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斗轮机定位校准技术
来源:交通运输部 港口科技 | 作者:广州港口航运协会 | 发布时间: 2022-06-24 | 114 次浏览 | 分享到:

斗轮机定位校准技术 

针对斗轮机编码器定位方式,提出斗轮机大车位置、悬臂回转角度和悬臂俯仰角度的校准方法。实践表明,斗轮机定位装置的冗余配置和校准实现了斗轮机定位的高精度和高可靠性,满足斗轮机智能控制系统的定位要求,为斗轮机全自动智能控制和就地无人值守提供技术基础和保障。


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引言

 

斗轮机作为一种连续高效的散料输送设备,被广泛应用于电厂、散料码头、矿山、钢铁厂等重要工业领域,在国民经济发展中发挥着重要作用。 随着科技的发展,结合精确定位、三维测控、自动化控制、实时数据库、图像监控和安全防范等技术,建立斗轮机的远程全自动控制,进而实现斗轮机就地无人值守,达到减人增效的目的。《中国制造2025》是促进工业化和信息化深度融合、实现我国制造业向智能化方向发展的战略文件。同时,为响应国家及地方政府出台的环保政策,新建及原有储料场均须采用封闭或半封闭管理。斗轮机智能化控制技术是斗轮机的主要发展方向。目前,国内斗轮机智能化相关研究主要集中在斗轮机在料场中的位置定位和设备间的防碰撞等2个方面,这是斗轮机智能化控制的基础。针对斗轮机编码器定位方式,研究斗轮机定位校准技术以减小斗轮机定位误差、提高系统定位精度,为斗轮机全自动智能控制和可靠运行提供技术基础和保障。

1斗轮机定位

斗轮机在堆取料作业过程中,堆料、取料作业的目标位置和斗轮位置由大车位置和悬臂位置决定。斗轮机的定位参数主要包括大车位置、悬臂俯仰角度和悬臂回转角度等。斗轮机的定位技术主要包括北斗/GPS、编码器、超宽带(Ultra Wide Band,UWB)定位等。北斗/ GPS定位技术和UWB定位技术通过检测斗轮机悬臂和大车上的2个定位点的空间定位信息,利用高斯投影算法、坐标变换法、空间位置几何关系算法等实现从空间定位信息到斗轮机定位参数的转换,进而确定斗轮机定位参数。通过安装在大车和悬臂中心的编码器直接获取大车位置、悬臂回转角度、悬臂俯仰角度等数据,实现斗轮机定位。不同定位技术各有其优缺点。北斗/GPS定位技术采用实时差分(Real-Time Kinematic,RTK)定位技术,误差控制在5 cm内,但只适用于室外环境,同时受恶劣天气、宇宙射线等影响,存在定位数据丢失的偶发性问题。UWB定位方法误差可达10 cm[7],适用于室外和室内,但受无线通信技术的多径效应、非视距传输等影响较大,具有较大随机性,存在实时检测数据与实际位置偏差值的统计标准误差偏大的问题。编码器定位方法受运行环境影响较小,但其检测精度受长期运行累积误差的影响,需要定期校准。斗轮机定位是提高斗轮机全自动控制系统可靠性的关键。目前业界普遍采用“1+1”或“1+2”的冗余配置方法,以提高斗轮机定位系统的运行可靠性。同时,对斗轮机定位系统进行实时校准,以减小系统运行误差、提高系统动态检测精度。由于煤场封闭导致北斗/GPS定位方法失效、UWB定位方法不稳定,斗轮机采用以编码器为主的定位方法。
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斗轮机定位校准

业内对于斗轮机定位校准方法研究和工程应用的报道较少。针对斗轮机大车位置、悬臂回转角度、悬臂俯仰角度,工程上采用不同的校准方式。

2.1 大车位置校准方案在斗轮机人工作业条件下,在轨道行程区间的中点位通过机械碰触开关来给大车编码器置位,以此校正大车编码器,实现与大车行程指示同步。由于机械触点故障较多且轨道全程只有1个校准点,当斗轮机在轨道的某一区间来回连续作业时,大车位置不能及时校准,容易导致斗轮机行程误差偏大。大车位置校准方案采用RFID校准技术,在轨道上沿线均匀布置含RFID芯片的载码体作为校准点,同时在斗轮机大车底部位置安装1个载码体感应器。随着大车的移动,载码体感应器在经过校准点时自动读取识别校准点RFID芯片信息并反馈至斗轮机全自动控制系统可编程逻辑控制器(PLC),后者对大车编码器进行校准。校准点的间隔距离可为10 m、20 m或30 m。校准点的间隔距离越短,校准动作越频繁,大车编码器行程累积误差越小。安装时通过调整校准点载码体与载码体感应器之间的相对空间位置,可减少RFID技术引入的固有检测误差。大车位置校准示意图见图1。

2.2 悬臂回转角度校准方案当斗轮机悬臂从煤场的一侧回转到另一侧时,一般在轨道回转0°处设置回转校准装置,能够实现悬臂跨场时的回转角度校准。但是,当斗轮机在煤场同一侧,即回转角度在(0°,90°)或(-90°,0°)连续运行时,缺乏相应的校准机制。因此,斗轮机在煤场同侧连续回转运行一段时间后,会产生回转角度检测的累积误差。现场运行经验显示,回转角度检测误差最大可达3°,即50 m长度悬臂的斗轮机将引起最大2.6 m的斗轮位置偏差,导致斗轮机的堆取料工作效率和堆场容积利用率大幅降低、取煤剩余煤层过厚等问题,进而产生塌煤、斗轮触碰大车轨道地基等安全风险,影响煤场的安全运行。悬臂回转角度校准方案采用非接触式校准方式,配置感应范围比RFID更小、方向性更好、精度更高的磁簧开关。悬臂回转角度校准系统由斗轮机全自动控制系统PLC、回转编码器和若干对回转校准感应头、回转校准块等组成。悬臂回转校准系统组成示意图见图2。回转校准感应头、回转校准块组合的配置数量越多,回转校准越频繁,回转角度的累积误差越小。

