CN103964155A - 一种斗轮堆取料机防撞控制方法 - Google Patents

Abstract

一种斗轮堆取料机防撞控制方法，包括以下步骤：利用定位系统获取两台斗轮堆取料机各自的坐标位置状态；利用回转角度编码器获得两台斗轮堆取料机的回转角度状态；所述两台斗轮堆取料机各自的坐标位置状态数据信息、回转角度状态数据信息输送给中控单元PLC；中控单元PLC根据所述数据信息计算两台斗轮堆取料机在水平面投影的最短距离，并将计算出的最短距离与设定值进行比较；根据比较结果通过工业网络向所述两台斗轮堆取料机的PLC发送对所述斗轮堆取料机的控制指令；两台斗轮堆取料机的PLC根据接收到的控制指令来操作是否报警或停机。

Description

一种斗轮堆取料机防撞控制方法

技术领域

本发明涉及斗轮堆取料机技术领域，尤其涉及多台斗轮堆取料机相互之间的防撞控制方法。

背景技术

斗轮堆取料机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它广泛应用于港口、电厂、钢厂、矿山等原料储运场，可实现煤炭、矿石、化工原料等散状物料堆取、转运、装卸的连续作业。

目前在大型散状物料场主要采用斗轮堆取料机进行堆料和取料作业。在大型钢铁企业和大型矿石码头存在的巨型堆料场，需多台设备同时进行堆取料的作业，堆取料作业过程中悬臂经常需要回转，而斗轮堆取料的悬臂较长，多台设备同时进行作业存在极大的碰撞风险。一旦发生碰撞会导致经济损失和人员伤亡事故，因此对料场堆、取料机的防撞方法进行研究具有重要意义。

另外由于人力等成本的提高，提高工作效益，降低人工的依赖是未来发展的方向，所以无人化料场是未来发展的趋势。无人化料场控制的关键是保证在无人操作的情况下既能进行正常的堆取料工作又能保证堆取料机不发生碰撞事故，因而需要实现自动防撞。

现有技术中，对于同一条轨道上的堆取料机的现有的防撞方法采用激光防撞仪进行防碰控制，在一台堆取料机上装激光防撞仪的发送端，在另外一台堆取料机的同一水平位置处装反射端，激光防撞仪通过接受发射回来的信号测算出两台堆取料机的相对距离，当距离太近时就发出报警或者停车信号。

对于相邻轨道上的堆取料机的防撞，通过求取两台堆取料机斗轮之间的距离作为依据来进行防撞，或者是在三维立体空间中实时求取两台堆取料机的最近距离作为防撞依据。

现有技术存在以下缺陷：

人工或半自动化控制的料场堆取料机的防撞控制取决于操作工的经验和判断能力，操作员的视野对防撞影响很大；堆取料机在堆取料的作业中，受操作人员的情绪、状态乃至天气状况都有可能引起误操作，造成料场中两台堆取料机发生碰撞事故；

对于同一条轨道上的两台堆取料机采用激光防撞仪，该方法对传感器的安装要求高（激光发射端和接收端在同一水平直线上），料场粉尘多容易覆盖传感器、堆取料机振动剧烈容易导致传感器发出和接收信号出现问题，从而导致易发生碰撞。

对于相邻两条轨道上的堆取料机的防撞，现有的方法有的是建立三维数学模型进行分析，这种方法需要求偏导、解多元方程，算法复杂、计算量大、实际应用起来十分困难；有的只是简单的求取两台堆取料机的臂架前端斗轮之间的距离大于安全距离，来保证堆取料机不发生碰撞，实际上两台堆取料机的最短距离并不一定是两个斗轮之间的距离，该方法不能进行有效的报警或者停车，常导致两台堆取料机实际上发生了碰撞。

发明内容

针对现有料场堆取料机防撞控制方法的不足，本发明的目的在于：提供一种斗轮堆取料机防撞控制方法，通过在平面中建立起料场堆取料机的数学模型，提高了系统防碰撞的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种斗轮堆取料机防撞控制方法，包括以下步骤：

