CN112506193B - 一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，包括流量监测防护模块、斗轮电机电流防护模块、皮带机电流防护模块、大车自动控制模块和障碍检测预警模块，同时监测累计物料流量、斗轮电机电流、皮带机电流、是否存在障碍物以及障碍物距离，实现多点融合，自动、安全地控制悬臂式斗轮机的斗轮电机、皮带机和大车运行，能在发生故障之前提前采取应对措施，或向工作人员发出预警。与现有技术相比，本发明具有自动化、取料效率高、及时性强和安全性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种斗轮机控制技术，尤其是涉及一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统。
背景技术
目前条形煤场的悬臂式斗轮机操作是由斗轮机上司机完成的，而司机对斗轮机的操作熟练度是取料效率的关键，无论是大车行走，取料臂下降、回转速度都要求较高的控制精度，司机对取料流量的判断除了依靠下游皮带机上安装的皮带秤计量，还可通过观察斗轮机电流来判断取料量的多少，也有部分司机是通过观察皮带上煤量多少来估算自己的取料量。当每次作业持续几个小时的时候，需要司机长时间保持注意力集中，特别是夜间取料，对司机更是一个巨大的挑战。一旦司机注意力不集中，或者取料时打瞌睡，轻则造成取料流量不稳，严重时可能会出现塌垛、斗轮过电流、悬臂皮带跳停等故障情况，严重影响了取料效率。虽然斗轮机上有一些机械限位或者是热继保护，但这些保护都是在发生故障后，才保护动作，一旦发生故障，不仅影响了输煤计划，而且还要耗费人力物力去解决故障，费时费力，造成经济损失。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，自动化，取料效率高，及时性强，安全性好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，包括流量监测防护模块、斗轮电机电流防护模块、皮带机电流防护模块、大车自动控制模块和障碍检测预警模块；
所述的流量监测防护模块包括物料流量计算单元和第一连锁控制单元，所述的物料流量计算单元用于获取累计物料流量，所述的第一连锁控制单元根据目标物料流量和累计物料流量调整斗轮电机的回转频率；
所述的斗轮电机电流防护模块包括斗轮电机电流采集单元和第二连锁控制单元，所述的斗轮电机电流采集单元用于采集斗轮电机的电流，所述的第二连锁控制单元根据斗轮机的电流调整斗轮电机的回转频率；
所述的皮带机电流防护模块包括皮带机电流采集单元和第三连锁控制单元，所述的皮带机电流采集单元用于采集皮带机的电流，所述的第三连锁控制单元根据皮带机的电流调整斗轮电机的回转频率；
所述的大车自动控制模块包括大车定位单元和第四连锁控制单元，所述的大车定位单元用于通过格雷母线获取大车在行走轨道上的定位，所述的第四连锁控制单元根据该定位控制大车进退；
所述的障碍检测预警模块包括障碍检测单元和第五连锁控制单元，所述的障碍检测单元用于通过超声波传感器检测悬臂周围以及大车的行走轨道上是否存在障碍物以及障碍物距离，所述的第五连锁控制单元根据障碍物距离发出警报以及控制悬臂和大车启停。
进一步地，所述的物料流量计算单元通过激光扫描仪周期性获取其正下方皮带上的物料截面面积，计算相邻两个物料截面之间的物料体积，通过累计该物料体积获得累计物料流量m，计算公式为：
m＝ρ·Vs
Vs＝∑Vi
h＝v·T
其中，S1和S2分别为相邻两个物料截面的面积，Vi为S1和S2之间的物料体积，Vs为累计物料体积，ρ为预设密度，v为皮带带速，T为激光扫描仪的扫描周期。
进一步地，所述的物料截面的面积的获取过程具体为：
当皮带空载时激光扫描仪扫描其正下方皮带的边缘，通过积分计算激光扫描仪的扫描面积，获得第一扫描面积，当皮带运载物料时激光扫描仪扫描其正下方皮带上物料的边缘，通过积分计算激光扫描仪的扫描面积，获得第二扫描面积，通过第一扫描面积减去第二扫描面积获得物料截面的面积。
进一步地，所述的第一连锁控制单元根据流量差比P调整斗轮电机的回转频率，所述的P的计算公式为：
其中，F1为目标物料流量，F2为累计物料流量；
当F1<F2时：
P>0.2时，将斗轮电机的回转频率调至最大回转频率，0.15<P<0.2时，将斗轮电机的回转频率升高第一设定值，0.1<P<0.15时将斗轮电机的回转频率升高第二设定值，P<0.1时斗轮电机的回转频率不变；
