CN113371610A - 一种旋流井行车自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋流井行车自动控制系统，属于自动控制领域，包括信号数据连接的主控单元、地面操作单元、中控HMI、电气控制单元、大小车地址检测单元、现场信号检测单元、汽车定位单元。与现有技术相比较，可以实现自动抓取、存放、装车、行车定位控制、行车稳定快速控制。

Description

一种旋流井行车自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种自动控制系统，特别是一种适用于旋流井行车的自动控制系统。

背景技术

钢铁冶金连铸和轧钢过程中产生的氧化铁皮，通过高压水把钢表面的氧化铁皮渣冲到旋流井内，在旋流井内沉淀，然后通过控制行车抓斗实现对旋流井内氧化铁皮渣的抓取、储存和装车。行车自动定位控制技术比较成熟，但是要实现对旋流井内氧化铁皮的抓取、存放及装车，实现旋流井行车完全自动控制，需要一整套完整技术支撑，包括：行车定位、料堆模型建模、料堆模型控制、汽车定位、装车模型等。

但是旋流井抓料后的自动堆料、料池物料的自动取料及自动装车等，牵涉到料堆模型建模、料堆模型控制及装车模型控制技术，常规的PLC控制算法很难实现，如采用激光扫描及图像识别等技术，通过复杂的计算机建模，可实现料堆模型控制，但是开发成本高、周期长，故国内还未有成功应用案例，限制了旋流井行车自动抓渣的应用，导致旋流井行车一般采用人工操作实现。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种的旋流井行车自动控制系统，通过PLC自动控制技术，完成对行车抓斗的自动定位；建立料堆模型，实现对料堆的自动堆料模型控制和取料模型控制，实现对氧化铁皮料的自动堆放和取料；通过汽车定位技术和装车控制模型，实现对物料的自动装车功能。通过这些技术的应用，实现对旋流井内氧化铁皮渣的自动抓取、存放，物料池物料的自动抓取、装车功能。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种旋流井行车自动控制系统，其特征在于：包括主控单元、地面操作单元、中控HMI、电气控制单元、大小车地址检测单元、现场信号检测单元、汽车定位单元；

所述的主控单元，包括与无线交换机数据连接的PLC控制系统；PLC控制系统连接无线交换机，通过与地面无线交换机的数据连接，实现与触摸屏及中控HMI通信；

所述的地面操作单元，包括与交换机数据连接的触摸屏和无线交换机，通过触摸屏实现行车的就地操作；

所述的中控HMI，为远程人机操作界面，中控HMI连接交换机，并与地面控制单元的交换机数据连接，以实现与PLC控制系统的网络连接和数据交换；

所述的电气控制单元，包括串联的大车防摇变频器、小车防摇变频器和抓斗变频器，首端的防摇变频器与所述的主控单元数据连接，尾端的抓斗变频器与所述的现场信号检测单元数据连接；

所述的地址检测单元，包括大车地址检测部分、小车地址检测部分和格雷定位控制柜；所述的大车地址检测部分包括大车格雷编码电缆、大车天线箱、大车地址码发生器和大车解码器；大车地址码发生器安装于大车格雷编码电缆的始端箱内，并与大车的天线箱和大车解码器信号顺序连接，通过电磁感应实现与格雷编码电缆的信号交换，实现位置检测；所述的小车地址检测部分包括小车格雷编码电缆、小车天线箱、小车地址码发生器和小车解码器；小车地址码发生器则直接安装在小车上，并与小车的天线箱和小车解码器信号顺序连接；所述的格雷定位控制柜内有地址转换器，分别与大车解码器、小车解码器信号连接；所述的地址转换器与PLC控制系统网络连接，完成大小车位置检测；

所述的现场信号检测单元，包括与称重传感器数据连接的称重变送器，支撑、合闭缆编码器；所述的称重传感器及称重变送器，将重量信号转换为4~20mA信号，连接所述的主控单元，数据进入主控单元PLC控制系统模拟量信号模块，实现重量信号的检测；所述的支撑、合闭缆编码器串接到所述电气控制单元的尾端变频器；

