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散料场堆取料机防碰撞控制

作者:责任编辑 / 发布日期:2017-06-12 / 来源:冶金自动化
0 引言

  目前, 在我国大型冶金、工矿企业中, 大型矿石散货码头(主要指矿石、煤等)料场主要采用斗轮式堆取料机进行堆料和取料作业。原料(矿石)的大量需求造就了巨型堆场, 伴随数量众多的堆取料设备和操作人员来进行生产。随着矿石等原料成本的不断上涨, 有效降低人工成本、最大限度改善工作环境、稳定生产率、减少人工干预造成的减产就成为所有大型散货码头面临的共同课题。
  实现堆取料机无人自动作业可以应对这一课题, 其关键技术的难点是如何在无人操作的环境下, 使堆取料机全自动运行, 并确保安全生产, 既不会与协同作业的相邻堆取料机或料堆发生碰撞, 又能以较高的作业效率稳定单位生产能力。
堆取料机无人化控制系统目前有两种模式:
  (1)半自动模式, 堆取料机驾驶室内不设操作人员, 由中央控制室操作人员远程手动和半自动控制堆取料机;(2)全自动模式, 堆取料机驾驶室不设操作人员, 由中央控制室操作人员通过操作终端对某台堆取料机下发堆料或取料指令, 堆取料机自动行进到作业料堆, 进行整个过程的自动堆取料作业, 期间中央控制室操作人员无需进行全程操作控制, 但可以通过监控终端和视频终端实时监视现场作业情况, 必要时可以通过位于中央控制室的操作台对堆取料作业进行手动干预和作业调整, 这种全自动模式目前只有国外一家厂商可以提供。
  在宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司马迹山港二期料场扩建工程中, 用户提出了自主集成实现堆取料机无人化控制的要求, 即对二期料场扩建工程中的4台堆取料机和一期料场工程中的两台堆取料机实现全自动模式的无人化控制。当时国内尚没有散货料场实现全自动模式的堆取料机无人化控制, 在没有任何技术经验可以借鉴的情况下, 上海宝信软件股份有限公司联合宝钢分公司运输部, 结合以往料场实际生产经验, 运用当代先进自动检测、自动控制、计算机和现代工业通信等技术, 设计并开发了料堆三维成像、料堆三维模型计算、堆取料机防碰撞控制系统以及自动堆取料专家系统, 最终实现了全自动模式的堆取料机无人化控制。

1 设计目标和范围

  堆取料机防碰撞控制是堆取料机无人化控制的关键技术之一, 其设计目标是实现在堆取料机机上无人驾驶, 在堆取料机接受中央控制室PLC下达的指令进行自动堆取料作业的过程中, 不会与正在作业的料堆、相邻料堆、相邻堆取料机、料场地面其他作业机械(如推扒机等)发生碰撞。每台堆取料机本体的防碰撞控制由以下几部分组成:现场检测设备(包括防碰撞限位开关、编码器、激光扫描仪、钢丝绳等)、堆取料机PLC、现场通信总线等。设置在中央控制室的中央控制室PLC与所有6台堆取料机PLC进行现场总线方式下的快速、可靠通信, 并总体协调控制6台堆取料机, 组成一套完整的防碰撞控制系统。

2 关键技术及实现

  马迹山港堆取料机无人化控制系统融合了多源传感器集成、激光扫描仪扫描数据实时采集转换、激光扫描仪扫描区域防碰撞保护、PLC高速通信、三维图像DEM计算、过程控制消息通信平台、软件计算控制等关键技术, 实现了散料场的堆取料机无人化控制。而堆取料机防碰撞控制则涉及了其中的激光扫描仪扫描区域防碰撞保护、PLC高速通信、PLC软件计算控制。
  由于堆取料机防碰撞控制直接关系到日常生产作业安全和堆取料的效率, 因此设计多台堆取料机无人化协同作业防碰撞控制策略时, 从多个角度出发, 制定出软硬件结合多级保护的完整解决方案。基于防碰撞控制的快速响应要求, 由基础自动化控制系统(L1)实现软件防碰撞和硬件防碰撞相结合的控制功能。
2.1 软件计算防碰撞
  软件防碰撞功能在中央控制室的PLC系统中实现, 主要是对多台堆取料机协同作业时可能发生的碰撞进行预报和控制。功能包括每台堆取料机坐标位置的采集和补正、多台堆取料机实时空间距离计算、多台堆取料机防碰撞预报和紧急措施指令发布。
2.1.1 堆取料机坐标位置采集与变换
  堆取料机坐标位置, 即堆取料机本体的走行、俯仰、回旋值数据, 由堆取料机PLC通过现场总线采集相应编码器的数据实时获取, 中央控制室PLC通过光缆和现场总线实时采集6台堆取料机PLC的坐标位置数据, 并根据计算公式进行变换。根据精确测量的每台堆取料机的外形尺寸数据,结合堆取料机实际的走行值, 可以计算堆取料机悬臂回转中心的坐标值, 再结合俯仰和回旋值, 计算斗轮前端的三维坐标值。
2.1.2 多台堆取料机空间距离计算