利用定位系统获取两台斗轮堆取料机各自的坐标位置状态；

利用回转角度编码器获得两台斗轮堆取料机的回转角度状态；

所述两台斗轮堆取料机各自的坐标位置状态数据信息、回转角度状态数据信息输送给中控单元PLC；

所述中控单元PLC根据所述数据信息计算所述两台斗轮堆取料机在水平面投影的最短距离，并将计算出的最短距离与设定值进行比较；根据比较结果通过工业网络向所述两台斗轮堆取料机的PLC发送对所述斗轮堆取料机的控制指令；

两台斗轮堆取料机的PLC根据接收到的控制指令来操作是否报警或停机。

作为优选技术方案：本发明提供的斗轮堆取料机防撞控制方法，所述中控单元PLC根据坐标位置状态数据信息进行判断，当两台堆取料机在同一条轨道上时，

1号斗轮堆取料机机身上离3号斗轮堆取料机最近的点为1号斗轮堆取料机的尾车末端或臂架的前端，其在水平面上投影的坐标为：

(1)

3号斗轮堆取料机机身上离1号堆取料机最近的点为3号斗轮堆取料机的回转中心或臂架的前端，其在水平面上投影的坐标为：

(2)

所述中控单元PLC按以下公式（3）计算两台斗轮堆取料机在y轴上投影的最短距离为： (3)

其中：L₁为1号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为1号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

L₃为3号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为3号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

W₁为1号堆取料机尾车的长度，单位为m；

（x₁；y₁）为1号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

（x₃；y₃）为3号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；

以两台斗轮堆取料机在y轴上投影的最短距离D作为防撞控制的依据，当小于报警距离时，中控单元PLC发出报警信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行报警；当小于紧急停车距离时中控单元PLC发出停车信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行停车。

作为优选技术方案：本发明提供的斗轮堆取料机防撞控制方法，所述中控单元PLC根据坐标位置状态数据信息进行判断，当两台斗轮堆取料机在相邻两轨道上时，相邻两轨道上的斗轮堆取料机发生碰撞，是一台斗轮堆取料机的臂架前端与另一台斗轮堆取料机的臂架发生碰撞，

1号斗轮堆取料机臂架前端在水平面上投影的坐标为：；

1号斗轮堆取料机臂架在水平面上的投影所在直线的数学表达式为：；

2号斗轮堆取料机的臂架前端在水平面上投影的坐标为：；

2号斗轮堆取料机臂架在水平面上的投影所在直线的数学表达式为：；

所述中控单元PLC按公式：计算2号斗轮堆取料机臂架前端垂直于1号斗轮堆取料机臂架的垂足在水平面上投影的x轴坐标值；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（4）计算2号堆取料机臂架前端到1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(4)；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（5）计算2号堆取料机臂架前端到1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(5)

2号堆取料机臂架前端到1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离为：

(6)

所述中控单元PLC还按公式：计算1号斗轮堆取料机臂架前端垂直于2号斗轮堆取料机臂架的垂足在水平面上投影的x轴坐标值；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（6）计算1号堆取料机臂架前端到2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(6)；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（7）计算1号堆取料机臂架前端到2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(7)

第1号堆取料机臂架前端到第2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离为

(8)

中控单元PLC计算相邻两条轨道上两台堆取料机在水平面上投影之间的最短距离： ，

其中：L₁为第1号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为第1号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

L₂为第2号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为第2号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

（x₁；y₁）为1号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

（x₂；y₂）为2号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；

当小于报警距离时，中控单元PLC发出报警信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行报警；当小于紧急停车距离时中控单元PLC发出停车信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行停车。

在不冲突的情况下上述优选方案可单独或组合实施。

本发明的有益效果：本发明的优点如下：

采用平面上进行防撞控制的建模，计算量少，能够在PLC实现防撞控制算法，避免在三维空间建模导致的计算量大、实际应用困难的情况；

对于相邻两条轨道上的斗轮堆取料机的防撞控制采用在平面投影中计算出两台斗轮堆取料机臂架之间的最短距离作为防撞控制的依据，避免直接计算两台斗轮堆取料机斗轮之间的距离作为防撞控制的依据而导致可能出现的误碰撞，提高了防撞控制的可靠性；