在斗轮机回转机构的回转支撑上-45°、0°、45°等3处设置不同高度且内置永磁体的回转校准块,在悬臂上对应的不同高度设置3个回转校准感应头,回转校准感应头由磁簧开关制成。悬臂回转校准装置布置示意图见图3。当悬臂经过回转校准块时,相同高度的回转校准感应头产生开关信号,再将开关信号反馈至斗轮机全自动控制系统PLC,后者根据开关信号确定回转校准位置,对回转编码器进行校准。

2.3 悬臂俯仰角度校准方案系统采用基于高精度重力感应技术的倾角仪和俯仰编码器冗余配置方式检测悬臂俯仰角度。倾角仪在悬臂回归到水平位置时系统自动归零,因此不存在累积误差,无须校准。同时,倾角仪可用于校准俯仰编码器。
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斗轮机定位校准技术应用宁波舟山港某矿石码头是以铁矿石、煤等散货海陆转运作业为主的码头,堆场配置有5台斗轮机,其额定堆取料效率均为5 000 t/h,大车行程为0~400 m,悬臂回转半径为53 m,回转角度范围为±120°,俯仰角度范围为±13°。为实现斗轮机智能化改造,斗轮机定位系统采用多套冗余配置方式,主要包括:配置GPS/北斗RTK定位系统;采用左右2套大车编码器检测大车位置;采用2套回转编码器检测悬臂回转角度;采用2套倾角仪检测悬臂俯仰角度。其中,编码器采用德国库伯勒(Kubler)公司生产的16位分辨率编码器,其检测精度高。为减小编码器运行中产生的累积误差,系统采用大车位置校准、悬臂回转角度校准和悬臂俯仰角度校准等措施实现斗轮机定位校准。3.1 大车位置校准为消除斗轮机大车编码器的行程累积偏差,系统配置多个RFID校准点。在大车轨道沿线的地面皮带机侧边,每间隔20 m距离安装1个载码体,载码体带有地址码。载码体感应器安装在斗轮机大车下部,安装时载码体与载码体感应器之间的感应间距需控制在50 mm左右。在校准时,还需要考虑因同心度影响校准时斗轮机可能存在的1~3 cm侧移。当大车前进或后退经过载码体时,载码体感应器读取载码体的地址码,系统根据载码体地址码自动确定大车位置,并校准大车编码器数据。在大车行程区间内,系统能够通过多点位置校准消除因大车编码器安装存在的压轮与轨道打滑造成的累积误差。大车位置校准装置主要由安装在大车轨道沿线的载码体和安装在斗轮机大车下部的载码体感应器、端子箱等组成,端子箱的信号连接至斗轮机全自动控制系统PLC。大车位置校准装置安装现场见图4。

3.2 悬臂回转角度校准在工程实施时,考虑到悬臂回转编码器的历史累积偏差小于5°且校准点之间的回转角度相差较大,简化悬臂回转校准装置安装方式和校准逻辑。在斗轮机回转机构的回转支撑上±75°、±45°、0°等5处分别安装相同高度的回转角度校准块,在悬臂上安装1个回转校准感应头,回转校准感应头信号通过端子箱连接至斗轮机全自动控制系统PLC。当回转校准感应头经过回转角度校准块并触发校准信号时,斗轮机全自动控制系统PLC自动将悬臂回转编码器的检测值设置为离检测值最近的校准值。例如,当悬臂回转编码器数值为46.2°时发生校准信号,则悬臂回转编码器检测值自动校准为45°。回转角度校准装置主要由安装在斗轮机回转支撑上的回转角度校准块和安装在悬臂上的回转校准感应头、端子箱等组成。悬臂回转角度校准装置安装现场见图5。

3.3 悬臂俯仰角度校准悬臂俯仰角度检测采用2套基于重力感应技术的倾角仪。倾角仪在运行过程中不会产生累积误差,因此无须校准。悬臂俯仰角度检测装置信号连接至斗轮机全自动控制系统PLC。悬臂俯仰角度检测装置安装现场见图6。

4应用效果

通过斗轮机定位装置的冗余配置和定位校准,系统实现斗轮机定位的高精度和高可靠性,满足斗轮机全自动控制系统的定位精度要求。斗轮机定位主要技术指标:大车位置误差≤20 mm;悬臂回转角度误差≤0.1°;悬臂俯仰角度误差≤0.1°。在斗轮机高精度定位基础上,通过智能化升级改造,码头堆场斗轮机均实现远程全自动集中控制和就地无人值守。斗轮机运行人员只需在集控室操作台上即可对现场多台斗轮机进行远程集中全自动控制,无须就地操作。斗轮机全自动控制系统可以实时显示当前斗轮机的大车位置、悬臂回转角度、悬臂俯仰角度等数据,同时可实现大车、悬臂回转、俯仰控制的手动操作和根据作业目标定位参数配置的全自动定位寻址操作流程控制。此外,在定位基础上实现了根据堆料、取料配置参数的全自动堆料、全自动取料作业流程控制。斗轮机全自动控制系统上位机界面截图见图7。


斗轮机智能化改造后的堆取料作业运行效果显著,全自动取料后料堆边缘残料减少;全自动堆料后,料堆平整、料顶波峰波谷落差小。斗轮机全自动取料现场见图8。斗轮机全自动堆料现场见图9。



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