  堆取料机空间距离计算是对两台堆取料机斗轮前端三维绝对值坐标的距离DABS和两台堆取料机悬臂回转中心间的距离D-SR进行计算, 见图1。

堆取料机空间距离计算

以2, 3号堆取料机为例:

式中, Ln为堆取料机悬臂回转中心X坐标值;n为堆取料机数, n=1, 2, …, 6;L-R2 -R3为第2台和第3台堆取料机之间的料场宽度。

2.1.3 堆取料机防碰撞预报和紧急措施
  多台堆取料机的防碰撞预报, 是对上述两个堆取料机空间距离计算值进行实时监控, 其中任何一个计算值达到设定值, 都需要进行相应处理。根据生产作业的实际需要, 防碰撞报警距离设置两个级别, 第1级为“接近报警”, 发出报警而不停止作业;第2级为“紧停报警”, 发出报警并立即停止作业。
  第1级是基于DABS进行防碰撞预报。由中央控制室PLC实时计算DABS, 并与“接近报警”距离和“紧停报警”距离进行比较, 这两个报警触发时刻的作业距离根据现场实际情况由人工进行设定。当中央控制室PLC计算得到D-SR达到“接近报警”报警距离时, 发出“接近警报”, 并对堆取料机进行减速控制;当达到“紧停报警”距离时, 则进行“紧停报警”, 并立即停止堆取料机动作。
  第2级是对实际D-SR进行监控和报警。首先需要设置一个最小报警距离, 假设两台堆取料机在对同一料场的料堆协同作业, 并且两台堆取料机前端斗轮刚好发生碰撞, 将此时的D-SR作为理论最小距离, 设定的最小报警距离应略大于理论最小距离(具体数值由人工设定)。然后由中央控制室PLC对实际作业时的D-SR进行监控, 在D-SR接近最小报警距离时, 发出“接近警报”, 并对堆取料机进行减速控制;当达到最小报警距离时, 则进行“紧停报警”, 并立即停止堆取料机动作。
2.2 硬件防碰撞
  硬件防碰撞作为多台堆取料机接近时防碰撞的最后一道防线, 要求响应速度快、可靠性高, 我们采用由激光扫描仪和钢丝绳限位开关组成的硬件设计方案。
2.2.1 激光扫描仪
  激光扫描仪通过测量发射单点光束与物体反射光束的时间差得到被测物体之间的距离, 该值是一维或两维空间值, 但堆取料机的任何动作(走行、俯仰、回旋运动)都是在三维空间内进行的。因此我们利用激光扫描仪测量距离远、范围大, 测量数据实时性高、响应速度快等特性, 结合堆取料机走行、俯仰、回旋编码器采集到的堆取料机三维空间运动坐标数据, 将一维或两维空间距离转换到三维空间内, 使扫描仪形成一个运动的扇形扫描区域, 如图2所示。