当F1>F2时：
P<0.1时，斗轮电机的回转频率不变，0.1<P<0.15时，将斗轮电机的回转频率降低第二设定值，0.15<P<0.2时，将斗轮电机的回转频率降低第一设定值，P>0.2时，将斗轮电机的回转频率调至最小回转频率。
进一步地，所述的斗轮电机电流防护模块调整斗轮电机的回转频率的具体过程为：
由小到大划分若干个角度范围，每个角度范围对应设置第一故障连锁值、第一报警值和第一设定时长，所述的第一故障连锁值大于第一报警值；
确定当前悬臂的俯仰角度所在的角度范围，并将斗轮电机的电流与该角度范围对应的第一故障连锁值和第一报警值进行比较；
当斗轮电机的电流大于第一报警值且小于第一故障连锁值时，所述的第二连锁控制单元通过调整斗轮电机的回转频率或者使斗轮电机空转使得斗轮电机的电流小于第一报警值；
当斗轮电机的电流大于第一故障连锁值且持续时长超过第一设定时长时，所述的第二连锁控制单元将斗轮电机断电。
进一步地，所述的第三连锁控制单元调整斗轮电机的回转频率的过程具体为：
设定第二故障连锁值和第二报警值，所述的第二故障连锁值大于第二报警值；
当皮带机的电流大于第二报警值且持续时长超过第三设定时长时，所述的第三连锁控制单元使斗轮电机停止回转；
当皮带机的电流大于第二故障连锁值且持续时长超过第二设定时长时，所述的第三连锁控制单元将斗轮电机断电。
进一步地，所述的第四连锁控制单元设定大车初始位置和步进距离；
所述的悬臂式斗轮机取料时第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车按步进距离前进，所述的悬臂式斗轮机完成取料后第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车返回至初始位置。
进一步地，所述的第五连锁控制单元发出警报以及控制悬臂和大车启停的具体过程为：
所述的第五连锁控制单元设定第三报警值和第三故障连锁值，所述的第三故障连锁值小于第三报警值；
当悬臂或大车的障碍物距离小于第三报警值且大于第三故障连锁值时，第五连锁控制单元发出警报信号，当悬臂或大车的障碍物距离小于第三故障连锁值时，第五连锁控制单元控制悬臂或大车停止。
一种悬臂式斗轮机的自动监测防护装置，包括控制器以及与控制器连接的监测模块、报警器和电源；
所述的监测模块包括激光扫描仪、超声波传感器、定位模块、第一电流传感器和第二电流传感器，所述的激光扫描仪设置在悬臂上，且位于皮带上方，所述的超声波传感器的数量为多个，多个超声波传感器设置在悬臂式斗轮机的大车沿行驶方向的前后两侧以及悬臂上，所述的定位模块与大车连接，所述的第一电流传感器与斗轮电机连接，所述的第二电流传感器与皮带机连接。
进一步地，所述的定位模块为格雷母线定位组件，包括地址编码发射器、地址编码接收器、格雷母线和天线箱，所述的格雷母线沿大车行走方向铺设在大车的行走轨道上，所述的地址编码发射器和天线箱设置在悬臂式斗轮机的大车上，所述的地址编码接收器设置在悬臂式斗轮机的驾驶室内。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明同时监测累计物料流量、斗轮电机电流、皮带机电流、是否存在障碍物以及障碍物距离，实现多点融合，自动、安全地控制悬臂式斗轮机的斗轮电机、皮带机和大车运行，能在发生故障之前提前采取应对措施，或向工作人员发出预警，能及时发现故障和安全隐患，避开障碍物，防止斗轮机因故障而损坏，取料效率高，及时性强，安全性好；
(2)本发明通过积分计算皮带空载和负载时激光扫描仪的扫描面积差，获得皮带上物料截面面积，周期性获取其正下方皮带上的物料截面面积，计算相邻两个物料截面之间的物料体积，累计该物料体积获得累计物料流量，精度高，成本低；
(3)本发明根据流量差比调整斗轮电机的回转频率，当未完成目标物料流量时按照流量差比对斗轮电机的回转频率进行分级提速，未完成的物料流量越多回转频率也快，提高取料效率，当完成目标物料流量后根据流量差比对斗轮电机的回转频率进行分级降速，超额完成的物料流量越多回转频率越低，避免斗轮机过载，安全性好；
(4)本发明由小到大划分若干个角度范围，每个角度范围对应设置第一故障连锁值、第一报警值和第一设定时长，确定当前悬臂的俯仰角度所在的角度范围，通常悬臂在工作时仰角越小或者俯角越大，斗轮电机的电流就越大，根据俯仰角度的大小设置对应的第一故障连锁值和第一报警值，斗轮电机的电流达到第一报警值时调整斗轮电机的回转频率或者使斗轮电机空转使得电流减小，提前采取措施减小电流，及时性好，斗轮电机的电流达到第一故障连锁值且持续时长超过第一设定时长时，第二连锁控制单元将斗轮电机断电，安全性好，避免电流过高损坏斗轮电机；
