基于物料检测的抓斗起重机控制系统及方法

李胜德 袁 楷 姜健宁 张士杰 靳少朋

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

抓斗起重机是一种自动取物机械，分为桥式抓斗起重机、门式抓斗起重机和折臂式抓斗起重机。当抓斗起重机工作时，其抓取和卸出物料的动作由司机操纵，不需要辅助人员，因而避免了工人的繁重劳动，节省了工作时间，大大提高了工作效率。随着自动化、智能化的开展，自动运行抓斗起重机替代了司机的常规操作，但物料状态检测亟待提高。

抓斗起重机抓取的物料通常为粮食、散秸秆、垃圾、灰渣等散料，物料高低分布没有规律，抓斗抓取、投放一次或几次都不能从物料自身确定物料高度降低或升高的量，检测元件和设备无法快速准确地检测出物料的状态，实用效果较差，影响了抓斗起重机全自动控制的进程，故需要一种基于物料检测的抓斗起重机控制系统及方法来解决上述问题。

本文以物料检测技术和方法为出发点，为抓斗起重机提供准确的物料抓取或投放位置，提高抓斗起重机的智能化水平，对自动运行起重机提供技术基础。

1 物料检测

生产企业习惯将最终产品之外的、在生产领域流转的各种材料、燃料、零部件、半成品、外协件以及生产过程中必然产生的边角余料、废料以及各种废物统称为物料。本文所述起重机抓取的物料包括砂岩、铁矿、页岩粘土、石灰石、原煤、石膏、双掺石灰石、混合材料等水泥行业的生产材料，玉米、小麦、稻谷等粮食类材料，散秸秆、打包秸秆、垃圾等环保发电行业的燃料，灰渣、煤矿、固体废弃物、工业危废、餐厨等废料，纸料、钢料等各种物料。

物料检测是对起重机要抓取的物料外形、轮廓、摆放状态、堆积状态等进行检测识别，进一步判断物料是否达到起重机抓取、放置的既定设计及起重机抓取、放置后物料的物态变化情况。物料检测设备通常有2D检测设备、3D检测设备、图像检测识别设备等，用于采集现场物料分布数据。

2 抓斗起重机

抓斗起重机是一种用于搬运重物或散料在短距离水平移动的搬运设备，常用于装卸粮食、垃圾、灰渣或煤矿等散料，在各种货运码头、车站货场或矿山等环境下广泛使用。抓斗起重机一般由桥架、大车、小车和抓斗等组成。当抓斗起重机开始工作时，通过大车的横向运行和小车的纵向运行，将抓斗起重机处于待抓取的物料正上方，此时抓斗张开并逐渐下降插入到物料堆中，然后抓斗开始闭合抓取物料，待抓斗完全闭合后，抓斗开始上升直到达到预定高度，再通过调整大车和小车的位置，将抓斗移动至卸载地点的正上方，此时控制抓斗开启，将物料卸放。

3 控制系统

基于物料检测的抓斗起重机控制系统主要包括物料检测元件、物料信息处理模块及工控机。其中，物料检测元件用于采集现场物料分布数据，并将现场物料分布数据发送到工控机，现场物料分布数据包括现场物料堆放高度信息和/或现场物料图像处理数据；物料信息处理模块用于处理物料检测元件上传到工控机的现场物料分布数据，并根据现场物料分布数据生成相应的操作指令，物料信息处理模块设置在工控机上；工控机用于发送操作指令到抓斗起重机，以供抓斗起重机执行相应的抓取或投放物料的操作。

通过工控机向抓斗起重机上的可编程逻辑控制器PLC发送相应的操作指令，可实现对抓斗起重机的起升装置、抓斗开闭装置、大车和小车等进行智能化控制。当抓斗起重机的抓斗对物料进行抓取或投放时，通过物料检测元件上的传感器和/或图像采集设备，对物料堆放的高度和分布情况进行检测，并将物料堆的分布数据上传到工控机。此时，通过安装在工控机上的物料信息处理模块，对采集到的现场物料分布数据进行分析处理，并根据分析结果，得到抓斗下一次抓取或投放时的位置。当抓斗起重机对物料同一位置进行多次抓取后，导致物料堆中间呈凹陷两端突出的形状，此处若再次对凹陷处进行抓取，将会导致抓斗抓取效率低的问题。此时，通过物料检测元件将现场物料的堆放高度分布数据上传至工控机中的物料信息处理模块，物料信息处理模块分析物料的凹陷处不适用于下一次的抓取，并判断得出物料的突出部分更适于下一次抓取。此时，物料信息处理模块根据分析结果，生成相应的智能化操作指令，并通过工控机向抓斗起重机的PLC发送操作指令，PLC根据操作指令，控制大车和小车移动到指定抓取位置，并通过自动开闭抓斗，实现对物料进行抓取。同时，物料检测元件将本次抓取后的现场物料堆放高度信息和/或现场物料图像处理数据进行采集，并发送到工控机的物料信息处理模块进行分析，用于下一次抓取工作。