所述的汽车定位单元，用于汽车位置检测，与所述的地面操作单元的交换机数据连接。

上述的中控HMI连接交换机，并通过光纤与地面控制单元的交换机数据连接。

上述的地址转换器与PLC控制系统通过DP电缆连接。

上述的称重变送器通过屏蔽电缆，滑线连接所述的主控单元。

上述的支撑、合闭缆编码器通过滑线DP电缆串接到所述电气控制单元的尾端变频器。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出的有益效果：

1、本发明将料堆的有限的物料空间网格化，当物料堆料时，建立堆料模型控制算法，完成料堆物料存贮；

2、通过该堆料模型的自动控制，实现了对料堆的自动堆料功能即使在驾驶室手动操作，在随意位置放料情况下，也能对点阵模型进行自动修正，确保了料堆模型的实时性和准确性；

3、通过行车自动定位检测及控制技术，实现行车定位控制；

4、通过变频防摇技术的应用，实现了行车稳定快速控制；

5、实现对旋流井内氧化铁皮渣的自动抓取、存放及料池堆物料的自动抓取、装车功能，摆脱人工控制具有的重复性劳动效率不高，工作时间长，劳动强度大的弊病，并提升行车运行的安全。

附图说明

图1是本发明的系统功能框图。

图2是本发明的一键自动抓渣控制流程图。

图3是本发明的一键自动装车控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明为一种旋流井行车自动控制系统，采用PLC自动化控制系统技术，实现对行车的定位等信号的检测，并通过对料堆及汽车建立料堆模型，开发出料堆模型的自动堆料控制模型和取料控制模型，实现氧化铁皮料堆的自动取料和堆料；通过汽车定位技术和装车控制模型，实现物料的自动装车功能。通过这些技术的应用，实现对旋流井内氧化铁皮渣的自动抓取、存放及料池堆物料的自动抓取、装车功能。

如图1所示，本发明实施例包括主控单元、地面操作单元、中控HMI、电气控制单元、大小车地址检测单元、现场信号检测单元、汽车定位单元。

（1）主控单元

包括与无线交换机数据连接的PLC控制系统，是整个系统核心控制部分，安装于自动化控制柜内。PLC控制系统连接无线交换机，通过与地面无线交换机的数据连接，实现与触摸屏及中控HMI通信。

（2）地面操作单元

包括与交换机数据连接的触摸屏和无线交换机，通过触摸屏实现行车的就地操作。

（3）中控HMI

为远程人机操作界面，中控HMI连接交换机，并通过光纤与地面控制单元的交换机数据连接，以实现与PLC控制系统的网络连接和数据交换

（4）电气控制单元

包括串联的大车防摇变频器、小车防摇变频器和抓斗变频器，首端的防摇变频器与所述的主控单元数据连接，尾端的抓斗变频器与所述的现场信号检测单元数据连接。为行车大小车、抓斗电机电气控制回路，通过变频器实现行车的控制。大小车变频器为防摇变频器，具备防摇功能，用于行车防摇控制。所述的变频器安装于行车配电柜内。

（5）地址检测单元

包括大车地址检测部分、小车地址检测部分和格雷定位控制柜。

所述的大车地址检测部分包括大车格雷编码电缆、大车天线箱、大车地址码发生器和大车解码器。大车地址码发生器安装于大车格雷编码电缆的始端箱内，并与大车的天线箱和大车解码器信号顺序连接，通过电磁感应实现与格雷编码电缆的信号交换，实现位置检测。

所述的小车地址检测部分包括小车格雷编码电缆、小车天线箱、小车地址码发生器和小车解码器。小车地址码发生器和天线箱直接安装在小车上，小车天线箱发射后格雷编码电缆电磁感应后，小车解码器接收信号。