(5)本发明根据皮带机的电流控制斗轮电机的回转频率，当皮带机的电流大于第二报警值、小于第二故障连锁值且持续时长超过第三设定时长时，第三连锁控制单元使斗轮电机停止回转，当皮带机的电流大于第二故障连锁值且持续时长超过第二设定时长时，第三连锁控制单元将斗轮电机断电，及时降低皮带机负载，防止皮带机负载过大而损坏；
(6)本发明根据大车的定位控制大车按步进距离前进，悬臂式斗轮机完成取料后第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车返回至初始位置，精度高，安全性好；
(7)本发明采用格雷母线定位组件对大车进行定位，格雷母线抗恶劣环境，具有反向极性保护功能、防雷击、防射频干扰、防静电，同时格雷母线是位移量绝对型输出，不怕掉电，可靠性好，保证大车定位精度，提高作业的精确度，安全性好；
(8)本发明在悬臂或大车的障碍物距离小于第三报警值且大于第三故障连锁值时发出警报信号，及时提醒工作人，在悬臂或大车的障碍物距离小于第三故障连锁值时控制悬臂或大车停止，避免发生碰撞，安全性好。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为皮带空载时激光扫描仪扫描的轮廓线；
图3为图2的扫描面积分割示意图；
图4为皮带运载物料时激光扫描仪扫描的轮廓线；
图5为图4的扫描面积分割示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，如图1，包括流量监测防护模块、斗轮电机电流防护模块、皮带机电流防护模块、大车自动控制模块和障碍检测预警模块；
流量监测防护模块包括物料流量计算单元和第一连锁控制单元，物料流量计算单元用于获取累计物料流量，第一连锁控制单元根据目标物料流量和累计物料流量调整斗轮电机的回转频率；
斗轮电机电流防护模块包括斗轮电机电流采集单元和第二连锁控制单元，斗轮电机电流采集单元用于采集斗轮电机的电流，第二连锁控制单元根据斗轮机的电流调整斗轮电机的回转频率；
皮带机电流防护模块包括皮带机电流采集单元和第三连锁控制单元，皮带机电流采集单元用于采集皮带机的电流，第三连锁控制单元根据皮带机的电流调整斗轮电机的回转频率；
大车自动控制模块包括大车定位单元和第四连锁控制单元，大车定位单元用于通过格雷母线获取大车在行走轨道上的定位，第四连锁控制单元根据该定位控制大车进退；
障碍检测预警模块包括障碍检测单元和第五连锁控制单元，障碍检测单元用于通过超声波传感器检测悬臂周围以及大车的行走轨道上是否存在障碍物以及障碍物距离，第五连锁控制单元根据障碍物距离发出警报以及控制悬臂和大车启停。
物料流量计算单元通过激光扫描仪周期性获取其正下方皮带上的物料截面面积，计算相邻两个物料截面之间的物料体积，通过累计该物料体积获得累计物料流量m，皮带带速v为3m/s，激光扫描仪的扫描周期T为T为1/15s，激光扫描仪每秒扫描获得15个物料截面，m的计算公式为：
m＝ρ·Vs
h＝v·T＝0.2m
其中，S1和S2分别为相邻两个物料截面的面积，Vi为S1和S2之间的物料体积，Vs为累计物料体积，ρ为预设密度，v为皮带带速。
物料截面的面积的获取过程具体为：
如图2，当皮带空载时激光扫描仪扫描其正下方皮带的边缘，以激光扫描仪为原点，在激光扫描仪的扫描平面上建立坐标系，所获取的轮廓线上的光点(x，y)的坐标表达式为：
如图3，将图2所获得的轮廓上的光点的数量为D，将激光扫描仪的扫描面分割为D-1个梯形，通过积分计算激光扫描仪的扫描面积，获得第一扫描面积；
同理，如图4和图5，当皮带运载物料时激光扫描仪扫描其正下方皮带上物料的边缘，通过积分计算激光扫描仪的扫描面积，获得第二扫描面积，通过第一扫描面积减去第二扫描面积获得物料截面的面积。
第一连锁控制单元根据流量差比P调整斗轮电机的回转频率，P的计算公式为：
其中，F1为目标物料流量，F2为累计物料流量；
当F1<F2时，即还未完成取料：
P>0.2时，将斗轮电机的回转频率调至最大回转频率，0.15<P<0.2时，将斗轮电机的回转频率升高5.5Hz，0.1<P<0.15时将斗轮电机的回转频率升高2.74Hz，P<0.1时斗轮电机的回转频率不变；
当F1>F2时，即已超额完成取料：
