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悬臂式堆取料机无人化简介

王同辉    

2007年7月10日  

(未经著作权人和本站的书面许可不可转载和使用本稿件)

摘要:本文对无人操作的悬臂式堆取料机的概念和模式进行了介绍,并简单地介绍了无人化的前景。 
关键词:堆取料机、无人化、远程控制、全自动、三维扫描 
1. 概述 
      悬臂式堆取料机是一种用于散料场物料堆放和提取散料的大型轨道式移动设备,主要由斗轮装置、悬臂皮带机、上部钢结构、俯仰机构、回转装置、门座架、走行装置及尾车等组成,广泛应用于港口、电厂、钢厂和水泥厂,其操作方式分为手动、半自动和全自动。手动,即人工操作,是国内堆取料机最普遍采用的一种控制方式;半自动也是通过司机进行操作,但在料堆形状规则时可以设定端点和层高,可以实现自动作业,司机进行监控和必要的干预;全自动是指设备作为料场的一个运行单元不再独立,而是作为系统的动作部分参与流程,通俗地讲就是机上不再设操作人员,依靠设备自身识别料堆,通过程序控制,完成堆取作业,并具有一定地意外处理能力。 
2. 无人化 
  无人操作的悬臂式堆取料机上不设操作人员,依远程控制或自动控制完成堆取作。亦称料场无人化,简称无人化。 
  无人化作业可以大致分为两种:远程控制作业和全自动作业。远程控制作业,即操作人员在中控制进行控制作业,进行监控和干预,悬臂式堆取料机本身至少应具备半自动功能,如果仅仅是远程手动作业,料场无人化将失去意义,因为中控人员无法同时操控多台悬臂式堆取料机作业;全自动作业是较为高级的无人化,操作简单,人工干预量小,只须常规监视。 
3. 远程控制 
远程控制的目的: 
1) 操作监视的远程化及集中化; 
2) 减少操作人员和减小操作强度; 
3) 原料场的自动化; 
4) 作业环境的改善(远离粉尘环境)。 
    与传统的单一机上操作的悬臂式堆取料机相比较,兼备远程/自动化操作机能的悬臂式堆取料机在构成上主要有以下差异: 
1) 斗轮电流的准确同步反馈 
  取料作业的回转动作的端点的是以斗轮电流的大小来判定的,斗轮在满载情况下,斗轮电机电流在恒定值上下波动,当斗轮电流持续减小时,可以判定回转动作已至循环的端点,回转动作减速并停上,然后进尺并反向回转。在料堆塌方情况,由于斗轮处于过载状态,斗轮电流会陡然增加,通过回转动作的暂时停止,可自动处理塌方意外。塌方是悬臂式堆取料机作业过程中经常出现的。 
为了使斗轮载荷状态通过电机电流准确同步反馈,斗轮驱动装置不能采用液压传动。 
2) 电缆卷筒的功能差异 
  通讯电缆卷筒不仅仅作为通讯和连锁使用,同时作为信号通讯装置将设备控制信号传递至中控室。 
3) 自动检测装置的安装 
  包括回转、俯仰和走行位置编码器;斗轮头部超声波检测装置或2D扫描仪。 
4) 工业电视的安装 
在必要的部位须设多台摄像头,包括上部钢结构顶部、悬臂底部,斗轮侧面和物料转载部位等。 
5) 中控室监视和控制功能的强化 
      中央控制室的操作通过采用CRT操作方式,机械自动作业的条件可以自由的设定,自动和手动操作的模式可以随时转换。 
作业过程描述: 
1) 堆料 
  操作人员设定堆料位置,自动或手动起动堆取料机到达指定位置,通过料堆高度检测装置和设定的堆料程序进行堆料作业。由于堆料过程中设备与料堆是不按触的,所以堆料过程比较简单。 

  为实现自动取料作业,堆料过程不仅仅是料堆的形成过程,同时也是堆取料机对料堆的记忆过程。 
对于用于搬运目的的堆取料机,堆料方式通常有以下三种: 
a.走行定点一次堆料(cone shell) 
  悬臂梁仰角固定,定点堆料一次达到料堆高度,而后大车走行定值距离,继续沿斜坡堆料。这种堆料方法在料场初始堆料时,悬臂可低些,以免粉尘太大造成环境污染,随着料堆增高,悬臂逐渐上仰,当达到规定的料堆高度后,悬臂的仰角就可以固定了,靠慢速走行依次堆料。 

