料场刮板机无人化自动控制系统

王节亮 闻宇 王浩

大连华锐重工集团股份有限公司 辽宁大连 116 035

1 总体介绍

依托某无人化料场改造项目开展实施，范围为料场中4台半门式刮板取料机+2台23米移动卸料车、配料仓中的2台卸料车以及相关的12条皮带。

料场采用移动卸料车+半门式刮板取料机进行堆料和取料。堆料设备采用的是移动卸料车，取料设备采用的是半门式刮板取料机。该取料机门架为L型结构，轨道高低布置[1]。刮板机通过卷扬机构的钢丝绳实现上下旋转。门架坐在行走机构上。设备带动刮板机沿着轨道前后行走，将料堆的料取入出料皮带上运走，两边共15+16个仓位。

2 改造技术方案

2.1 刮板取料机本体改造方案

2.1.1 刮板机定位系统

采用格雷母线进行刮板取料机走行距离检测，检测精度可达到10mm。另外，根据编码电缆检测到的位置值，进行料格的判断。

2.1.2 大臂升降角度检测。

刮板机取料时俯仰机构倾斜角度直接决定了取料量和刮板电机负荷。通过编码器实现俯仰机构工作时倾斜角度的检测。

2.1.3 刮板机取料料流检测及防取料偏析

在刮板取料机原有料流检测的基础上在刮板下料口处安装2D激光扫描仪，在取料时用于实时检测取料料流，便于系统建立取料模型，控制取料料流[2]。

2.2 料场自动盘库功能

三维扫描系统，用于扫描堆、取料作业时料格内物料堆垛的变化，在作业过程及作业结束后扫描获取实时图像信号进行料堆三维图像采集、传输和存储，绘制3D料场模型，可打印上传，系统根据计算结果及3D模型，自动生成物料盘点报表并上传MES系统，实现料场盘库的数字化。

2.3 设备运维系统

监测设备关键数据，根据设备特点，建立故障预警模型，对可能产生的故障，在预定的情况下做出预警，提醒监控人员进行处理。

对料场各设备的运行状态进行实时监测，包括运行速度、电机的电流、电压、转矩及各元器件状态等。对数据进行采集，为这些数据的实时监测和分析整理留接口，此接口能和需要这些数据的设备用无线网络进行通信[3]。

所有与保护相关的检测元件如皮带的撕裂、跑偏、堵料限位、防撞限位等。

重要运行数据如：走行的位置、刮板俯仰角度等。

重要部件运行状态信号：断路器、接触器、主令控制器指令、制动器开闸等；

故障信号：电气联锁、机械过载、热过载、限位保护、超速等；

2.4 无线通信网络系统

每台刮板取料机和23米卸料小车均安装2台无线电台，一台用于传输控制信号，一台用于传输视频。控制用无线电台为带冗余功能，接2付双极化全向天线，分别和作业区2端的无线基站进行通信，保证传输稳定性，掉线时可自动切换另外一路。2台基站通过光缆进行连接，汇聚到漫游控制AC，然后接入到地面汇聚交换机中。视频采用非冗余无线通讯网络。

2.5 视频监控系统

对刮板取料机和23米卸料小车视频监控改造，在设备及厂房内安装摄像头，满足生产对设备的监控。每台刮板取料机安装4台摄像头，用于监测刮板、皮带、大臂、料堆。每台卸料小车安装2台摄像头：用于监测料堆、皮带。料场固定端两侧各安装6台摄像头，对于整个料场全貌进行监控。整个C型料场共配置30个摄像头。

2.6 二级系统

在中控室操作台设置1台操作站，由三台工控机组成，用于设备综合调度管理。料仓选择、设备选择、取料机自动运行、卸料小车自动运行和皮带机运行均通过该系统实现调度管理。同时具备设备状态显示、分析和简单的诊断功能，具备远程操作功能。

2.6.1 生产调度的实现原理

根据来料出料计划进行物料堆放场地分配以及堆料、取料作业流程选择和排程。初期可采用人工方式制定作业计划并下达作业指令进行料场生产调度，后期需根据三级或其他二级系统发来电子计划完成。将整个C型料场作为一个整体考虑，确定来料和出料信息（输入和输出），料场内部各设备分配由本料场管理系统完成。

2.6.2 料场管理平台的功能

（1）堆取作业任务管理。根据实际需求自动生成或者控制人员人为编写堆、取料作业任务，运行人员根据任务执行相应的作业。对物料的堆放、抓取计划和计划执行情况实时记录，对作业过程中的数据实时记录，确保作业数据的准确和历史可溯。

通过卸料车和取料机高精度定位系统，实现堆取料机位置识别，在料场坐标系下的三维坐标实时计算，实现准确堆、取料的目标，同时采集进料场、出料场皮带秤计量数据、堆取料机实时位置，准确的控制取料机的位置和生产料流。

（2）料堆入场管理。物料进入料场后，依据实际来料情况、料场各分区料堆堆放物料品种及来料特性，自动生成卸料方案。用户可根据实际情况判定及修改，最终制定准确、合理的方案。并对卸料作业情况实时进行跟踪，反馈实际堆放执行情况。

2.6.3 料场测量及盘库

采用三维测量技术可以通过三维扫描获取料堆外形轮廓的点云数据，不仅可以计算出准确的料堆体积，进而计算料堆质量，还可以使用三维成像技术绘制出料堆的外形轮廓，为实现堆取料机无人化控制提供支持。

3 结语

本文以大型机械生产设备的智能化无人化改造为主要研究对象，以某料场智能化无人化改造项目为依托，将机器视觉、云平台、网络通信、三维成像、管理调度系统等跨界技术与电气、嵌入式应用等工业技术结合，以解决用户“痛点”问题为突破口，实现了既定目标，具有很高的技术创新性，极具市场推广价值。