所述的格雷定位控制柜内有地址转换器，分别与大车解码器、小车解码器信号连接。所述的地址转换器留有DP网络接口，通过DP通信协议实现与PLC控制系统的网络连接，完成大小车位置检测。

（6）现场信号检测单元

包括与称重传感器数据连接的称重变送器、支撑、合闭缆编码器。所述的称重传感器及称重变送器，将重量信号转换为4~20mA信号，直接通过屏蔽电缆，滑线连接所述的主控单元，数据进入主控单元PLC控制系统模拟量信号模块，实现重量信号的检测；所述的支撑、合闭缆编码器带有DP通信接口，通过滑线DP电缆串接到所述电气控制单元的尾端变频器，这样PLC控制系统通过DP电缆的串接，实现抓斗垂直位置检测。

（7）汽车定位单元

用于汽车位置检测，与所述的地面操作单元的交换机数据连接。

需要说明的是，上述实施例中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。

本发明自动控制系统的控制包括：

1、行车定位检测

行车位置检测包括大车平面位置、小车平面位置，抓斗垂直位置，这样将行车抓斗位置构成一个立体三维模型。

大、小车平面位置检测采用格雷编码电缆定位技术实现，该技术具有抗干扰能力强，适用于恶劣的工业环境，绝对位置检测的特点，定位精度5mm。

抓斗垂直位置采用绝对值编码器进行定位。

2、行车防摇控制

行车正常工作时，大、小车运行机构在启动、制动过程中所产生的加、减速过程会导致所悬挂的抓斗产生一定摆幅的摆动，吊具对物料的抓取和卸载作业无法安全、有效地进行，直接影响到了起行车使用的生产效率，对频繁作业的旋流井行车而言，这种摆动制约着生产效率的提升，也对设备和起重机本身带来极大的安全隐患。为此将抓斗摆动的摆幅抑制在一定安全范围内也是需要解决的问题。

在自动化控制行车时，就只能依靠防摇设备和自动控制算法来防止载荷发生摇摆，防摇设备一般采用电子防摇产品实现，较为成熟的为变频防摇控制功能，该技术应用广泛，成本较低。

变频自带防摇控制技术采用开环防摇摆控制技术，通过修改发给电气控制系统的速度命令信号而连续限制摆动，通过检查吊钩的起升高度来计算摆动的角度，然后通过给定的加速度和减速来抵消摆角。该技术为现有技术，此处不再具体叙述。

抓斗起升机构采用标准的起重专用变频器，大小车采用带有防摇功能的起重机专用变频器。

3、汽车位置检测

要实现物料装车，必须得到汽车斗立体空间区域位置，汽车位置检测方法为：要求汽车停放固定一侧位置，汽车尾部安装激光测距，这样可以获得汽车斗后侧一个角绝对位置，再根据输入的汽车斗长度、宽度、地板高度、栏板高度，一个汽车斗的三维位置模型即可获得，这样就实现了汽车位置检测。

4、料堆模型建立

（1）料堆模型规划

将料池划分为n×m个点阵。每个点阵均记录物料高度，这样将料池构建为一个三维区域的数学模型，模型精度为点阵间距离，点阵数量越多，越能反应料池中料堆模型，料堆模型越精确。但是抓斗在对物料进行堆、取料控制时，抓斗控制范围内的物料高度基本相同，过多数量的三维点阵增加了PLC计算量和存储空间，故点阵宽度，也即点阵距离，一般取抓斗张开宽度为宜。

（2）塌方斜率设定

氧化铁皮料堆模型与沙堆模型一致，在堆料过程中当氧化铁皮堆的高度达到一定程度以后，一小点的氧化铁皮落下可能引发整个料堆的崩塌，并向四周扩散。料堆崩塌时料堆坡面斜角α就是堆料最大坡度，根据氧化铁皮特性，选取α大小在30º~70º之间，优化方案中为35º~50º，料堆坡面斜率为tag（α）。