  走行定点一次堆料在英中称为“cone shell”,是用于搬运目的的堆取料机最为普遍采用的一种堆料方式,同时也用于混匀堆取料机,如刮板式取料机。 
  由于堆料过程便于记忆,是首选的堆料方式。 

b、走行定点分层堆料,即分堆定点布料。 
  分层分堆定点布料是将悬臂回转到选定的位置,并按料层高度选择俯仰角度。靠走行固定值一堆一堆地布料;布完第一层第一排后,将悬臂回转到第二排的位置,以此类推;第一层布完料后,将悬臂上仰一定的角度,进行第二层布料,如此循环最后形成比较规则的料堆。 

c、回转定点分层堆料,即靠悬臂回转分层分堆定点堆料。 
  悬臂回转分层分堆定点布料是将本机调至选定的位置,悬臂俯仰到一定的高度,靠悬臂回转进行第一排料堆布料;第一排料堆布完后,大车慢速走行固定值距离至第二排料堆布料位置,以此类推,第一层布完料后,将悬臂上仰一定的角度进行第二层布料,如此循环,直至形成最终的规则料堆。 

2) 取料 
  由于取料过程必须接触料堆,对料堆的认知特别重要,用于远程控制的堆取料机必须对料堆有一定的检测对位手段,否则单纯依靠操作人员人工对垛,会增加操作强度。 
  如果不是特殊针对性设计的堆取料机,取料方式只有一种,即进尺回转分层取料(如下图),走行取料是不允许的,因为设备的各机构和参数设计不匹配。 

  取料作业的第一步是对垛,即堆取料机将斗轮位置置于料堆的取料起始位置,堆取料机通过堆料过程的记忆可以和位于斗轮头部的超声波检测进行对垛,由于料堆塌方的缘故,人工干预是必可少的。如果在堆取料机悬臂上安装了2D扫描仪,则在作业开始时,可以在悬臂平行于轨道时,让堆取料机沿料堆长度进行走行扫描,获得料堆断面图,以此来进行对垛。 
然后按照设定层高进行回转取料,依靠堆料记忆和斗轮电流的变化判断料堆的回转端点。 
第三步在进尺到设定值后进行换层。 
  料场无人化采用远程控制模式方案简单易行,增加成本较少。尤其适合于旧堆取料机改造和堆取料机作业频率不高的场合,如钢厂、电厂。 
4.全自动作业 
  全自动作业是较高程度的无人化,设备本身对料场(包括料堆)和自身位置有认知能力,采用自动控制程序处理,完成自动堆取作业,并具备一定的意外处理能力,对设备的监控是轻松简单的。 
  全自动控制对整个堆场采用GPS定位,在悬臂梁前端和回转钢结构顶部(或塔架顶部)安装两个GPS接收点,对悬臂位置和整机位置进行定位。通安装在回转钢结构顶部(或塔架顶部)的3D扫描仪对料堆进行扫描,并利用GPS的料场定位形成料堆和设备的电子图表。 
  堆料采用通常采用的cone shell方式进行堆料。 
  取料作业首先通过即时扫描和程序对电子图表的解析,实现堆取料机自动寻堆寻址,以进尺回转模式完成取料作业,通过反馈斗轮电机电流进行进尺量校正和回转边界判断。 
  该模式下堆取料机可以准确行走对垛,并无间断地进行作业,作业效率高,设备造价高,适用作业频率较高的中转码头和新项目。                            

     无人化操作过程的设备的控制系统往往安装在中控室。在大型料场中可以通过计算机控制料场全部设备的工作状态,并可以观察到料场的通过扫描仪扫描的料堆的时时状态。无人化控制系统的关键技术是料场形状扫描的数据处理和设备相对与料场的位置关系的识别和执行。

