斗轮堆取料机设备常用位置检测方式设计与研究

孙波

（泰富重装集团有限公司研究院，湖南 湘潭 411201）

斗轮堆取料机设备常用位置检测方式设计与研究

孙波

（泰富重装集团有限公司研究院，湖南 湘潭 411201）

介绍了斗轮堆取料机设备常用位置检测方式，比较几种方式的优缺点，分析在不同的应用场合条件下如何进行选择使用，可为其设计选型提供参考。

斗轮堆取料机；位置检测；设计

0 引言

传感器检测技术在斗轮堆取料机等移动设备中有着举足轻重的地位，传感器检测并提供给斗轮堆取料机进行数据处理和运行指示所必需的原始位置信息，很大程度上影响和决定着斗轮堆取料机设备的整体性能。

1 斗轮堆取料机设备位置检测的主要种类

限位位置检测装置，主要有：左、右回转限位，悬臂俯仰上升、下降限位，变尾车俯仰上升、下降限位（变尾车斗轮堆取料机），行走前进、后退限位，三通料斗堆料位、取料位等各动作机构的动作限位；

角度检测装置，主要是回转角度检测装置、俯仰角度检测装置、司机室水平角度检测装置；直线距离位置检测装置，主要有大车走行距离位置的检测；料位料高检测，主要是检测悬臂机构落料点到料堆之间的距离；电机速度检测，主要是通过检测电机的运行速度来实现闭环控制，尤其是在对于电机速度要求精密控制的场合。

2 斗轮堆取料机设备位置检测的主要方式

电缆滑线导轨由轨道、携缆台车、扁平软电缆及悬吊、固定配件组成。该产品以其完备的性能广泛地应用于烟草机械、铁路货场、港口等一切移动式行车的输电系统中。它虽然结构简单，但只适合少量电缆间的连接，运行距离要求不能太远。在斗轮堆取料设备上作为短距离的供电与通讯措施，或单独某个活动部件的电缆连接措施。

2.1 限位开关、行程开关与接近开关

限位开关与接近开关是常用的检测元件，它们之间的区别在于采用接触与非接触工作方式。

限位开关一般又称行程开关，主要用于机械设备的行程及限位保护的控制。在实际控制应用中，将限位开关预先安装在需要的位置点，再在设备运行中让运动机构上的撞块撞击限位开关，通过机械作用力的作用使限位开关内部的微动开关动作，它的工作原理类似按钮动作，是一种间歇式的绝对位置定位方式。限位开关作为一种有触点开关，其主要适合单方向位置检测，寿命相对较短。

接近开关是一种利用电场或磁场变化引起触点的动作和复位的检测开关，它是一种无触点开关，使用寿命相对较长，适用于“通过信号”。

总的来说限位开关与行程开关的选择原则是：在单方向位置检测时用行程开关，双向或多向位置检测时候用接近开关；在用作保护功能时用行程开关，比如极限位置，在需要检测物体通过某个位置时用接近开关，比如各停止位；行程开关由于有触发摆杆，因此检测物件的位置、角度需确定好，接近开关只需调整好感应距离就可以了，但无论哪种开关其支架应该设计成可调式（因为开关本身只能微调）；行程开关一般是1常开1常闭触点，一般只使用1对，所以2根线即可，接近开关一般有2线3线4线制，因此线要比行程开关多；行程开关是干接点形式，无需考虑其接口连接对象，接近开关因为其输出接口有PNP与NPN，其连接要选择与之一致的相连设备，如PLC接口是PNP还是NPN，否则将无法驱动连接对象。

在斗轮堆取料机上的应用：

1）限位位置检测。主要对各机构的限位位置与特定位置进行检测。

2）俯仰角度位置检测-码盘检测法。制作专用的检测码盘来检测如俯仰角度等信息，根据检测码盘的精确度可以将其做成一种较为精确的角度检测；必须有PLC或专用的计数器来进行数据处理，另外因为其容易产生累计误差，也必须设置校正（零）位置接近开关。

