港口散货取料机无人取料系统设计及应用

王志刚

（中交一航局安装工程有限公司，天津 300457）

0 引言

斗轮取料机是干散货港口的主要生产设备，通常由人工两班倒操作，工作时间长、作业强度大、操作枯燥繁琐，人工模式下的斗轮取料机取料流量受人为因素影响较大，料流的波动较大，易造成下游皮带机停止及撒落料，且人工操作易出现疲劳状态下的操作失误，特别是在夜间作业，堆场现场环境条件差，因此，实现无人化取料作业十分重要[1]。

由于实际卸船量不定，因此所形成的堆垛长度也不一致，造成每个料堆的编号不确定，料堆边界也不确定，需根据现场特殊情况定制开发相应的作业流程功能。在无人取料系统的作业流程设计时考虑到功能模块化设计，结合现场的实际生产条件，设计形成单个的功能流程和多种控制模式相结合的无人取料控制系统[2]。

随着自动化技术的发展，国内外已经有港口开始实现斗轮取料机的无人自动化作业，但是自动化作业有一定局限性，复杂工况下需要操控人员辅助操作才能保证作业效率不低于手动作业。

本文论述了一种能够解决料堆长度、位置不确定等复杂工况下的斗轮取料机无人智能取料系统，旨在自动作业过程中可以自动纠偏、作业参数动态调整，尽量降低人工干预的可能性，提高斗轮取料机的智能化作业程度，保证作业效率和流量的稳定性。

1 无人智能取料系统作业工艺流程

根据斗轮取料机人工作业可知，人工取料作业的流程可以分为寻垛作业、寻点作业、取料作业、退场，无人智能取料作业工艺流程参考人工作业，设计模块化功能、结构化编程和人机操作界面。为满足不同的作业需要，将控制系统操作模式设计为自动、禁止和手动3 种模式，通过主页面上按钮实现各种模式切换。自动模式下从开始作业到作业结束有完整的作业流程控制。禁止模式下禁止所有无人取料系统的输出信号，使整个系统处于停止状态。手动模式时将人机界面切换到手动控制页面能够单独对行走、回转、俯仰、斗轮等设备的控制[3]。无人智能取料作业工艺分解为寻垛作业、扫描作业、寻点作业、取料作业、退出堆场五大主要环节，作业流程如图1 所示，通过各个环节的衔接完成斗轮取料机无人智能取料作业。

1） 寻垛作业

无人智能取料作业系统获取作业垛位号、作业量等作业参数后，自动将各机构归零，以最近的垛位边界为行走位置目标值，通过比对当前斗轮取料机所在的位置数据，计算斗轮取料机前进或者后退，行走到目标位置后抬高悬臂高度，回转悬臂至料堆上方。

2） 扫描作业

斗轮取料机悬臂在目标垛位上方后启动扫描仪，待扫描仪启动成功后控制斗轮取料机移动扫描整个垛位，生成垛位中料堆的三维点云模型。

3） 寻点作业

无人智能取料作业系统根据料堆的三维模型计算取料作业起始点位置，通过回转和行走机构共同动作斗轮至目标点位上方，然后降下悬臂至目标位置。机构动作过程中操控人员需要监护，发现料堆模型错误等特殊工况则需切换到手动模式，通过手动控制斗轮取料机到达取料起始位置。

4） 取料作业

斗轮取料机控制斗轮从料堆的一侧边沿回转至另一侧，然后步进，将斗轮插入料堆再回转至另一侧，如此往复循环直至停止，取料作业的平均作业效率受到回转速度、斗轮插入深度、斗轮空转时间等因素的影响。

上述作业的方法称为回转取料，在回转取料过程中步进后的取料层厚度会随着回转角度的增加呈逐渐减少的变化趋势[4]。通过回转角度、回转速度、步进距离和取料半径的数学运算，实现在取料过程中将月牙缺损减小的取料量补偿至标准取料层厚的取料量，从而实现取料过程中取料流量稳定的效果[5]。

智能回转取料到边判断，通过专业传感器和程序设计，检测斗轮取料量变化趋势以判断回转取料时斗轮到边情况，及时做出反向回转取料动作，避免在垛边停留浪费时间，保证了作业效率。

5） 退出堆场作业

取料作业完成后，点击“停止”按钮，自动作业流程停止，紧接着执行退出料堆作业，此时系统设定3 个斗轮取料机构（行走、回转、俯仰）目标位置分别是向远离取料位置行走3 m、回转3°、俯仰2°的位置移动[6]，为避免斗轮取料机与料堆碰撞，先执行俯仰机构动作，其次行走机构，最后动作回转机构。该作业是保证将斗轮取料机从料堆中移出，且排空斗轮和悬臂皮带上余料的有效方法。

2 无人智能取料系统硬件架构

根据取料机作业工艺流程，在各动作机构处设置定位设备，保证机构活动幅度的准确性；在臂架前端安装激光扫描仪和雷达，作业前和作业过程中实时扫描料堆，生成料堆的三维模型，调整斗轮取料机的作业工艺；在臂架两侧和斗轮两侧安装防碰撞雷达，实时监测斗轮取料机周边的作业环境，保证设备的安全，通过PLC 控制系统整合所有设备数据进行逻辑运算，制定智能取料作业策略。无人智能取料系统硬件系统拓扑图如图2 所示。

