

邢臺國泰發電有限責任公司 劉英肖 趙承東 國網河北省電力有限公司邢臺供電分公司 岳宇飛

本文以某企業斗輪機無人化堆、取料控制系統改造項目為例。本工程對#1、#2煤場的1臺DQL800/1200·30型懸臂斗輪機（甲斗輪機）和#5、#6煤場的1臺DQ8030型懸臂斗輪機（丙斗輪機）控制系統進行改造。其中#1、#2煤場的甲斗輪機主要規范見表1。主要改造范圍為2臺斗輪機改造、調試和運行，遠程操作臺增設，數據交換系統的構建，同時還需實現遠程控制通信，并在斗輪機臂架加裝防碰檢測裝置，以及視頻監控系統。

表1 #1、#2煤場的甲斗輪機主要規范

1 斗輪無人化取料控制系統構成

斗輪無人化取料控制系統實際上屬于自動化取料系統，整個系統功能強大、結構復雜，為滿足遠程控制需求以及無人取料作業要求，無人取料控制系統需要具備以下四個基礎系統。

1.1 地面控制系統

地面控制系統主要用于實施遠程控制。此次項目改造過程中，在輸煤集控室新增了操作臺，并將其作為人工干預后備手段。通過在操作臺當中設置PLC 系統，實現操作臺、控制中心機柜與兩臺斗輪機之間的數據交換，進而達到遠程控制的目的。在設備實際運行的過程中，可由操作人員直接控制操作臺進行遠程作業，當出現突發情況時，也可一鍵急停，實現人工與自動化操作之間的無縫切換，降低對作業流程的影響。地面操作控制系統主要包括遠程控制操作臺、交換機、食品終端，以及工控主機。處于集控室的工作人員，需要根據遠程監控視頻信號實際情況，合理控制和操作系統。

在實際安裝調試地面控制系統的過程中，需要注意以下要點：一是控制中心機柜安裝應參照標準機柜要求，設置在輸煤集控室；二是中空主交換機需要提供百兆電口和百兆光口，同時預留擴展接口，加強對于產品質量、品質的把控；三是確保機柜和就地控制臺具備防塵、防水、防潮等功能，并且耐一定程度的振動，此外需選用304不銹鋼材料，鋼板厚度不小于2.5mm，機柜主體框架的鋼板厚度至少為3.5mm，以免形變；四是確保所有金屬構件與接地母線相連[1]。

1.2 定位系統

定位系統主要用于檢測材料位置，由于實際取料運輸的過程中，材料處于運動狀態之下，因此為確保定位準確，應在堆、取料機走行、回轉、俯仰機構處設置定位檢測系統。結合案例工程項目實際情況特點，回轉機構定位系統選用了編碼器方式，通過將其固定在斗輪堆、取料機走行輪等位置，使其能夠隨軌道運行，可進行數據采集，并將其實時傳送回控制系統。俯仰機構的定位系統選用的是傾角傳感器；斗輪機臂架前設置料高檢測儀；側面安裝雷達或超聲波，以免出現碰撞情況；斗輪機前后車擋設置激光感應器，防止碰撞。

1.3 軟件管理系統

軟件管理系統是斗輪取料機無人化取料控制技術應用的要點，借助智能一體化平臺，結合實際作業需求，構建全自動無人堆取操控系統軟件，以此達到自動作業的目的。對此，在實際構建軟件管理系統的過程中，應著重從以下兩個方面入手：一是將單機操作與自動操作平臺有機融合在一起，以便后續操作和維護管理，提高操作的便利性，實現數據信息的高效共享；二是結合實際操作需求以及操作習慣，優化設計界面布局、風格等，加大畫面功能開發力度，以便更好地實現人機交互。