3）回转角度位置检测-齿轮检测法（可以看作一种特定形式的码盘）。利用设备自带的齿轮，通过对其齿数进行计数来检测角度位置的变化，比如斗轮堆取料机，门式起重器的回转齿轮检测；必须有PLC或专用的计数器来进行数据处理，另外因为其容易产生累计误差，也必须设置校正（零）位置接近开关。

4）大车走行距离位置检测-直线位置检测法。通过在行走轮上安装检测轮（斗轮堆取料机的主动轮或从动轮），检测在行走过程产生的脉冲来检测出走行行走距离，必须有PLC或专用的计数器来进行数据处理，另外因为其容易产生累计误差，也必须设置校正（零）位置接近开关。

5）电机速度检测-低转速与低精度的电机转速检测。通过接近开关取一个特定的检测点/盘，通过检测点/盘与电机的同步运动来检测电机的转速；缺点精度低，基本是一圈一个或几个脉冲信号，如果电机转速较快，接近开关的反应速度将无法完整地检测出电机的运行信息。

优点：综合来说这类技术的优点是成本低，安装、维修更换简单方便，对维护人员要求不高；对于安装工艺基本无大的要求；应用面广泛，斗轮堆取料机上所有的位置检测场合其基本可以实现应用。

缺点：在使用过程中行程开关容易产生点蚀、磨损，使用寿命相对较短。接近开关的可靠性相对较差，易损坏失灵，而且容易受环境温度、电源波动、外界物体的电场磁场干扰等影响而产生误动作，甚至使控制系统逻辑紊乱。同时移动设备在运行过程中所带有的振动、抖动也经常导致其失灵或误动作。对于位置检测的精度相对较低，一般都是根据所设的检测点数量来实现精度检测，但检测点数量在一般情况下不可能设置太多；为了防止信号丢失与干扰产生的误差，在检测时需对特定的已知点进行位置校正，比如角度位置的0°、90°，直线位置的0 m、50 m，100 m等；一个开关对于所检测的位置信息不具备特点记忆功能，基本分不出特点的位置，只能检测到累计数，如需检测特定位置需设置特定位置检测开关。

2.2 编码器位置检测

编码器是一种机械检测技术与电子检测技术集合发展而来的精密检测仪器。其通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子脉冲信号或者数据串的电子信号。再将电子信号连接到控制系统中（比如PLC、计数器、变频器等），控制系统经过逻辑数学计算运行处理最终得到测量所需的数据。总的来说旋转编码器是一种相对定位的机械接触式的检测开关。根据编码器刻度方法与信号输出形式，一般分为增量式编码器与绝对式编码器。编码器一般应用于机械设备的角度检测、速度检测，以及距离位置的测量。

在斗轮堆取料机上的应用：

1）俯仰角度检测。在俯仰中心铰点位置，通过专门的检测连接装置（一般都是各个厂家自制的检测装置，其主要含俯仰同心检测盘、与编码器连接的检测盘、机械连接装置等），将俯仰位置的变化量通过编码器（一般采用绝对值型编码器）输送给PLC，让PLC通过计算变换成实际的俯仰角度或高度。因为机械传输机构的累计误差，一般设置校零点。

2）回转角度检测。在回转大齿圈上，通过专门的检测连接装置（一般都是各个厂家自制的检测装置，其主要含与编码器连接的检测盘、机械连接装置等），将回转位置的变化量通过编码器（一般采用绝对值型编码器）输送给PLC，让PLC通过计算变换成实际的回转角度。因为机械传输机构的累计误差，一般设置校零点。

3）大车走行距离位置检测。是在大车走行机构的车轮上安装专门的编码器检测码盘来连续检测行走位置的变化，原理是通过测量轴转动的圈数再乘以周长从而得到移动设备的位置变化。通过安装在大车走行机构车轮上的旋转编码器来检测行走位置的方法，是一种相对定位的接触工作方式。因为编码器测量位移技术的特点，其往往避免不了由于大车走行时频繁启停所导致的滑动累积误差和大车行走过程中车轮打滑的位移误差，实践应用证明这种误差程度也影响到其所提供的位置信息的精准性，在实际应用中还需要采用在每隔一个固定位置距离（如0 m、50 m、100 m等）校正一次，但如果追求校正的精确性，有时对校正的设置就过于密集，比如10 m设置一个，这样又变成了类似与行程开关或接近开关增量式位置检测，但其对位置的高分辨率是行程开关与接近开关无法实现的。