P<0.1时，斗轮电机的回转频率不变，0.1<P<0.15时，将斗轮电机的回转频率降低2.74Hz，0.15<P<0.2时，将斗轮电机的回转频率降低5.5Hz，P>0.2时，将斗轮电机的回转频率调至最小回转频率。
空载取料时，斗轮电机电流相较于重载时小，在斗轮正常取料时，斗轮电机电流会随着斗轮的挖煤量的多少而变化，取料时，斗轮电机电流都会在某一数值附近波动，不同取煤量对应的斗轮电机电流也不一致，斗轮电机电流防护模块调整斗轮电机的回转频率的具体过程为：
由小到大划分若干个角度范围，每个角度范围对应设置第一故障连锁值、第一报警值和第一设定时长，第一故障连锁值大于第一报警值；
确定当前悬臂的俯仰角度所在的角度范围，并将斗轮电机的电流与该角度范围对应的第一故障连锁值和第一报警值进行比较；
当斗轮电机的电流大于第一报警值且小于第一故障连锁值时，第二连锁控制单元通过调整斗轮电机的回转频率或者使斗轮电机空转使得斗轮电机的电流小于第一报警值；
当斗轮电机的电流大于第一故障连锁值且持续时长超过第一设定时长时，第二连锁控制单元将斗轮电机断电。
第三连锁控制单元调整斗轮电机的回转频率的过程具体为：
设定第二故障连锁值和第二报警值，第二故障连锁值大于第二报警值；
当皮带机的电流大于第二报警值且持续时长超过第三设定时长时，第三连锁控制单元使斗轮电机停止回转；
当皮带机的电流大于第二故障连锁值且持续时长超过第二设定时长时，第三连锁控制单元将斗轮电机断电。
大车定位单元用于通过格雷母线获取大车在行走轨道上的定位，格雷母线利用单匝线圈的感应原理，当电磁发射器线圈中通入交变电流时，在电磁发射器附近会产生交变磁场，格雷母线近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，格雷母线芯线会产生感应电动势，发射单元地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的感应环线上，格雷母线抗恶劣环境，具有反向极性保护功能、防雷击、防射频干扰、防静电，同时格雷母线是位移量绝对型输出，不怕掉电，可靠性好；
第四连锁控制单元设定大车初始位置，并根据悬臂每层下降角度设定大车的步进距离，臂式斗轮机取料时，斗轮电机回转完成后第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车按步进距离前进，悬臂式斗轮机完成取料后第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车返回至初始位置，进行下一层的取料。
第五连锁控制单元发出警报以及控制悬臂和大车启停的具体过程为：
第五连锁控制单元设定第三报警值和第三故障连锁值，分别为2米和1米；
当悬臂或大车的障碍物距离小于2米且大于1米时，第五连锁控制单元发出警报信号，警示工作人员，当悬臂或大车的障碍物距离小于1米时，第五连锁控制单元控制悬臂或大车停止，防止发生碰撞，待操作人员确认后，方可继续行走，安全性好。
本实施例提出了一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，实现多点融合监测，自动、安全地控制悬臂式斗轮机的斗轮电机、皮带机和大车运行，能在发生故障之前提前采取应对措施，或向工作人员发出预警，能及时发现故障和安全隐患，避开障碍物，防止斗轮机因故障而损坏，取料效率高，及时性强，安全性好。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，包括：
流量监测防护模块，包括物料流量计算单元和第一连锁控制单元，所述的物料流量计算单元用于获取累计物料流量，所述的第一连锁控制单元根据目标物料流量和累计物料流量调整斗轮电机的回转频率；
斗轮电机电流防护模块，包括斗轮电机电流采集单元和第二连锁控制单元，所述的斗轮电机电流采集单元用于采集斗轮电机的电流，所述的第二连锁控制单元根据斗轮机的电流调整斗轮电机的回转频率；
皮带机电流防护模块，包括皮带机电流采集单元和第三连锁控制单元，所述的皮带机电流采集单元用于采集皮带机的电流，所述的第三连锁控制单元根据皮带机的电流调整斗轮电机的回转频率；
大车自动控制模块，包括大车定位单元和第四连锁控制单元，所述的大车定位单元用于获取大车在行走轨道上的定位，所述的第四连锁控制单元根据该定位控制大车进退；
障碍检测预警模块，包括障碍检测单元和第五连锁控制单元，所述的障碍检测单元用于检测悬臂周围以及大车的行走轨道上是否存在障碍物以及障碍物距离，所述的第五连锁控制单元根据障碍物距离发出警报以及控制悬臂和大车启停；