    
系统组成: 
1) 料堆识别系统 
  据对当前发达国家料场自动化技术的了解来看,激光扫描三维图像识别技术为最成熟最理想的图像识别技术,因此,该系统采用激光扫描三维图像识别技术(如有其它更先进可靠的技术,经论证切实可行也可考虑,但必须达到要求) 
系统要求: 
扫描半径-----------------------------≥80m 
扫描误差-----------------------------﹤5cm 
扫描角度-----------------------------180° 
响应时间-----------------------------﹤20ms 
适应环境温度------------------------20~+50℃ 
防护等级-----------------------------IP67 
通讯协议-----------------------------以太或其它开放协议 
系统应不受天气,粉尘和物料种类等因素影响。 
激光扫描仪和三维图像识别分析软件(程序安装在独立的工控机里)是这一系统必不可少的软硬件。 
2) 工业电视系统 
  由于悬臂式堆取料机是无人化操作,本机设有完备的ITV系统,所有图像模拟信号均通过光纤传入中控室,中控室可控制机上所有摄像头的移动和伸缩,并可进行画面切换。机上转运落料点处,电缆卷筒和司机室等均设有大变焦,广角度带可调云台的彩色摄像头,操作人员在中控室通过设在司机室的摄像头进行监控操作 
3) 悬臂式堆取料机定位检测 
  悬臂式堆取料机回转,俯仰,走行位置检测采用GPS全球定位技术或传统的编码器检测技术,系统必须安全可靠,检测误差不大于5cm或0.1°。 
4) 斗轮力矩检测 
   悬臂式堆取料机可通过检测斗轮力矩或电机电流来确定斗轮吃料与否和吃料的深浅,从而调节俯仰角度,回转速度和走行进尺,确定回转端点。 
5) 通讯系统 
    悬臂式堆取料机和中控室通讯采用光纤以太网,本机为无人操作,因此通讯系统必须安全可靠,可考虑加一套无线以太网作为备用。 
6) 控制系统 
  控制系统由上位机,PLC,及其它控制装置与驱动设备组成。 
  自动控制模式描述: 
  悬臂式堆取料机堆料控制模式同远程控制相似,只是不需要进堆料记忆。下面重点介绍一下取料控制模式。 
由于悬臂式堆取料机的PLC程序和上位机组态控制软件都不具有三维图像分析功能,因此,扫描得到的料堆图像在料堆识别系统中分析处理,按照堆取料的工艺和逻辑关系分析图像,并将堆取料机堆料或取料所需到达的位置的三维坐标(走行位置,回转角度,俯仰角度)传送给堆取料机的控制系统。具体过程如下: 
  当要取某一料堆时,中控室将该料堆号传给料堆识别系统,系统分析该料堆的图像,确定大车的三维坐标,并将其传送给堆取料机的控制系统,料堆完整时斗轮应运行到的位置如图5所示; 
  料堆已取了一部分,但还没有达到取完第一层的长度(假设为十五米),料堆识别系统应根据图形分析出斗轮应运行到的位置如图6所示; 

  当要取的料堆第一层进尺已达到十五米(假定值),料堆识别系统应能判断出斗轮需运行位置如图7所示。 
  料堆识别系统还应将各个料堆沿大车走行方向起止点位置传给控制系统,用于上位机显示料堆模拟图形(如图8)。 

   由于作业时堆取料机斗轮部分与料堆叠在一起,很难进行实时的料堆扫描,因此控制系统需将堆取作业信号传给料堆识别系统,料堆识别系统根据作业范围确定该段料堆形状已改变,需重新扫描,并将尚未扫描的部分在图形上以不同颜色显示,并向控制系统发出扫描请求信号。 
  为了不影响生产效率,堆取料机一般不做专门的扫描运行,应在作业间隙或调车过程中自动完成扫描作业,可根据堆取料机状态判断是否可进行扫描作业,当悬臂回转角度小于±6°时,系统就可判断悬臂不在料堆上方,即可进行扫描作业。 
  料堆范围的确定:每个料堆的起止点按料场统一规划由控制系统将起止点传送给料堆识别系统,自动堆料时料堆识别系统即可按照规划好的范围设定堆料起止点,并将其三维坐标传送给控制系统。 
作业描述: 
  堆料时,按事先对料堆位置的编号,输入料堆编号号码,设备即可自动起动,到达预定编号料堆进行堆料作业。 
同样,只须输入指定取料料堆号码,设备自动起动,到达指定料堆,自对垛,自动作业。 
5.结束语 
  随着中国经济发展,工业化和城市化水平也越来越高,人工成本也会逐步增加,环保要求也越来越高。人们的工作环境也应向清洁环境转移,工作强度会逐渐变小,堆取料机无人化适应了这一变化,操作人员可以远离料场的粉尘环境,不必一刻不离地操作手柄,料场可以布置于避风良好场所,减少大风扬尘。 
  堆取料机无人化可以实现均匀稳定作业,减少设备维护维修量。 
  基于这一原因,在发达国家堆取料机无人化采用地较为普遍。在日本新日铁和一些电厂都采用了远程控制堆取料机。在德国,汉堡汉莎港是一个中转码头,三台2500t/h矿石堆取料机和两台1500t/h煤炭堆取料机,都采用全自动方式,仅在中控室设两名监控人员,对堆取料机和装卸船机进行监控。德国的一些电厂和鹿特丹港也是如此。 
  现在,无人化操作形式的悬臂式堆取料机逐渐被用户认同。国外的许多项目开始要求采用无人化操作。宝钢马迹山港二期工程的悬臂式斗轮堆取料机的操作采用无人化模式。 随着悬臂式堆取料机无人化在中国的应用和用户对无人化的逐步了解,会有更多的码头和电厂在旧设备改造和新设备选取上,将越来越倾向无人化。这一点,也可以在用户技术规格书中得到认证,用户往往在规格书中提出堆取料机“手动/自动”控制,由于以前对无人化的不了解,自动被人为解释为半自动,而当“全自动”的概念推广开来,用户接受一概念后,目前人工操作的悬臂式堆取料机将被无人料场所替代。 

参考文献 
1.Karl Heinz Walter and Steffen Ballmann,Unmanned operation of conveying 
equipment in the fortuna stockpile,Surface Mining 55(2003).No.4/2003 

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