4）电机转速检测。通过与电机输出轴的连接，可以高效可靠地检测电机的旋转速度，而且可以提供多种接口与PLC、变频器等进行连接。

优点：技术成熟、测量范围广、应用较广，尤其是在角度测量与电机测速方面，另外与其他复杂测量方式比还具有成本低等特点。

缺点：增量式缺点是存在零点累计误差，抗干扰较差，易丢脉冲，掉电会丢失零点，开机应找零或参考位。绝对型旋转编码器的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点，而且不用连续计数，数据可靠性高，但由于绝对型旋转编码器是由一套精密机械完成位置计数，在使用中也存在易错码易损坏的缺陷。整体来说编码器还是易损坏，不耐高温，维护工作量大。

2.3 倾角检测

倾角传感器是一种用来测量相对于水平面产生倾角变化量的专用检测开关。其理论依据是牛顿第二定律，根据此原理在一个运动系统中当速度无法测量时，可以测量其加速度；所以当初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。其实倾角传感器是运用惯性原理的一种加速度传感器。一般可分为：单轴倾角传感器和双轴倾角传感器。

在斗轮堆取料机上的应用：在斗轮堆取料机中，主要是用来检测俯仰机构的角度变化与自调式司机室水平位置变化的检测，因为俯仰机构与司机室机构具有变化角度小（其角度变化范围一般是在-15°～+15°之间）、变化速度慢等特点，所以非常适合采用倾角传感器。

优点：其相对于编码器来说具有安装简单、维护方便等特点，因为其安装无需借助其他传动机构，只需被检测机构在水平位置时，进行简单的固定安装。

缺点：检测角度范围有限，一般在-45°～+45°内，对于控制变化的速率有一定要求。

2.4 旋转变压器

旋转变压器本质是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微型电机。旋转变压器主要由由1个铁心、2个定子绕组和2个转子绕组组成，其原、副绕组分别放置在定子、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角成一定的数学函数关系。旋转变压器的位移传感器中线性可变差动变压器和旋转可变差动变压器传感器能够提供高稳定性、高可靠性的位置检测，其具有无限分辨率、多通道输出匹配的独特功能。

在斗轮堆取料机上的应用：旋转变压器主要是用于斗轮堆取料机的角度位置变化检测。

优点：技术成熟稳定，价格便宜。

缺点：需要设计专门的转换电路才能够与PLC等控制系统连接。

2.5 激光与红外测距

激光与红外测距的检测原理是：在光速固定不变的前提下，利用激光传输时间来测量距离，即通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，它是一种连续的非接触式位置检测。

在斗轮堆取料机上的应用：主要是用在走行距离位置的检测，以及同轨道设备之间的防碰撞保护。

优点：测量精度高，一般可以到厘米甚至毫米级的分辨率，安装方便简单，在保证直线性的前提下，只要在直线传输的中间不存在干扰物体就可以。

缺点：价格相对较贵，所测距相对较短，对环境尤其是空气质量有一定要求，不能够屏蔽传输通道上的干扰物，需要经常对设备进行维护（外罩）。

2.6 格雷母线

格雷母线是利用电磁感应原理和格雷编码原理来进行位置检测的技术，它是一种连续的非接触式绝对位置检测方式。其通过安装在斗轮堆取料机上的感应天线箱与沿轨道方向安装的格雷母线之间的相互电磁感应来检测斗轮堆取料机及感应天线箱在格雷母线长度方向上的位置。