料堆模型满足塌方斜率，即相邻点阵的斜率（高度差/点阵距离）≤tag（α）。

5、料堆模型控制

料堆模型控制包括堆料模型控制、取料模型控制。

所述的堆料模型控制的目的是实现抓斗一次放料后，更新料堆模型的控制算法。

（1）抓斗状态判断

抓斗的控制通过由支撑缆和闭合缆实现。

抓斗闭合时，支撑缆和闭合缆高度一致，这作为抓斗闭合的判断依据。

抓斗在闭合状态下，当闭合缆向下降时，抓斗因重力作用，抓斗逐渐张开，直至最大张开位置，这时支撑缆和闭合缆的高度差作为抓斗张开的判断依据。

抓斗闭合过程与之相反。

抓斗整体升降时（不对抓斗进行开合动作），则支撑缆和闭合缆同时执行同一动作，即同升或同降。

（2）放料物料分布

抓斗在水平面堆料时，物料分布区域是以抓斗合闭轴为中心线，以抓斗张开方向向两侧扩散，两侧各扩散点增加高度h基本遵循正态分布曲线函数：

其中h_max为中心点增加高度，根据卸料量确定。在坡面堆料时，物料卸料向下坡面一侧进行倾斜卸料，所以堆料区域分布中，上坡面影响区域比较小，所以分布曲线向中心靠拢，下坡面方差σ较大，影响区域扩大，分布曲线向外围扩张。

（3）料斗放料后，得到放料点中心位置和物料高度

（4）堆料中心点四周点阵高度修正

根据中心点到点阵距离、中心点高度、原点阵高度，卸料重量、物料分布函数，计算修正四周点阵高度。

（5）四周点阵外围一圈点阵高度修正

修正方法主要是根据崩塌斜率坡度最大原则进行高度调整。

所述的取料模型控制的目的是实现一键自动装车中的取料算法。

（1）抓斗状态判断

（2）抓斗取料影响区域

抓斗在取料时，按抓斗张开区域进行取料，抓斗一次取料后，不考虑塌方因素，其对料堆的影响区域为抓斗张开区域内。

如果料面不平，其过程：在抓料过程中，闭合缆提升，导致抓斗在高料位侧向下抓料，而低料位侧抓斗提升，抓料能力减弱，最终抓料影响区域大部分在高料位侧，低料位侧影响较小。

（3）抓斗中心点四周点阵高度修正

根据抓料后抓斗中心点高度、距离、中心点与原点阵高度，计算修正四周点阵高度。

具体为：一次抓料后，影响区域以抓斗中心四周h11、h12、h21、h22四个点阵。抓斗中心点高度为h，影响四个点的原高度为h11、h12、h21、h22。抓斗中心点到4个点阵中心点距离分别为d11、d12、d21、d22。当然存在中心点位于料池的边缘或4个角落的情况，这是影响区域为2个或单个点阵（在角落是为单个），需要对这种特殊情况进行考虑，其取料高度模型计算方法与四个点是一致的。

点阵高度修正公式为：

修正点阵高度h=抓料后抓斗中心点高度h0＋距离系数df×高度差hb×（1-抓斗面积占比Sp）。

a)抓料后抓斗中心点高度h0

抓斗抓料时，抓斗降落，当重量减轻为0时，表示抓斗已落到位，这时闭合缆提升，开始抓料，直至抓斗闭合，取这时支撑缆的高度即为取料后的物料高度。

b)距离系数df

距离系数根据抓斗中心点与点阵中心点距离d（四个点阵分别为：d11、d12、d21、d22）确定，函数关系式为指数函数，距离越近越趋近于0，表示该点阵高度与抓料后高度一致。