所述的第一连锁控制单元根据流量差比P调整斗轮电机的回转频率，所述的P的计算公式为：
其中，F1为目标物料流量，F2为累计物料流量；
当F1<F2时：
P>0.2时，将斗轮电机的回转频率调至最大回转频率，0.15<P<0.2时，将斗轮电机的回转频率升高第一设定值，0.1<P<0.15时将斗轮电机的回转频率升高第二设定值，P<0.1时斗轮电机的回转频率不变；
当F1>F2时：
P<0.1时，斗轮电机的回转频率不变，0.1<P<0.15时，将斗轮电机的回转频率降低第二设定值，0.15<P<0.2时，将斗轮电机的回转频率降低第一设定值，P>0.2时，将斗轮电机的回转频率调至最小回转频率；
所述的斗轮电机电流防护模块调整斗轮电机的回转频率的具体过程为：
由小到大划分若干个角度范围，每个角度范围对应设置第一故障连锁值、第一报警值和第一设定时长，所述的第一故障连锁值大于第一报警值；
确定当前悬臂的俯仰角度所在的角度范围，并将斗轮电机的电流与该角度范围对应的第一故障连锁值和第一报警值进行比较；
当斗轮电机的电流大于第一报警值且小于第一故障连锁值时，所述的第二连锁控制单元通过调整斗轮电机的回转频率或者使斗轮电机空转使得斗轮电机的电流小于第一报警值；
当斗轮电机的电流大于第一故障连锁值且持续时长超过第一设定时长时，所述的第二连锁控制单元将斗轮电机断电；
所述的第三连锁控制单元调整斗轮电机的回转频率的过程具体为：
设定第二报警值和第二故障连锁值，所述的第二故障连锁值大于第二报警值；
当皮带机的电流大于第二报警值、小于第二故障连锁值且持续时长超过第三设定时长时，所述的第三连锁控制单元使斗轮电机停止回转；
当皮带机的电流大于第二故障连锁值且持续时长超过第二设定时长时，所述的第三连锁控制单元将斗轮电机断电。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，所述的物料流量计算单元通过激光扫描仪周期性获取其正下方皮带上的物料截面面积，计算相邻两个物料截面之间的物料体积，通过累计该物料体积获得累计物料流量m，计算公式为：
m＝ρ·Vs
Vs＝∑Vi
h＝v·T
其中，S1和S2分别为相邻两个物料截面的面积，Vi为S1和S2之间的物料体积，Vs为累计物料体积，ρ为预设密度，v为皮带带速，T为激光扫描仪的扫描周期。
3.根据权利要求2所述的一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，所述的物料截面的面积的获取过程具体为：
当皮带空载时激光扫描仪扫描其正下方皮带的边缘，通过积分计算激光扫描仪的扫描面积，获得第一扫描面积，当皮带运载物料时激光扫描仪扫描其正下方皮带上物料的边缘，通过积分计算激光扫描仪的扫描面积，获得第二扫描面积，通过第一扫描面积减去第二扫描面积获得物料截面的面积。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，所述的第四连锁控制单元设定大车初始位置和步进距离；
所述的悬臂式斗轮机取料时第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车按步进距离前进，所述的悬臂式斗轮机完成取料后第四连锁控制单元根据大车的定位控制大车返回至初始位置。
5.根据权利要求1所述的一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，所述的第五连锁控制单元发出警报以及控制悬臂和大车启停的具体过程为：
所述的第五连锁控制单元设定第三报警值和第三故障连锁值，所述的第三故障连锁值小于第三报警值；
当悬臂或大车的障碍物距离小于第三报警值且大于第三故障连锁值时第五连锁控制单元发出警报信号，当悬臂或大车的障碍物距离小于第三故障连锁值时，第五连锁控制单元控制悬臂或大车停止。
6.根据权利要求1所述的一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，所述的大车定位单元通过格雷母线获取大车在行走轨道上的定位。
7.根据权利要求1所述的一种悬臂式斗轮机的自动监测防护系统，其特征在于，所述的障碍检测单元通过超声波传感器检测悬臂周围以及大车的行走轨道上是否存在障碍物以及障碍物距离。
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