在斗轮堆取料机上的应用：走行距离位置检测。

优点：由于感应天线箱与格雷母线之间是靠电磁感应来工作的，而电磁波可以穿过任何非金属物体，能在高温、高湿、强粉尘、多干扰物的环境下稳定可靠运行，基本不受天气环境影响，具有全天候工作特性，在露天环境中具有较为突出的使用优势。感应天线箱与格雷母线之间工作距离范围在30～300 mm，其抗电气干扰能力强，宽容度比较大，可以用于直线或环形以及其他不规则位移的位置检测，定位精度可以达到5 mm，输出频率20 ms；格雷码地址稳定可靠，无重码误码现象，系统基本不受电气环境的影响。其非接触式工作方式没有任何磨损存在，所以使用寿命也极长。不怕斗轮堆取料机在走行过程中的振动和抖动问题，使用中一般不会发生丢失地址现象。

缺点：造价较贵，系统复杂，对维护人员的专业技术水平有较高要求。

2.7 料位料高检测

在斗轮堆取料机应用中料位料高检测主要是采用超声波料位计与雷达料位计两种方式；超声波和雷达因为其测量原理的不同，所以其应用场合有一定的区别。雷达波是一种电磁波，不需要传播媒介，与被测物质的介电常数有关；而超声波是一种机械波，需要传播媒介，与被测物质的密度有关。对于它们的使用选择，被测物体介质方面，对于介电常数很低的物质，雷达的测量效果一般很差，所以固体物质一般用超声波，但对于机械波有吸收的物体，却只能够选择雷达；被测物体压力方面，超声波是通过压电物质的振动来发射的，所以它不可能用在压力较高或负压的场合，一般只用在常压场合，而雷达可以用在高压场合；被测物体角度方面，雷达的发射角度比超声波大，在小容器或狭长容器中一般使用超声波而不推荐用非接触式雷达，实在需要用雷达时一般使用导波雷达；检测精度方面，雷达的精度一般比超声波高，对于高精度应用场合下要使用高精度雷达；价格方面，一般情况下在同量程环境下超声波比雷达低。

在斗轮堆取料机上的应用：主要是用在料位料高检测、皮带上的来料检测、喷淋系统水箱水位检测、液压系统油位检测等。根据被检测物体的不同特性选择不同的检测开关。

2.8 其他新型检测方式

除了以上应用较广的检测技术外，其他最新发展的检测技术主要有：1）数字式刻度编码位置检测系统，它是利用RFID无线射频识别技术来进行非接触式数据通信，从而达到识别目标，并进行数据交换的目的；2）电力线式现场总线定位技术，它是利用编码技术与总线技术来检测不同位置的检测技术；3）GPS定位技术，利用在斗轮堆取料机固定位置中心点、运动悬臂端点安装GPS定位装置，实现斗轮堆取料机在料场的定位；4）无线定位技术，利用在地面的多个无线发射基站，以及在斗轮堆取料机上的多个无线接收反馈基站，再根据一套定位数据模型，实现无线基站对斗轮堆取料机的精确定位。

3 结语

整体来看，斗轮机结合限位开关与接近开关的检测、大车位置定位技术、料高检测技术、斗轮机旋转角度、悬臂俯仰角度及悬臂臂长计算出斗轮准确位置，中控室采得斗轮机斗轮地址，动态显示散货堆场每台斗轮机在料线上的准确位置及工作状态，斗轮地址结合每条料线上进口的皮带秤或者每台斗轮机上的皮带秤，动态统计每台斗轮机在用户指定位置或者划定区域中堆/取料的准确数量，便于管理。另外结合盘煤仪、视频监控与自动控制技术可以实现斗轮堆取料机的无人化料场控制。

斗轮堆取料机位置检测方法众多，每种检测方式适用的场所不一样，每种检测方法有自己的优点和缺点，在设计选择的时候要综合多方面的因素来选择，本文可为斗轮堆取料机位置检测的设计和选型提供参考借鉴。

［1］李园园.斗轮机位置环优化系统的研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2012.

［2］任志刚，张亮.臂式斗轮堆取料机俯仰角度的检测装置［J］.起重运输机械，2014（5）：87-88.

［3］汪涛.无线网络技术导论［M］.北京：清华大学出版社，2014.

（编辑 立 明）

TH39

B

1002-2333（2015）04-0272-03

孙波（1980—），工程师，从事斗轮堆取料机电气控制系统研究工作。

2014-12-15