采用PLC系统的防撞控制方法，避免了人工控制的不确定性，提高了防撞控制的可靠性；

对于同一条轨道上的斗轮堆取料机的防撞，本发明通过两台斗轮堆取料机之间的最短距离在y轴上的投影作为防撞的依据，有效的避免了现有方法采用激光防撞仪因料场恶劣使用环境导致的误碰撞，可靠性更高。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是料场斗轮堆取料机分布示意图；

图2是同一条轨道上两台斗轮堆取料机分布示意图；

图3 是垂足C₂在A₁，B₁之间相邻两条轨道上两斗轮堆取料机分布示意图；

图4 是垂足C₂不在A₁，B₁之间相邻两条轨道上两斗轮堆取料机分布示意图；

图5 是垂足C₁在A₂，B₂之间相邻两条轨道上两斗轮堆取料机分布示意图；

图6 是垂足C₁不在A₂，B₂之间相邻两条轨道上两斗轮堆取料机分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，以一个简化的料场为例，料场中总共四条平形轨道，为了建立料场的坐标，将第一条轨道选作y轴，坐标轴的零点为轨道的起点。斗轮堆取料机主要由斗轮、臂架、回转中心、尾车、配重等组成。在示意图中将斗轮堆取料机的臂架和尾车简化成一条直线。圆形表示是斗轮堆取料机的斗轮。正方形表示斗轮堆取料机的配重。

其中,分别表示第i台斗轮堆取料机回转中心的x轴坐标、y轴坐标、斗轮前端到回转中心的长度、回转角度。分别表示第i号堆取料机的回转中心、臂架前端、尾车末端。表示为第i号斗轮堆取料机的尾车的长度。斗轮堆取料机可以沿着轨道进行运动，悬臂可以以回转中心为轴进行旋转，以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负，斗轮堆取料机回转角度的范围通常在-165°至+165°之间。

料场的斗轮堆取料机的防撞控制细分为两种情况，一种是同一条轨道上两台斗轮堆取料机的防撞，另外一种情况是相邻轨道上的两台斗轮堆取料机的防撞。

如图2所示，当两台斗轮堆取料机在同一条轨道上时，安装方向为同一个方向。

为了防止两台斗轮堆取料机发生碰撞，则需要保证两台斗轮堆取料机机身的最靠近点的距离在y轴上的投影大于设定的安全距离。中控单元PLC通过定位系统获取两台斗轮堆取料机回转中心各自在水平面上投影的坐标位置（x₁；y₁）、（x₃；y₃）；回转角度编码器获得两台斗轮堆取料机的回转角度状态数据信息、回转角度状态数据信息输送给中控单元PLC，PLC获得1号斗轮堆取料机的回转角度，3号斗轮堆取料机的回转角度，对于1号斗轮堆取料机其机身上离3号斗轮堆取料机最近的点为尾车的末端，中控单元PLC计算其在水平面上投影的坐标位置为，或臂架的前端，中控单元PLC计算其在水平面上投影的坐标位置为，即

(1)

对于3号斗轮堆取料机机身上离1号斗轮堆取料机最近的点为3号斗轮堆取料机的回转中心，中控单元PLC获得其在水平面上投影的坐标位置，或臂架的前端，中控单元PLC计算其在水平面上投影的坐标位置为，即

(2)

在同一条轨道上的两台斗轮堆取料机在y轴上投影的最小距离为：

(3)

所述中控单元PLC按公式（3）计算两台斗轮堆取料机在y轴上投影的最小距离D，并将计算结果与设定值进行比较；根据比较结果通过工业网络向所述两台斗轮堆取料机的PLC发送对所述斗轮堆取料机的控制指令；所述斗轮堆取料机PLC根据接收到的控制指令来操作是否报警或停机。当两台斗轮堆取料机在y轴上投影的最小距离由大变小时，首先是小于报警距离，再小于停车距离，先报警提醒相关人员，如果在相关人员忽略报警信息，继续使变小，当小于停机距离时，则会停机。

其中：L₁为1号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为1号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

L₃为3号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为3号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

