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1、斗轮堆取料机智能控制系统研究 陈泽 沈振军 上海大学精密仪器及机械 摘 要： 本文主要介绍了一种新型的斗轮堆取料机智能控制系统。该系统利用中央控制室的软件系统, 通过对作业任务以及堆取料机上各类传感器返回的数据处理, 形成相关控制指令, 系统下发指令并对斗轮堆取料机进行控制, 使其完成自动堆取料作业。涉及的研究内容包括:料场图像的处理与料堆模型的三维重建;斗轮堆取料机智能控制系统的结构设计;斗轮堆取料机智能控制系统的功能设计, 如堆取料工艺流程、流量控制策略等。关键词： 斗轮堆取料机; 控制; 智能; 设计; 作者简介：陈泽, 男, 在读研究生。工作单位:上海大学精密仪器及机械。作者简介：沈振
2、军, 上海大学精密仪器及机械 (上海 200072) 。收稿日期：2017-06-19Research on IntelliG ent Control System of Bucket-wheel Stacker and ReclaimerChen Ze Shen Zhenjun Received： 2017-06-190 引言斗轮堆取料机是一种世界通用的大型、连续、高效的散料装卸机械, 作为一种能够高效连续装卸散料的机械设备, 它凭借其工作连续、生产效率高、能耗低寿命长、操作简便自动化水平高的优势成为了散料处理的重要设备, 并广泛应用于港口、发电、冶金等行业。斗轮堆取料机有堆料和取料两种作业
3、方式。堆料由带式输送机运来的散料经尾车卸至臂架上的带式输送机, 从臂架前端抛卸至料场。取料是通过臂架回转和斗轮旋转连续实现的。物料经卸料板卸至反向运行的臂架带式输送机上, 再经机器中心处下面的漏斗卸至料场带式输送机运走。1 系统定义及控制功能介绍1.1 斗轮堆取料机智能控制的定义斗轮堆取料机智能控制是指在中央控制室的软件系统, 通过对作业任务以及堆取料机上各类传感器返回的数据处理, 形成相关控制指令, 系统下发指令并对斗轮堆取料机进行控制, 使其完成自动堆取料作业。它主要包含两个方面的内容, 即堆料作业自动化和取料作业自动化。1.2 计算机视觉控制系统的构成与功能系统的构成模块包括:(1) 料
4、场光图像处理模块, 包括图像获取, 预处理, 轮廓提取, 料场信息的三维重建等。(2) 中央智能控制系统。用户工厂管理级工作站以工业控制计算机 IPC (简称工控机) 为核心, 辅助以可编程控制器 PLC, 将现场总线技术、现场传感器、计算机通信和管理技术、故障诊断技术引入到斗轮堆取料机的控制系统中, 还可以连接设备制造厂远程服务器等自动监控和信息集成系统。(3) 远程监视系统。(4) 通信系统。该斗轮堆取料机智能控制系统的功能和上一节所述基本相同。但是在实际用户工厂应用场景中, 还需要提供安全策略、流量控制、故障自检等功能。所以该系统控制功能主要包括:(1) 运用计算机视觉技术 (结构光条法
5、) 进行料堆三维信息的获取和料场三维模型的重建。(2) 通过模型算法进行斗轮堆取料机作业场景模型的建立。(3) 通过工业控制计算机 IPC 为核心, 辅以 PLC 等其他控制与通信系统的集成智能化控制系统, 实现斗轮堆取料机智能堆取料作业过程。(4) 堆取料流量控制。(5) 安全策略。如防止料堆过高安全策略, 防碰撞策略。(6) 堆取料机与料场料堆实时工况的远程监视。(7) 故障的自动检测和处理等。系统功能示意图见图 1。2 斗轮堆取料机智能控制系统的设计2.1 自动化堆取料(1) 自动化取料生成整个料场的三维图后, 可以确定每个料堆在料场中的起始位置、终止位置、高度、宽度、外部形状及各料层重
