一种堆取料机的自动取料控制装置及方法 【技术领域】
本发明涉及堆取料机领域，更具体地说，涉及一种堆取料机的自动取料控制装置及方法。
背景技术
在大型钢铁联合企业和大型矿石码头，原料(矿石、煤等)的大量需求造就了巨型的堆场，这就要求有数量庞大的堆取料设备来进行生产，同时需配备大量的操作司机来操作这些设备。
目前，国内外堆场主要采取斗轮式堆取料机进行堆料和取料作业。现有的斗轮式堆取料机的工作示意图如图1所示。堆取料机10中，大车机构15置有回转机构14，回转机构14上置有悬臂13，悬臂13的一端置有斗轮11，在斗轮11上有斗齿12，回转机构14能够以中轴线为圆心，不断进行来回往复的旋转，而大车机构15能够使堆取料机10沿着轨道方向前进或后退。堆取料机10取料时，斗轮11随回转机构14的旋转而旋转，斗轮11本身也在自转，各个斗齿12依次在料堆50中挖取物料，并随着斗轮11的旋转，将物料放到悬臂13上的皮带上。
在上述利用堆取料机10进行人工取料的方式中，操作司机必须在位于堆取料机10上的驾驶室(未图示)内，在启动斗轮11动作后，通过目测料堆50的形状及位置，需操作回转机构14的操纵手柄以驱动回转机构14作旋转运动，以挖取物料。当斗轮11旋转到料堆50的边界后，需操作大车15的操纵手柄，控制大车15向前行走一段距离，然后再操作回转机构14的操纵手柄向反方向旋转运动。这样循环取料，直至作业结束。
这样，这种作业方式有以下几个缺点：
1、司机通过肉眼观测悬臂13皮带上的皮带秤瞬时流量读数，获知当前取料量大小，以控制悬臂13回转速度快慢，调整取料量。由于皮带秤安装位置与斗轮11存在一定距离，无法实时反映斗轮瞬间的取料量，另外因眼、手配合存在的滞后性。所以人工自动取料控制精度无法保证，完全依赖操作人员的熟练程度。
2、通过肉眼观察斗轮11是否已经回转到了料堆50的边界，如果到了料堆50的边界，就要停止回转机构14的回转动作，需操作大车15前进，以进行下一次回转取料。
3、由于料场内矿石、原料等粉尘的污染，长年在此环境下工作的人员，如不注意防护，极易发生尘肺等职业疾病。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种堆取料机的自动取料控制装置及方法，实现自动监测和调整取料量以及无人控制。
根据本发明的第一方面，提供一种堆取料机的自动取料控制方法，包括：
建立斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型，建立斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型；
设定斗轮取料量，并输入所述斗轮电机电流与悬臂回转电机频率的关系模型；
实时采集所述堆取料机的斗轮电机上的电流数据，并通过所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型转化为实时的斗轮取料量数据，输入所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型；
比较所述实时的斗轮取料量数据和所述设定的斗轮取料量，根据比较结果，所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型实时输出悬臂回转电机频率；
所述悬臂回转电机根据所述实时输出的悬臂回转电机频率驱动所述斗轮进行取料。
所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型为：
Q＝K1*I，其中，Q：斗轮取料量；K1：比例系数；I：斗轮电机电流值。
所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型为：
Fk＝Fk-1+K2*(Qk-Qk-1)/K1+Qk/Ti，其中，Fk：悬臂回转电机频率；
Fk-1：前次回转电机频率；K2：比例系数；Qk：斗轮取料量；Qk-1：前次斗轮取料量；Ti：积分时间；Z-1：循环周期前次值。
所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型中的比例系数K1以及所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型中的K2、Ti适于因矿石料的不同而取不同的值。
所述自动取料控制方法还包括料堆边界的判断，包括以下步骤：
a、建立料堆数据库，存储料堆的位置坐标数据，所述料堆的位置坐标数据是实时动态的数据；
b、实时采集堆取料机各机构的位置数据，建立斗轮的三维坐标模型；
c、判断斗轮是否进入料堆的边界范围，若进入则进一步判断斗轮电机的电流大小；
d、若斗轮电机的电流小于预定值，则控制悬臂回转电机输出频率为零，堆取料机的大车前移并循环执行步骤c、d。
所述斗轮的三维坐标模型为：
X＝X1+L*cosα，Y＝L*sinα，Z＝H-L*sinβ
X1为大车的行走位置，L为悬臂的长度，H为悬臂地水平高度，α为回转机构的回转角度，β为回转机构的俯仰角度。
根据本发明的第二方面，提供一种堆取料机的自动取料控制装置，包括：
采集单元，实时采集所述斗轮电机的电流信号；
控制单元，输入端连接所述采集单元，所述控制单元存储有斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型、斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型以及设定的斗轮取料量，所述控制单元接收所述采集的电流信号，经所述两个关系模型计算，实时输出悬臂回转电机频率；