c)高度差hb

hb=点阵原高度-抓料后抓斗中心点高度h0

d)抓斗面积占比Sp

抓斗面积占比是指抓料时，抓点影响区域在该点阵中面积占比。等于1表示完全覆盖。

根据上述公式计算修正点阵高度后，还需要对点阵高度根据塌方斜率进行一次修正，即修正后的点阵高度h与抓料后抓斗中心点高度h0满足塌方斜率。

首先计算斜率k=|h-h0|/d。再根据k进行分析：

若，k≤tag(α)，则：接收修正点阵高度。

若，k> tag(α)，则：修正后的点阵高度为：抓料后抓斗中心点高度h0＋d×tag(α)。

（4）四周点阵外围一圈点阵高度修正

取料完成后，即可获得了取料中心点位置和高度，计算取料中心点到外围一圈各点阵物料高度斜率，对超过塌方斜率的点阵进行修正。

外围点阵与抓斗中心点高度进行斜率比较，当斜率小于塌方斜率时，外围点高度将不进行修改，否则按塌方斜率进行修正。

6、汽车装车控制模型

（1）汽车装料模型

卡车宽度一般在2.2米~2.5米之间，抓斗张开宽度为1.8米~2米，这个宽度正好能容纳抓斗放料宽度，所以汽车模型划分为一排装车点阵，点阵个数根据汽车长度确定，每个汽车斗两端点阵必须留出足够的安全距离，以确保装车时，抓斗不会触碰到汽车斗头尾拦板，实现了防碰撞安全控制。

点阵个数＝（汽车长度－2×抓斗与汽车安全距离）/抓斗宽度

上述公式获得的点阵个数需要取整，取整后为最终确定的点阵个数，根据确定的点阵个数，重新计算点阵宽度，计算公式如下：

点阵宽度＝（汽车长度－2×抓斗与汽车安全距离）/点阵个数

对汽车装车的每个点阵，均记录物料高度，这样将汽车斗物料构建为一个三维区域的数学模型。

（2）塌方斜率

对汽车一次装车后，可能引发料堆部分区域发生崩塌。料堆崩塌时料堆坡面斜角α就是堆料最大坡度，根据氧化铁皮特性，选取α大小在30º~70º之间，优化方案中为35º~50º，坡面塌方斜率为tag（α）。

汽车装料时，相邻点阵的斜率（＝高度差/点阵距离）≤tag（α）。

（3）汽车装料物料高度

放料时，抓斗闭合状态下降落，直至抓斗重量减为0时，表示抓斗已触碰到物料，这时抓斗的高度即为物料高度。

如果放料时，低于汽车底板高度，重量还未减少，说明抓斗未触碰到汽车地板，说明装车点未停放汽车，系统将发出故障报警，并停止放料，确保安全。如果首次放料时，抓斗位置高度≥汽车斗栏板高度，说明装料点触碰到汽车斗栏板，说明汽车定位存在问题，系统发出故障报警，并停止放料。通过抓斗卸料高度判断，可以排除汽车定位不准或汽车不在停车位置的一些特殊情况，有效地保证了装车安全。实现了特殊情况下的防撒料防碰撞的安全控制。

（4）汽车放料后物料高度修正

汽车一次放料后各点阵高度修正方法与料池卸料方法一致，只不过影响区域为相邻两个点阵，相邻两个点阵往外两个点阵按是否满足塌方规则进行。

（5）装车点阵顺序

抓斗装车时，不是按点阵顺序装车，而是隔点装车。例如汽车装车点阵个数为5个，则装车点阵顺序为：1→3→5→2→4→1……，如此循环往复。

按此顺序装车好处为在两个堆峰间放料，抓斗放料不易倾倒，同时防撒料效果较好。

当某个点的物料高度≥（汽车斗栏板高度－防撒料安全卸料高度），则该点已装满，不能再进行装料，否则物料将漫过栏板，向外撒料，这时，将跳过该点，向下一个点阵装料，直至所有点阵均装满料，装料结束。