6、要位置等信息。从而在取料过程中, 确定每层取料料堆的边界, 为确定每次悬臂回转取料到达料堆边界时的回转角度提供依据。图 1 斗轮堆取料机智能控制系统功能示意图 下载原图(2) 自动化堆料在自动化堆料过程中, 堆取料机的每个后续动作都依赖于检测料堆高度的测量仪器, 即当检测到料堆到达预定高度后, 堆取料机方可进行下一步动作。检测料堆高度的方式包括料位计, 可以结合传感器如超声波传感器提高测量精度和可靠性。自动堆料效果图如图 2。图 2 自动堆料效果图 下载原图2.2 料堆形状模型计算图 3 料堆分层示意图 下载原图采用测量模型, 对规则形状的料堆做边界计算, 进行取料旋回角度范围控制, 操作人员
7、也可在画面上修正取料旋回角度范围, 取料切入、换层等动作也可由手工远程操作。2.3 料堆三维模型运用结构光法进行料场料堆图像获取的时候, 我们获得的其实是料堆的每一点的高度信息, 采集在料堆高度数据库中。通过料堆动态扫描三维成像可以得到某一刻的料堆高度矩阵信息, 运用模型算法计算料堆三维信息后, 再进行三维重建得到料堆三维模型。如图 4。图 4 料堆激光扫描图 下载原图进而, 生成整个料场的三维图, 确定每个料堆在料场中的起始位置、终止位置、高度、宽度、外部形状及各料层重要位置等信息。从而在取料过程中, 确定每层取料料堆的边界, 为确定每次悬臂回转取料到达料堆边界时的回转角度提供依据。2.4
8、等量取料与取料流量控制在本系统中, 斗轮堆取了料机取料工艺基本采用分层取料的工艺。为了适应全自动作业的要求, 有效的发挥只能控制系统的功能, 建立了斗轮堆取料机自动取料运动规划, 即等量取料方式。采用等量取料方式, 可以提高斗轮堆取料机的作业能力和工作可靠性, 可以减少斗轮堆取料机取料作业时的冲击振动, 提高其使用寿命。当斗轮堆取料机堆成规则料堆后, 假如料堆完全标准化, 则取料作业可以开环方式进行控制。不均匀物流会对斗轮、带式输送机和臂架产生冲击, 在取料过程中应使物流尽量稳定。但由于取料工艺的限制, 斗轮在悬臂边界做回转变向及变幅角变化时, 物料流不可避免地会减少, 甚至达到零, 故匀速旋
9、转完全连续取料是不可能实现的, 而只能在料堆内的中部获得等量取料。由于旋转分层取料工艺在同一高度上的两次取料形成的两个环形为平移关系, 造成不同回转角下的纵向取料深度以一定函数关系单调变化, 并且回转角越大, 纵向取料深度越小, 故需规划回转角速度已实现等量取料, 并且在取料高度变化时, 以当前的取料高度确定变幅角变化值。切屑深度 (纵向取料深度) 是一个铲斗工作时挖取下来的物料切屑在沿铲斗运动轨迹的法线方向量得的深度。斗轮堆取料机挖掘切屑深度是斗轮旋转角 和斗轮臂架回转摆角 的函数。分别对手动取料、自动取料模式下皮带流量与回转速度研究。经过大量的数据采集和分析, 找出回转速度和取料流量的对应
10、函数关系式。因为即使同一个系统在不同场合应用时这个函数关系变化也很大, 本文只给出一组实验图示意 (如图 5) 。图 5 取料流量与回转角度关系 下载原图只要测定出其中任一时刻悬臂的回转角度, 就可确定悬臂作业的回转速度 v, 通过控制 v 即可实现等量取料。2.5 安全策略斗轮堆取料机智能控制系统应当对于作业现场的安全状况设计安全策略。具体包括:(1) 自动堆料堆过高安全策略;(2) 自动取料闷斗安全策略;(3) 堆取料机相互之间防碰撞策略;(4) 堆取料机和料堆之间防碰撞策略等。3 结论本文研究内容是运用计算机视觉技术进行斗轮堆取料机的自动化堆取料作业。笔者首先研究了斗轮堆取料机在国内几十
11、年发展过程中控制系统技术的发展。接着详细介绍了运用结构光法进行料场料堆的三维信息重建、利用结构光法结合近些年应用广泛的以工控机 (IPC) 为核心的斗轮堆取料机控制系统, 进行自动化堆取料作业的控制流程。希望能给想要了解斗轮堆取料机计算机视觉控制的读者提供到帮助。参考文献1王清和, 迟继锋.圆形料场系统在煤炭储运行业的应用与推广J.西北煤炭, 2007 (03) :2124. 2顾卫东.斗轮堆取料机在块矿取料作业中的应用研究J.南钢科技与管理, 2007 (03) :811. 3刘喜国, 孟令野, 张大东.输煤斗轮堆取料机程控系统改造J.吉林电力, 2006 (05) :1215. 4李洪,
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