基于多目标优化的堆取料机作业控制系统设计及应用

史可心+胡建军

【摘 要】随着近年来我国科学技术的不断进步，自控理论等高科技产业也快速发展，臂式斗轮堆取料机控制系统也日渐完善。为了使控制系统更具稳定性，安全性，设备的操作和维护自然就会有更高的要求，本文笔者在介绍了堆取料机作业控制要求。及系统功能的基础上，。主要探讨了堆取料机作业控制系统设计优化方法。

【关键词】臂式斗轮堆取料机；控制系统。控制要求；优化方法

1.堆取料机作业控制系统要求

通过对堆取料作业特性的分析，结合现场工艺需求，确定。了堆取料机作业优化与控制要求，分别如下所述：

1.1对堆取料机作业进行优化设计，减少设备运行成本和维修成本。

1.2通过确定最优堆取料模式，实现自动堆取料。

1.3实现料场图自动绘制，建立堆取料报警机制，同时实时监控料场作业情况。根据述作业优化与控制要求，需要建立堆取料机作业优化模型和优化算法，设计堆取料机作业控制系统对堆取料作业进行优化与控制，同时实现自动堆取料、料场图自动绘制、堆取料报警，以及料场实时监控等功能。

2.堆取料机作业控制系统功能

根据堆取料控制要求，应用本文提。出的优化方法建立堆取料机作业控制系统，共包含5大功能，分别如下：

2.1堆取料优化

通过将本文提出的堆取料机优化算法编写成堆取料优化模块，作为一个单独的功能模块嵌入在堆取料机作业控制系统。中。同时，控制系统与L。I～HL2层工业网络之间的数据是共享的，因此该程序所需的堆取作业计划、料场信息及堆取料机在料场中所在位置等数据，町从数据库中获得。程序运行结果也保存在服务器中，以指导料场作业。当系统下达作业指令时，管理员只需点击。“堆取料优化。”按鈕，就可以得到最适合本次作业的堆取料机编号。

除此之外，系统在堆取料过程中根据堆取料机的走行位置、作业料堆的边界地址与作业结束地址之间的距离来控制堆取料过程。如果已接近作业结束地址，系统会提示警示信息。目前。已完成作业量和剩余堆积地址，内可堆取的最大量都会在监控画面上显示。

这样，管理人员呵以直观地判断，目前剩余地址内是否能完成本次堆取料作业，如果满足，则在完成剩余作业量堆取之后提示作业结束；否则，管理人员通知堆取料机停止作业。当剩余在地面皮带的原料传送完毕时，自动结束本次堆取料作业，同时将备用地址作为新作业指令下发给对应堆取料机，重新开始作业。

2.2料场图绘制

现场原有的料场图绘制完全是人完成，不仅更新慢，而且精度低，因此，需采用自动绘制的料场图替代原先的手绘料场图基于堆取料机回转角度、俯仰角度、悬臂长度、出料。口高度、料堆的堆积半径等参数建立数学模型，采用讨算机绘图技术。自动生成料场图，为现场操作人员的决策制定提供详细信息。

2.3机械控制

收到包含作业货种、计划作业量的堆取料计划后，系统根据作业货种在基础信息库中查出对应堆比重、堆积角度信息确定堆积模式然后通过PLC控制堆取料机的悬臂回转、斗轮机构、物料流、俯仰机构、尾车、机电保护和大车行走等部件实现堆取料自动作业，该模块是堆取料机作业控制系统中不可缺少的部分。

2.4集中监控

系统选用WinCC在主控室上位机上开发流程监控系统，实现对整个堆取料作业的监视与控制。同时，在堆取料机上安装视频监控设备，然后将信号通过工业网络传送到主控室，以实时显示堆取料机作业时各机构的运动、料堆形状的变化以及物料流动的情况。

3.臂式斗轮堆取料机作业控制系统设计优化方法

3.1臂式斗轮堆取料机的硬件系统设计

臂式斗轮堆取料机的电气控制系统由电源部分、电动机控制中心（MCC）、变频调速系统、操作台、PLC。及触摸屏等组成。PLC。是系统的控制核心，采用。SIEMENS公司的S7300系列可编程序控制器，主机采用CPU315-2DP，提供一个。PROFIBUSDP接口。

变频器采用施耐德公司的ATV7。变频器。

软起动器采用西门子公司的3RW44。

变频器、人机界面等现场装置，通过独立的Profibus-DP接口直接连接到现场总线上PLC通过逻辑运算处理发出相应的数字信息，从而控制现场装置的工作运行。

3.2臂式斗轮堆取料机软件控制系统设计

根据控制系统的硬件，选择相应的编程软件对系统的控制流程进行开发。西门子专门为客户提供了程序开发软件STEP7，STE7是用于SIMATIC可编程序控制器的组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的组成部分。

3.2.1堆料程序控制任务。

在斗轮堆取料机堆料PLC控制程序中，断续回转+断续行走定点堆料是经常采用的一种工作方式。首先将大车行走到预定料场位置，启动堆料程序，给系统发出堆料作业信号并实现与系统胶带工况联锁。通过编码器和物位计的采样、传送、逻辑运算，做出判断进行悬臂回转和大车行走动作，实现斗轮堆取料机的堆料作业。

3.2.2取料程序控制任务。

在斗轮堆取料机取料PLC控制程序中，采用旋转分层不分段取料。首先将大车开至预定取料位置，当接到系统取料指令后，启动取料程序，斗轮在程序控制下顺序启动，通过编码器分别进行取料初始角和取料终止角的角度采集、传送和存贮，确定悬臂回转的取料范围，实现斗轮堆取料机的取料作业。

3.3臂式斗轮堆取料机软件控制系统的解决方案

3.3.1创建并编辑项目。

项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据被收集在一个项目下，包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据，以及为可编程序模板编制的程序。生成一个项目的主要任务就是为编程准备这些数据，数据在一个项目中以对象的形式存储。

3.3.2项目硬件组态。

通过STEP7编程软件对臂式斗轮堆取料机控制系统的硬件配置进行组态。在项目中插入相应的可编程序控制器的硬件结构。

3.3.3项目程序开发。

一旦完成了硬件组态，就可以为可编程模板生成软件，选择编程语言，完成程序逻辑STEP7。软件为客户提供多种编程语言，包括语句表，STL、梯形逻辑。LAD、功能块图FBD、SCL结构控制语言等等。本设计采用语句表、STL和梯形图LAD进行设计。

3.4臂式斗轮堆取料机软件控制系统的编程实例

斗轮堆取料机自动堆料程序，采用LAD梯形图编制。程序块中包含了堆料联锁工艺流程，只有满足各种工作条件，才能激活输出点，斗轮堆取料机各个机构才能互相配合顺序运行。

为了方便阅读和编程，通常要将。I/O.点进行定义，通过。Step.7。软件提供的符号编辑表就可以轻而易举地完成。I代表数字输入；Q代表数字输出；M代表中间变量；PIW代表输入字；PQW代表输出字。

4.结束语

本文在深入研究堆取料机作业控制系统功能上，重点探讨了臂式斗轮堆取料机的硬件、软件控制系统设计。并对臂式斗轮堆取料机软件控制系统的编程实例进行了深入分析，以其更好地指导企业优化管理，为解决堆取料机作业控制系统设计及应用问题提供。了有效帮助。

参考文献：

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