图2 硬件系统拓扑图Fig.2 Hardware system topology

3 无人智能取料作业系统技术

3.1 自动寻垛技术

为了解决斗轮取料机自动移动至起始作业点，需要自动寻垛，即中央控制系统下达作业指令，程序自动解析指令代码、筛选堆垛号，并根据当前斗轮取料机位置逻辑判断运动方向，自动启动斗轮取料机行走指令向目标堆场移动。

斗轮取料机定位一般以回转中心位置作为判断依据，但是为了便于计算，自动寻垛以斗轮取料机斗轮最前沿的位置作为斗轮取料机目标位置。

在自动寻垛前，将斗轮取料机的回转、俯仰机构归零，让斗轮和料堆处于平行状态，再以斗轮前沿位置为基准点控制斗轮取料机行走。在即将到达目标位置时，设定两级减速区域以实现精确到位控制，当进入目标位置5 m 范围内，触发第一级减速，行走速度降低至50%；当斗轮取料机进入目标位置0.5 m 范围内时，触发第二级减速，行走速度降低至10%。在斗轮取料机到达目标位置时停机，即可将斗轮取料机精确停止在目标位置。精确度达到±2 cm。

3.2 自动定位技术

无人智能取料作业系统在自动寻垛控制完成后，触发自动定位控制，根据当前料堆形状、临近料堆形状和附近其他单机位置情况自动判断正向取料或者反向取料。

若无其他干扰则选择正向取料，根据三维模型系统提供的料堆边缘信息，自动控制斗轮取料机回转、俯仰向取料起始点靠近。在定位过程中安装在斗轮两侧的高频雷达会实时监测与煤垛之间的距离，通过空间几何算法实时校正定位误差，以确保斗轮取料机准确地定位到取料起始点。

3.3 自动取料控制技术

自动取料控制技术是无人智能取料作业系统的核心技术，结合人工取料作业的特点，本文采用了分层取料的方法，根据斗轮的大小和料堆高度分为3 层，逐层取料，如图3 所示。在每层取料过程中，以数据变比与实际流量、斗轮压力与回转速度2 个闭环控制，月牙缺损补偿控制、退车收边控制技术等多项控制技术实时调整作业工艺，控制斗轮取料机机构动作保证作业实时流量的平稳。

图3 料堆分层示意图Fig.3 Layering diagram of material pile

1） 取料过程中根据实际皮带秤所测得的取料瞬时量与斗轮压力进行比值运算，反馈至比值计算系统内，实时取料瞬时量和斗轮压力的比值流程如图4 所示。在取料作业时实时计算斗轮压力和回转速度的比值，先将计算比值带入闭环控制逻辑内运算，计算比值为回转速度控制基值，当斗轮压力大于或者小于设定取料瞬时量换算的压力值时，根据偏差大小实时计算回转速度补偿值。将回转速度控制基值与补偿值进行运算，补偿回转速度，流程如图5 所示。通过实时计算补偿值的数据并反馈至回转速度以实现斗轮压力调整回转速度的闭环控制。

图4 数据变比与实际流量闭环控制Fig.4 Data ratio and actual flow closed-loop control

图5 斗轮压力与回转速度闭环控制Fig.5 Bucket wheel pressure and rotational speed closed-loop control

2） 由于回转取料属于定点回转，则在回转取料的过程中，步进后的取料层厚度会随着回转角度的增加，取料层厚度逐渐减小，如图6 所示，呈现“月牙缺损”的形状。以步进1.5 m 作业工艺工况条件为例，近零度点取料厚度1.48 m，远零度点取料厚度0.95 m。“月牙缺损”呈线性变化，取料效率逐渐降低。

图6 月牙缺损补偿控制示意图Fig.6 Schematic diagram of the control of crescent defect compensation

通过控制回转速度实现在取料过程中将月牙缺损减小的取料量补偿至标准取料层厚度的取料量，回转速度的输出计算公式如下：

式中：ɑ 为回转角度；V为回转速度；X为回转速度分配基值；D为取料步进距离；R为取料半径。

3） 每层取料完成，在换边过程中斗轮处于空转状态，为了减少该空转时间，本文提出了一种退车收边控制方法，即在本层取料过程中放弃取料外边沿效率较低的部分，保证本层作业时的取料效率，本层取料完成后，斗轮回转至外边沿留边部分，退车收边至下一层取料起始点，如图7所示，这样最大限度地提高取料效率。

图7 本层取料完毕退车收边设计示意图Fig.7 Design diagram of reclaimer rotating to the outer edge after reclaiming in this layer

4 无人智能取料系统应用效果

通过项目实际应用，国投湄洲湾项目取料机无人智能取料系统日均作业时长超过20 h。RC8自动取料时，平均流量达到1 800 t/h，流量稳定，充分发挥了取料机的设备运载能力。在作业过程中，RC8 无人智能取料系统能够根据料堆模型实时调整取料机机构动作，与人工取料相比，自动作业效率更加稳定，取料流量波动较少。

5 结语

本文通过对无人智能取料系统的系统架构和工艺流程进行设计，针对取料作业中流量稳定性、作业生产效率、作业安全等难点问题，提出自动寻垛、自动定位、双闭环+月牙缺损取料控制、退车收边设计等方法，实现斗轮取料机自动作业，智能取料作业功能完善，作业流量相较于人工作业更加平稳。