軟件管理系統的設置需要滿足遠程人工以及自動控制要求，實現對于堆、取料機的全景式管理，實時采集設備狀態信號，并對故障問題進行報警。此外，還應具備數據的分類、存儲、查詢、處理，以及顯示等相關功能，確保能夠滿足實際作業需求。結合實際斗輪取料機無人化取料控制要求，軟件管理系統界面需要具備以下主要功能：一是顯示功能，主要包括登錄界面、主界面、堆、取料單機界面、通信狀態、報警界面等可供遠程操作的界面；二是查詢監測功能，可實時推動顯示報警信息，并進行數據查詢、調取，此外，還可將設備運行情況狀態以圖表的方式實時顯示出來，實現遠程監測；三是其他功能，軟件系統可實現對參數的設置和維護，操作人員可根據實際需求進行參數修改調整、初始化，控制各種設備、掃描儀，以及故障復位、顯示3D 存煤模型等[2]。

1.4 視頻監控系統

對于斗輪無人化取料控制而言，在實際操作時，多為遠程、自動控制，而在此過程中，視頻監控具有無可取代的作用和地位，對技術的應用效果有著直接影響。結合案例工程項目實際情況，為確保遠程控制系統的可靠性，需要根據整個取料流程情況，設置完善的視頻監控體系，擬采用至少8個定點高清網絡攝像機，以此確保操作人員能夠實時掌握、了解實際取料情況，以及設備的運行狀態，避免出現盲區，影響實際工作質量效率。

詳細攝像頭安裝位置及類型如下：球機（各1臺）。斗輪堆取料機輪斗處、斗輪堆取料機司機室前方、斗輪堆取料機配電室內；定點（各1臺）。斗輪堆取料機懸臂皮帶上方、斗輪堆取料機懸臂皮帶下方、斗輪堆取料機尾車皮帶上方、斗輪堆取料機落料筒處、斗輪堆取料機堆料分流擋板處、斗輪堆取料機電纜卷盤處。此外，還采用了硬盤錄像機作為視頻信號的存儲系統，通過無線通信裝置與地面控制室相連，實現視頻信號的實時傳輸。

2 斗輪無人化取料控制系統的應用

斗輪無人化取料控制系統的實際應用需要以取料作業流程為基礎，先由斗輪轉動挖取物料，然后由擋板運輸至懸臂皮帶，最后完成裝料。實際取料工藝主要包括以下幾種：一是平推取料，即分層不分段取料，需結合實際料垛高度，確定取料層數，通常17m 的料高可劃分為4層，整個取料過程包括回轉、行走和俯仰三個自由度；二是梯形取料，為分層分段取料方式，需先在料垛頂層確定固定的取料長度，然后換層取料，在確保料堆穩定的基礎上，確定好每層取料的程度，最終形成梯形料堆。兩種取料方式各有優缺點，前者換成次數少，實際操作效率較高，但同時也會使庫存緊張；后者則換成次數較多，實際工作效率偏低，但是能夠有效解決平推取料方式下庫存緊張的情況，便于堆場管理。在采用無人取料控制系統時，現場工作人員需要結合實際情況，合理選擇相應取料方式。結合取料操作流程，為更好地發揮無人化、自動化取料控制系統的作用，確保取料過程順利，需結合實際情況合理設計取料策略，科學應用取料流量控制器。

2.1 取料策略設計

斗輪無人化取料流程，需先進行激光掃描，獲得作業煤堆的三維模型，然后得到相應斗輪切入點坐標，自動對垛，最后自動取料。實際取料策略設計要點如下。

自動對垛策略設計。自動對垛是無人化取料系統的應用基礎，直接決定著取料質量和效率，因此，對于自動對垛策略的設計研究是十分重要的。結合無人取料實際工作情況，自動對垛詳細流程如下：開始-起始位置-行走至目標行走位置-俯仰至極限位置，啟動斗輪-回轉至目標回轉角度-俯仰至目標俯仰角度-步行回轉取料，直至斗輪碰到料堆停止-結束。需注意：一是結合實際取料需求，確定斗輪切入點；二是確定目標位置、回轉角度和俯仰角度；三是控制操作臺發出自動對坐指令，操作臺會控制設備自動抵達目標位置，并調整俯仰角度和回轉角度，直至斗輪與料堆相接觸，此時斗輪壓力指數會發生變化，提醒操作人員已經完成自動對垛。