控制系统还包括通讯装置，用于在工控机和物料检测元件之间进行数据传输，工控机通过通讯装置连接物料检测元件。通讯装置可以是有线通讯，也可以是无线通讯。通讯装置包括近端通讯装置和远端通讯装置，近端通讯装置设置在工控机一端，远端通讯装置设置在抓斗起重机一端，每一端的通讯装置还设有交换机，用于数据之间的转换和设备间的连接。物料检测元件通过网络接口接入到抓斗起重机端的交换机，并将采集到的现场物料分布数据通过两端的交换机进行数据传输，以供物料信息处理模块对现场物料分布数据进行分析处理。随后，将得到的操作指令通过通讯装置发送至抓斗起重机，从而实现抓斗起重机的智能化控制。

物料检测元件包括2D设备和/或图像识别设备，用于采集现场物料分布数据。物料检测元件通过2D设备和/或图像识别设备对现场物料分布数据进行采集，以供物料信息处理模块分析得到抓斗起重机抓取或投放的物料位置。为了使物料分布数据采集更准确，可在抓斗起重机相应位置设置多个物料检测元件，更好地获取现场物料分布数据。

通过物料检测元件采集到现场物料分布数据，以供物料信息处理模块分析，从而得到更准确的抓斗起重机抓取和投放位置，提高了抓斗起重机的利用率。系统包括多个物料检测元件，多个物料检测元件分别设置在多个抓斗起重机上。

在大型货运码头或货场等工作场合，往往有多个抓斗起重机同时工作，故在多个抓斗起重机上个设置一个或多个物料检测元件。通过工控机对多个抓斗起重机进行集中管控，每一个抓斗起重机上的物料检测元件通过设置在本端的通讯装置和工控机端的通讯装置进行数据传输，并在工控机上还设置有显示模块，显示模块对工作场景下的每一个抓斗起重机分别进行编号，同时将每个抓斗起重机的现场物料堆放高度信息和/或现场物料图像处理数据呈现给操作人员，可以让工作人员了解目前的物料卸载或装运情况以及抓斗起重机的工作情况。物料信息处理模块同时对多个抓斗起重机的物料检测元件上传的现场物料分布数据进行处理，并将生成的操作指令通过PLC控制抓斗起重机执行。

通过在多个抓斗起重机上设置物料检测元件，使抓斗起重机的智能化运行规模更大，使多个抓斗起重机同时操作更加方便，能够更加可靠、准确地完成各种控制任务。

4 控制方法

基于物料检测的抓斗起重机控制系统的控制方法包括3个步骤：

步骤1：获取抓斗起重机的现场物料分布数据，现场物料分布数据包括现场物料堆放高度信息和/或现场物料图像处理数据；当抓斗起重机的抓斗对物料进行抓取或投放时，通过物料检测元件上的传感器和/或图像采集设备，对物料堆放的高度以及分布情况进行检测，并将物料堆的分布数据通过通讯装置上传到工控机。

步骤2：根据现场物料分布数据生成相应的操作指令；基于物料检测的抓斗起重机控制系统通过安装在工控机上的物料信息处理模块，对采集到的现场物料堆放高度的分布数据进行分析处理，并根据分析结果得到抓斗下一次抓取或投放时的位置，同时生成相应的操作指令。

步骤3：发送操作指令到抓斗起重机，以供抓斗起重机执行相应的抓取或投放物料的操作，并通过运用PLC实现对抓斗起重机执行相应的操作指令。

通过检测现场物料的分布状态，从而识别现场物料的堆放高度位置信息，并通过工控机上设置的物料信息处理模块分析现场物料分布数据，为抓斗起重机提供准确的物料抓取或投放位置，使得抓斗起重机利用率更高，提高了抓斗起重机智能化运行水平。

5 应用情况

基于物料检测的抓斗起重机控制系统及方法已在多个起重机项目、多个应用场景中进行了应用，应用状态稳定，物料检测效果良好，为抓斗起重机提供了准确的物料抓取或投放位置，使抓斗起重机利用率更高，提高了抓斗起重机智能化运行水平，为起重机的自动化、智能化运行提供了有利条件，同时，推进了全厂自动化、智能化进程，受到业主的广泛好评。

本文所述基于物料检测的抓斗起重机控制系统及方法，不局限于新设计起重机项目使用，在役起重机项目同样可以通过升级改造投入使用，同时，本文未描述的其他起重机或设备，同样可以参考本文的方法投入工程实践，为自动化、智能化技术添砖加瓦。

6 结束语

基于物料检测的抓斗起重机控制系统及方法，开展了物料检测技术在起重机行业的应用，尤其具体到散物料料位检测，通过高精度物料检测元件检测出现场物料分布数据，准确提取现场物料堆放高度信息和/或现场物料图像处理数据，为起重机的抓取或投放物料操作提供了技术依据，提高了起重机的自动化、智能化水平，同时，基于物料检测的抓斗起重机控制系统及方法已申报国家发明专利，对知识产权进行保护。