激光防碰撞原理示意图

  激光扫描仪安装于堆取料机悬臂两侧, 形成防护区域, 对悬臂两侧障碍物进行探测, 安装的具体位置视现场情况而定, 一般而言需安装在悬臂最易与料堆发生碰撞的部分。给每台激光扫描仪分别接电源线提供电源, 信号线负责传送开关信号, 参数设置线用于设置激光扫描仪参数。为更好地满足堆取料机防碰撞要求, 同时又能给悬臂最大的运动空间, 我们为堆取料机设定了两级防护区域。第1级是减速区域, 当堆取料机运动过程中悬臂与料堆相距较近时, 堆取料机机构的运动速度要自动降低, 以慢速运动;第2级是紧停区域, 当堆取料机运动过程中悬臂与料堆相距很近时, 堆取料机机构的运动必须马上停止。进入紧停区域前, 堆取料机机构已进入减速区域,机构运动速度已经很低, 运动惯性很小, 能真正做到马上停止。
  利用工具软件对激光扫描仪设定上述两级防护区域, 需要在堆取料机运动的同时完成。具体过程是安装有参数设置软件的电脑通过串口通信方式连接激光扫描仪, 指挥堆取机悬臂向料堆方向靠近, 通过界面程序实时观察在激光扫描区域内激光扫描仪与料堆之间的相对距离。当悬臂与料堆相距较近时, 设置以激光扫描仪为中心到料堆之间的范围为减速区域;悬臂继续向靠近料堆方向运行, 当两者相距很近时, 设置以激光扫描仪为中心到料堆之间范围为紧停区域。二级区域参数设置完毕后, 下载参数到激光扫描仪。区域设置如图3所示。

防碰撞区域设置示意图

  激光扫描仪有两路输出信号, 分别输出两个防护区域(减速区域与紧停区域)的信号。当其防护区域内无物体时输出0 V电压信号, 当有物体进入防护区域时, 输出24 V电压信号, 电压信号直接进入堆取料机PLC输入模块中。堆取料悬臂机构动作过程中, 当悬臂接近料堆并且料堆进入激光扫描仪减速区域时, 激光扫描仪一路代表减速区域的继电器输出24 V电压信号, 并直接进入堆取料机PLC输入模块, PLC收到此信号后, 马上自动降低机构运动的速度, 保证堆取料机机构在低速下运行。当料堆进入激光扫描仪紧停区域时,激光扫描仪一路代表紧停区域的继电器输出24 V电压信号, 并直接进入堆取料机PLC输入模块,PLC收到此信号后, 马上发出停止运动指令, 控制堆取料机机构停止动作。
2.2.2 钢丝绳限位开关
  钢丝绳限位开关是最后的保护执行机构, 位于堆取料机悬臂的两侧。堆取料机运动过程中,如果外围保护钢丝绳触碰到了料堆、相邻堆取料机、料场地面其他作业机械时, 堆取料机PLC收到钢丝绳限位开关发出的限位触发信号, 就会立即采取紧急措施停止堆取料机动作。
2.3 数据的修正和同步
  堆取料机PLC提供的堆取料机位置坐标数据是否准确, 直接关系到软件计算防碰撞控制实施的准确性。为满足对于精确位置坐标测算的需要, 防碰撞控制系统相应地增加了一定数量的限位开关, 安装在堆取料机走行轨道的两侧, 用以修正堆取料机的走行位置数据。
  数据的同步主要是指堆取料机PLC与中央控制室PLC系统数据的同步, 以及L2系统与L1 系统的数据同步。整个系统中, 实时激光扫描数据采集占用了大量的网络带宽, 为了提高数据有效性, 对其进行了有效的优化, 剔除大量的重复数据。堆取料机PLC和中央控制室PLC在设计接口时, 也充分考虑了接口数据的标准化和执行效率,同时结合相应的硬件型号进行了大量的数据负载测试。PLC控制软件通信模块和收发包信息的长度也同时兼顾了通信效率和准确性。

3 结束语

  随着现代网络和计算机技术的不断发展, 各种自动控制技术正在渗透到不同的行业中去, 在一些先进的自动控制领域中需要综合运用各种控制技术, 以便最优地实现工艺控制的需求。
  宝钢马迹山港二期散料场堆取料机无人化控制系统, 自2008 年投运以来, 性能稳定、安全可靠, 起到了节约人工成本、减少运输安全事故、改善劳动环境、降低劳动强度的作用, 在散货料场实现堆取料机无人化控制中, 堆取料机的协同工作与防碰撞尤为重要, 采用软件防碰撞计算、激光扫描防碰撞等技术使得堆取料机的运行安全得到了很好的保障。
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