W₁为1号堆取料机尾车的长度，单位为m；

（x₁；y₁）为1号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

（x₃；y₃）为3号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负。

如图3、图4所示，当两台斗轮堆取料机在相邻的两条轨道上时，为了防止两台机器发生碰撞则需要保证两台斗轮堆取料机臂架的最近距离大于设定的安全距离。相邻两条轨道上的斗轮堆取料机发生碰撞，是一台斗轮堆取料机在回转过程中其臂架前端与另外一台斗轮堆取料机的臂架发生碰撞。

中控单元PLC通过定位系统获取两台斗轮堆取料机回转中心各自在水平面上投影的坐标位置（x₁；y₁）、（x₂；y₂）；回转角度编码器获得两台斗轮堆取料机的回转角度状态数据信息、回转角度状态数据信息输送给中控单元PLC，PLC获得1号斗轮堆取料机的回转角度，2号斗轮堆取料机的回转角度，1号斗轮堆取料机臂架前端在水平面上投影的坐标为,其悬臂在水平面上投影所在直线的数学表达式为。

中控单元PLC计算2号斗轮堆取料机的臂架前端在水平面上投影到1号斗轮堆取料机臂架在水平面上投影所在直线的距离为

(4)

中控单元PLC按公式：计算2号斗轮堆取料机臂架前端垂直于1号斗轮堆取料机臂架的垂足在水平面上投影的x轴坐标值；如图3所示，当垂足C₂在水平面上投影的x坐标位于(发生碰撞时对于1号堆取料机只能是的情况，所以)之间时，即垂足C₂位于A₁B₁之间时，2号斗轮堆取料机臂架前端到1号斗轮堆取料机在水平面上投影的最近距离为。

如图4所示，如果垂足C₂在水平面上投影的x坐标不在之间，即垂足C₂不在A₁B₁之间，而是在1号堆取料机臂架的延长线上时，此时2号堆取料机的前臂架到1号堆取料机最短距离为两台斗轮堆取料机臂架前端在水平面上投影之间的距离，即

(5)

所以第2号堆取料机臂架前端到第1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离为

(6)

对于计算1号堆取料机臂架前端到2号堆取料机臂架在水平面上投影之间的距离，适应于相同的过程和原理。

2号斗轮堆取料机臂架前端的在水平面上投影的坐标为,其悬臂在水平面上投影所在直线数学表达式为。

中控单元PLC计算1号斗轮堆取料机的臂架前端在水平面上投影到2号斗轮堆取料机臂架在水平面上投影所在直线的距离为

中控单元PLC按公式：计算1号斗轮堆取料机臂架前端垂直于2号斗轮堆取料机臂架的垂足在水平面上投影的x轴坐标值；当垂足C₁在水平面上投影的x坐标位于之间时 (发生碰撞时对于2号堆取料机只能是的情况，当)，即垂足C₁位于A₂B₂之间时，1号斗轮堆取料机臂架前端到2号斗轮堆取料机在水平面上投影的最近距离为。

如果垂足C₁在水平面上投影的x坐标不在之间，即垂足C₁不在A₂B₂之间，而是在2号堆取料机臂架的延长线上时，此时1号堆取料机的前臂架到2号堆取料机在水平面上投影的最短距离为两台斗轮堆取料机臂架前端在水平面上投影的距离，即

(7)

第1号堆取料机臂架前端到第2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离为

(8)

中控单元PLC计算相邻两条轨道上两台堆取料机在水平面上投影之间的最短距离： ，

并将计算出的最小距离与设定值进行比较；根据比较结果通过工业网络向所述两台斗轮堆取料机的PLC发送对所述斗轮堆取料机的控制指令；两台斗轮堆取料机的PLC根据接收到的控制指令来操作是否报警或停机。当由大变小时，首先是小于报警距离，再小于停车距离。当小于报警距离时，中控单元PLC发出报警信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行报警；当小于紧急停车距离时中控单元PLC发出停车信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行停车。