第二，到邊換向策略設計。在實際用于無人化取料控制系統的過程中，由于取料時大臂會出現回轉操作，為更好地避免反向回轉風險，造成斗輪扎入料堆的情況，影響取料流程，甚至發生安全事故，需要合理展開到邊換向策略的設計。到邊換向策略設計過程中，需要將取料機行走位置、回轉角度，以及俯仰角度轉換為斗輪底部三維坐標，以便后續計算分析，具體坐標轉換公式如下：

式中，X1表示大機行走位置；L 表示懸臂長度；α 表示懸臂俯仰角；H1表示懸臂俯仰鉸點與斗輪中心的豎直距離；L1表示懸臂俯仰鉸點與回轉中心的水平距離；β 表示回轉角；Y1表示回轉中心在Y 軸上的坐標；H 表示懸臂俯仰鉸點高度；H2表示懸臂俯仰鉸點在Z 軸上的位置；R 表示斗輪半徑[3]。

在實際設計到邊換向策略時，結合斗輪底部Y 的位置，將其與每層料堆邊界Y 位置對比分析，以此確定自動回轉取料邊界相關信息，并通過雷達功能，實現邊界檢測，以此有效避免出現大臂反向回轉的情況，防止大臂突然反向回轉，以此確保實際取料流程的順暢性，保障取料作業安全、可靠。

塌垛處理策略設計。塌垛是實際取料過程中經常出現的問題，不僅會導致皮帶機過載，而且還會中止取料過程，影響實際作業。因此，如何處理塌垛問題始終是斗輪取料過程中重點研究的內容。基于無人化自動取料特點，為保障作業效率，實際操作過程中，大臂存在回轉過快的情況，而料堆本身較為松散，因此料堆坍塌事故屢見不鮮，斗輪當中的料會出現突然增多的情況，影響系統正常運行。對此，在運用無人化自動取料系統時，應重點設計塌垛處理策略。當斗輪當中突增較多煤料，表明發生了塌垛事故，需進入塌垛處理流程。

在此過程中，準確判斷塌垛情況尤為重要，其判斷流程如下：開始-正常取料過程中-斗輪在運行狀態10s，斗輪沒有旋轉或者回轉變頻器電流過高（如否，重復進行上一步）-自動模式下發生煤料坍塌-第一次產生坍塌的脈沖時，記錄當前設備的行走值、回轉值和俯仰值-停止行走/回轉/俯仰運動-結束。

此外，還應進行自動塌垛恢復設計，以此確保取料流程得以正常推進。塌垛恢復流程共包括以下幾個步驟：一是進行煤堆坍塌恢復初始化，若斗輪運行10s 后，并未出現旋轉或者回轉變頻器電流過高的情況，則推進下一流程。二是在俯仰角度與坍塌時俯仰角度之差在0.3°以內，且當前行走位置與坍塌時行走位置之間的差值不超過0.3m 時，可判定為塌垛恢復完成，可進入后續取料流程；若不滿足上述要求，需要將第一次坍塌時的行走之和俯仰值賦值給當前情況，并重新進行差值計算，直至符合要求。

2.2 取料流量控制器的應用

取料流量控制器是確保無人化取料控制系統運用質量效果的重要設備，在系統當中有著極大的作用。在實際設計流量控制器時，需先構建斗輪取料系統模型，以此確定取料時取料量與回轉角度等相關參數之間的關系，并采用PID 控制法以及便捷控制閥，實現對于速度控制器的有效設計，以此確保取料流量控制準確、合理。經計算分析，取料量與回轉速度之間的關系表達式如下：h=（60×60×ρ×v×H）/1000，式中：h 表示每噸每小時取料量；ρ 表示物料密度；v 表示以體積為單位的取料速度；H 表示取料高度。

根據上述分析可知，取料量與回轉速度之間并非單純的線性關系，為保障取料流量控制效果，對于非線性增量，在設計過程中，應設計前饋補償模塊。對此，需要以斗輪負載壓力和空載壓力之差作為控制系統的前置反饋量，并根據皮帶秤瞬時流量值校正，以此實現對取料流量的有效、穩定的控制[4]。