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基于北斗定位的港口堆取料机防碰撞系统关键技术研究

2020-12-30张水良刘治邦李潇峰

港口装卸 2020年6期
关键词:大机散货堆场

张水良 刘治邦 李潇峰 樊 攀

中交机电工程局有限公司

1 引言

堆取料机是港口散货物流运输环节的核心设备,随着港口智能化建设的发展,堆取料机智能化水平也在不断地提高。目前,散货堆场存在多台堆取料机沿同一轨道梁同时作业时发生碰撞而导致安全事故的情况。现有堆取料机多通过安装在大车行走机构上的编码器定位得出相对位置,但由于大车行走距离较长,以及大车车轮与两侧轨道之间摩擦力不均等因素,导致出现大车车轮打滑、刹车制动偏移等情况,长时间工作会造成编码器累积误差过大,即使通过行走定点校正仍无法彻底克服定位误差。在港口散货堆场建立空间坐标系,将各堆取料机间的位置关联起来,并采用北斗差分定位技术和RFID技术校正定位误差实现精确定位,再结合毫米波雷达实时反馈信号组成一级防碰撞预警、二级紧急制动的定位防碰撞系统,可消除堆取料机作业过程中的碰撞隐患,从而保证作业安全。

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9月底至10月中旬,每亩茶园施腐熟饼肥100~150公斤或商品畜禽粪有机肥150~200公斤+38%茶树专用肥(氮-五氧化二磷-氧化钾=18-8-12或相近配方)30公斤,有机肥和专用肥拌匀后开沟15~20厘米或结合深耕施用。

2 工程概况

黄骅港散货港区矿石码头一期工程(含3台堆料机、3台取料机)及黄骅港散货港区矿石码头一期(续建)工程机电设备工程(含1台堆料机、2台取料机、1台堆取料机)共计10台大机需配置全自动化堆取料生产作业系统(见表1)。系统由大机精确定位系统、地面校正装置、现场堆取料扫描系统、生产作业视频监控系统、大机全自动化堆取料监控系统组成,可实现以下功能:大机远程化操作,在控制室内通过操作键盘和鼠标,对大机进行包括行走、俯仰、回转等动作;大机设备运行状态及现场图像的远程监控;大机防碰撞报警、安全作业;大机无人一体化控制。

表1 黄骅港散货港区矿石码头一期及续建工程大机智能化改造清单

3 北斗差分定位技术

3.1 北斗差分定位

受到很多干扰因素的影响,单台设备进行北斗定位精度很低,一般为3~4 m,为提高定位精度,引入了差分技术。北斗差分定位设备一般由基准站、流动站和数据链3部分构成,测量时2台或多台定位接收机同步观测北斗卫星,1个测站对2个目标观测量、2个测站对1个目标观测量或1个测站对1个目标2次观测量之间进行求差,就可以消去误差,大幅提高测量精度,采用实时或事后处理技术可以达到厘米级定位精度(见图1)。

图1 北斗系统拓扑结构图

3.2 堆、取料机北斗差分定位配置

本工程每台堆取料机上安装1套RFID射频扫描识别系统,该系统由RFID射频控制器、RFID射频读取头,以及地面定点布置的RFID射频数据载码体组成。堆场轨道梁或皮带机架每10 m位置安装1个带有位置信息的RFID射频数据载码体,堆取料机行走经过时由RFID射频读取位置数据,并通过RFID射频控制器与单机工控机进行数据交互,将读取到的定位数据与绝对值编码器、北斗卫星定位系统进行比对,发现误差时进行强制校正。

图2 堆料机定位设备布置图

图3 取料机定位设备布置图

4 基于RFID射频扫描识别的定位校正系统

本工程堆取料机采用基于RTK(实时动态)差分北斗定位系统,该系统由地面固定位置布设的北斗卫星基准站、堆场堆取料机上安装的北斗卫星移动站、中控室布置的后台应用服务器和监控功能软件,以及终端操作系统组成,动态定位精度≤±5 cm,系统响应时间≤5 ms,稳定性能好。北斗卫星基准站为堆取料机上的移动站设备提供精度校正功能;移动站用于采集堆取料机的行走、回转及俯仰数据,每台堆取料机共配置2套北斗移动站设备:悬臂安装1套移动站设备,悬臂头部和中部分别布置2个卫星接收天线,天线馈线接入臂架上的移动站内,用于悬臂位置、回转角度、俯仰角度信息采集;大机下部安装1套移动站设备,回转中心最高处布置1个卫星接收天线,天线馈线接入下部移动站内,用于采集单机行走位置及速度信息(见图2、图3)。

5 毫米波雷达防碰撞系统

5.1 毫米波雷达

本工程堆取料机臂架前端两侧各安装1套毫米波雷达,行走方向前后位置各安装1套毫米波雷达,工控机实时采集毫米波雷达数据,将数据处理后发送给PLC控制系统,接到数据后判断并执行指令。由毫米波雷达组成的防碰撞监测系统,可实现对潜在的空间碰撞物体的识别,并直接与单机的PLC控制系统进行通信,无需过多分析和处理即可发出防碰撞指令,实现主动单机防碰撞监控系统功能。

图4 毫米波雷达检测距离及波束角

5.2 堆场堆取料机毫米波雷达配置

毫米波雷达采用多普勒原理,可快速扫描被测物体,生成与被测物体间距离、速度关系表,通过算法实现与被测物体间防碰撞预警和报警停机功能(见图4)。该系统具有以下优点:①扫描速度快,可达17次/s;②测量距离远,可达250 m;③对复杂环境目标检测迅速,可实时传送测量数据;④设备安装可靠。

6 空间坐标体系

当北斗基站位置选定后,它与每条轨道梁的端点距离是固定的,以北斗基站为原点、平行轨道梁方向为X轴、垂直轨道梁方向堆场宽度为Y轴、以垂直地面空间高度为Z轴,建立空间坐标系(见图5)。

图5 北斗基站和堆、取料机轨道布置图

由空间解析几何可知,在三维直角坐标系中,任何1个点的位置都可以通过建立起来的X、Y、Z3个坐标来确定。但在卫星传输信号的过程中,由于电离层等多种因素干扰,只获取A、B、C3点的数据是不够的,当测得某一点与这3点的距离时需要重新引入一个新的变量t,通过t变量重新建立起1个三元方程组,通过几何解析可获得该点与X、Y、Z的坐标数据,从而该空间上的某点就可以通过计算获取具体位置,具体卫星分布和计算见图6。

“你想唤醒它的力量吗?”黑袍人勾起了他对那些传说的遐想和神往,却又并不说细,只用一种带着诱惑力的语气问道。

图6 空间坐标示意图

根据堆取料机上移动站的安装位置,可计算出堆取料机和悬臂所在的空间位置,通过光缆实时回传到中控室防碰撞系统服务器,防碰撞系统通过接收到的移动站定位数据,进行防碰撞建模运算,对存在碰撞可能性的堆取料机进行实时监控和碰撞预判,对高风险的堆取料机发出报警和停机指令,同时将预警信息发送到值班人员操作界面,提醒进行人为干预以消除隐患。

7 结语

通过对堆场建立空间坐标体系,实时采集北斗卫星定位数据,再结合RFID技术校正定位误差和毫米波雷达防碰撞系统,实现堆取料机自动定位和防碰撞控制。同时,可实现堆取料机的远程操作,减少人员投入,改善司机的作业环境,降低其劳动强度,为散货码头自动化作业奠定基础。

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