本发明提供的计算过程和原理适应料场中其它斗轮堆取料机之间的最小距离计算，具有相同的技术效果。

显然，本发明不限于以上优选实施方式，还可在本发明权利要求和说明书限定的精神内，进行多种形式的变换和改进，能解决同样的技术问题，并取得预期的技术效果，故不重述。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接或联想到的所有方案，只要在权利要求限定的精神之内，也属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种斗轮堆取料机防撞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用定位系统获取两台斗轮堆取料机各自的坐标位置状态；

利用回转角度编码器获得两台斗轮堆取料机的回转角度状态；

所述两台斗轮堆取料机各自的坐标位置状态数据信息、回转角度状态数据信息输送给中控单元PLC；

所述中控单元PLC根据所述数据信息计算所述两台斗轮堆取料机在水平面投影的最短距离，并将计算出的最短距离与设定值进行比较；根据比较结果通过工业网络向所述两台斗轮堆取料机的PLC发送对所述斗轮堆取料机的控制指令；

两台斗轮堆取料机的PLC根据接收到的控制指令来操作是否报警或停机。

2.根据权利要求1所述的斗轮堆取料机防撞控制方法，其特征在于：所述中控单元PLC根据坐标位置状态数据信息进行判断，当两台堆取料机在同一条轨道上时，

1号斗轮堆取料机机身上离3号斗轮堆取料机最近的点为1号斗轮堆取料机的尾车末端或臂架的前端，其在水平面上投影的坐标为：

(1)

3号斗轮堆取料机机身上离1号堆取料机最近的点为3号斗轮堆取料机的回转中心或臂架的前端，其在水平面上投影的坐标为：

(2)

所述中控单元PLC按以下公式（3）计算两台斗轮堆取料机最短距离在y轴上投影的为：

(3)

其中：L₁为1号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为1号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

L₃为3号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为3号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

W₁为1号堆取料机尾车的长度，单位为m；

x₁；y₁为1号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

x₃；y₃为3号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；

以两台斗轮堆取料机的最短距离在y轴上投影D作为防撞控制的依据，当小于报警距离时，中控单元PLC发出报警信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行报警；当小于紧急停车距离时中控单元PLC发出停车信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行停车。

3.根据权利要求1所述的斗轮堆取料机防撞控制方法，其特征在于：所述中控单元PLC根据坐标位置状态数据信息进行判断，当两台斗轮堆取料机在相邻两轨道上时，相邻两轨道上的斗轮堆取料机发生碰撞，是一台斗轮堆取料机的臂架前端与另一台斗轮堆取料机的臂架发生碰撞，

1号斗轮堆取料机臂架前端在水平面上投影的坐标为：；

1号斗轮堆取料机臂架在水平面上的投影所在直线的数学表达式为：；

2号斗轮堆取料机的臂架前端在水平面上投影的坐标为：；

2号斗轮堆取料机臂架在水平面上的投影所在直线的数学表达式为：；

所述中控单元PLC按公式：计算2号斗轮堆取料机臂架前端垂直于1号斗轮堆取料机臂架的垂足在水平面上投影的x轴坐标值；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（4）计算2号堆取料机臂架前端到1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(4)；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（5）计算2号堆取料机臂架前端到1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(5)

2号堆取料机臂架前端到1号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离为：

(6)

所述中控单元PLC还按公式：计算1号斗轮堆取料机臂架前端垂直于2号斗轮堆取料机臂架的垂足在水平面上投影的x轴坐标值；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（6）计算1号堆取料机臂架前端到2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(6)；

当时，所述中控单元PLC按以下公式（7）计算1号堆取料机臂架前端到2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离：

(7)

第1号堆取料机臂架前端到第2号堆取料机臂架在水平面上投影的最短距离为

(8)

中控单元PLC计算相邻两条轨道上两台堆取料机在水平面上投影之间的最短距离： ，

其中：L₁为第1号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为第1号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

L₂为第2号斗轮堆取料机臂架的长度，单位为m；

为第2号斗轮堆取料机的回转角度，单位为度；

x₁；y₁为1号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

x₂；y₂为2号斗轮堆取料机回转中心在水平面上投影的坐标位置；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；

当小于报警距离时，中控单元PLC发出报警信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行报警；当小于紧急停车距离时中控单元PLC发出停车信号给堆取料机PLC，堆取料机PLC根据该信号进行停车。