（6）装车停止模式

装车停止方式有三种：装满模式、重量模式、装车次数模式。

①装满模式：即所有点阵装料高度≥（汽车斗栏板高度－防撒料安全卸料高度）；

②重量模式：装料重量超过设定重量值停止，如果达到装满模式条件也将停止；

③装车次数模式：抓斗装车次数超过设定值停止，如果达到装满模式条件也将停止。

本发明系统控制主要功能有：一键自动抓渣、一键自动装车、安全控制功能。其中自动抓渣和自动装车不能同时运行，只能选其一，安全控制功能贯穿行车运行全过程。

1）一键自动抓渣

如图2所示，实现行车自动从旋流井内抓渣，并自动存放到料池中。氧化铁皮料料池需要应用料堆模型的堆料模型控制。

2）一键自动装车

如图3所示，实现行车自动装车功能，即自动从料池中抓料，并存放到汽车中。该过程应用了料堆模型的取料模型控制、汽车装车模型。

3）安全控制功能

安全控制贯穿行车运行全过程，包括：通信故障急停控制功能、急停按钮及极限位置停机功能、行车防撞功能、起重量限制功能、抓斗垂直位置与平移的安全防碰功能、防撒料功能、人员登机防动功能等，通过这些安全功能的应用，保证行车安全运行，保障人员和设备的安全。

需要说明的是，本实施例中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。在上文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明申请实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种旋流井行车自动控制系统，其特征在于：包括主控单元、地面操作单元、中控HMI、电气控制单元、大小车地址检测单元、现场信号检测单元、汽车定位单元；

所述的主控单元，包括与无线交换机数据连接的PLC控制系统；PLC控制系统连接无线交换机，通过与地面无线交换机的数据连接，实现与触摸屏及中控HMI通信；

所述的地面操作单元，包括与交换机数据连接的触摸屏和无线交换机，通过触摸屏实现行车的就地操作；

所述的中控HMI，为远程人机操作界面，中控HMI连接交换机，并与地面控制单元的交换机数据连接，以实现与PLC控制系统的网络连接和数据交换；

所述的电气控制单元，包括串联的大车防摇变频器、小车防摇变频器和抓斗变频器，首端的防摇变频器与所述的主控单元数据连接，尾端的抓斗变频器与所述的现场信号检测单元数据连接；

所述的地址检测单元，包括大车地址检测部分、小车地址检测部分和格雷定位控制柜；所述的大车地址检测部分包括大车格雷编码电缆、大车天线箱、大车地址码发生器和大车解码器；大车地址码发生器安装于大车格雷编码电缆的始端箱内，并与大车的天线箱和大车解码器信号顺序连接，通过电磁感应实现与格雷编码电缆的信号交换，实现位置检测；所述的小车地址检测部分包括小车格雷编码电缆、小车天线箱、小车地址码发生器和小车解码器；小车地址码发生器则直接安装在小车上，并与小车的天线箱和小车解码器信号顺序连接；所述的格雷定位控制柜内有地址转换器，分别与大车解码器、小车解码器信号连接；所述的地址转换器与PLC控制系统网络连接，完成大小车位置检测；

所述的现场信号检测单元，包括与称重传感器数据连接的称重变送器，支撑、合闭缆编码器；所述的称重传感器及称重变送器，将重量信号转换为4~20mA信号，连接所述的主控单元，数据进入主控单元PLC控制系统模拟量信号模块，实现重量信号的检测；所述的支撑、合闭缆编码器串接到所述电气控制单元的尾端变频器；

所述的汽车定位单元，用于汽车位置检测，与所述的地面操作单元的交换机数据连接。

2.根据权利要求1所述的旋流井行车自动控制系统，其特征在于：所述的中控HMI连接交换机，并通过光纤与地面控制单元的交换机数据连接。

3.根据权利要求1所述的旋流井行车自动控制系统，其特征在于：所述的地址转换器与PLC控制系统通过DP电缆连接。

4.根据权利要求1所述的旋流井行车自动控制系统，其特征在于：所述的称重变送器通过屏蔽电缆，滑线连接所述的主控单元。

5.根据权利要求1所述的旋流井行车自动控制系统，其特征在于：所述的支撑、合闭缆编码器通过滑线DP电缆串接到所述电气控制单元的尾端变频器。

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