回转单元，输入端与所述控制单元连接，输出端连接所述堆取料机的悬臂回转电机。
所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型为：
Q＝K1*I，其中，Q：斗轮取料量；K1：比例系数；I：斗轮电机电流值。
所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型为：
Fk＝Fk-1+K2*(Qk-Qk-1)/K1+Qk/Ti，其中，Fk：悬臂回转电机频率；
Fk-1：前次回转电机频率；K2：比例系数；Qk：斗轮取料量；Qk-1：前次斗轮取料量；Ti：积分时间；Z-1：循环周期前次值。
所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型中的比例系数K1以及所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型中的K2、Ti适于因矿石料的不同而取不同的值。
所述自动取料控制装置还包括位置判断单元，包括：
料堆数据库，存储料堆的位置坐标数据，所述料堆的位置坐标数据是实时动态的数据；
采集模块，实时采集堆取料机各机构的位置数据；
控制模块，连接所述料堆数据库和采集模块，存储所述斗轮的三维坐标模型，实时判断斗轮的位置并输出控制信号。
所述斗轮的三维坐标模型为：
X＝X1+L*cosα，Y＝L*sinα，Z＝H-L*sinβ
X1为大车的行走位置，L为悬臂的长度，H为悬臂的水平高度，α为回转机构的回转角度，β为回转机构14的俯仰角度。
所述控制模块首先判断斗轮是否进入料堆的边界范围，若进入则进一步判断斗轮电机的电流大小；
若斗轮电机的电流小于预定值，则控制模块控制悬臂回转电机频率为零，并控制堆取料机的大车前移并循环以上步骤。
所述采集单元包括电流互感器和与其连接的信号接口板以及斗轮驱动变频器，所述信号接口板连接所述斗轮驱动变频器，所述斗轮驱动变频器连接所述斗轮电机。
所述控制单元为可编程控制器，所述回转单元包括回转变频器，所述可编程控制器输入端连接所述斗轮驱动变频器的第1接口卡，输出端通过回转变频器连接所述悬臂回转电机，所述回转变频器控制所述悬臂回转电机。
采用本发明所述的一种堆取料机的自动取料控制装置及方法，由于本发明具有斗轮电机电流的采集功能，并建立了斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型以及斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型，这样在这些关系模型的作用下，自动取料时的悬臂回转速度(由悬臂回转电机频率决定)，可由取料时的斗轮电机电流来控制，而斗轮电机电流又可准确、迅速地反映斗轮取料量，所以可有效形成一个闭环控制过程，可以很好的控制斗轮取料量。另外由于具有料堆边界判断功能，当每次取料到达料堆边界后，能够自动进行判断，并调整堆取料机位置，进入下次回转取料，如此反复循环，自动完成整个料堆的取料过程，实现无人操作。
【附图说明】
图1为所述的堆取料机的原理示意图；
图2为本发明所述的自动取料控制装置的一实施例的原理示意图；
图3为本发明所述的自动取料控制方法的工作流程示意图；
图4为本发明所述的斗轮电机电流与悬臂回转电机频率的逻辑关系图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
参考图1，堆取料机10取料作业时，斗轮11本身的旋转速度是不变的，而回转机构14的速度可调，其回转速度越快，则斗轮11取料量越高。而取料量越高，驱动斗轮11自身旋转的斗轮电机的电流就越大。
本发明是通过采样堆取料机10的斗轮电机的电流值，并与实际斗轮取料量以及驱动回转机构14旋转的回转电机频率和速度建立对应的函数关系。在控制中，以斗轮电机电流作为负反馈信号，自动调节取料时的驱动回转机构14旋转速度(悬臂13的旋转速度)，以达到控制取料量的目的。
参见图1和图2，本发明的自动取料控制装置20包括以下部件：
采集单元，安装在所述堆取料机的斗轮电机的相关部件上，实时采集所述斗轮电机的电流信号；作为一实施例，所述采集单元包括电流互感器23和与其连接的信号接口板24以及斗轮驱动变频器22，参见图2，斗轮电机(MD1)21，与堆取料机10的斗轮11连接，驱动斗轮11，以挖掘料堆50的物料，本实施例采用三相异步变频电机。斗轮驱动变频器(INV1)22，与斗轮电机(MD1)21连接，驱动控制斗轮电机(MD1)21，本实施例选用SIEMENS公司的SIMOVERT MASTERDRIVES系列产品，型号为6SE7037-0TJ60-Z，该斗轮驱动变频器22由第1主控板(MCB1)221及第1接口卡(DP1，ProfibusDP)222连接组成，本实施例中第1主控板221采用的型号为6SE7090-0XX84-0AB0；第1接口卡222采用的型号为6SE7090-0XX84-0FF5。在斗轮变频器22到斗轮电机21的输出电缆上装设电流互感器(CT)23，电流互感器(CT)23连接信号接口板(IVI)24，信号接口板(IVI)24连接斗轮驱动变频器(INV1)22的第1主控板221。所述流互感器23采集斗轮电机21的电流值，并按1000/0.2的比例，将实际电流值转化为一个较小的电流信号，送入信号接口板(IVI)24，信号接口板(IVI)24将电流信号转换为电平信号，送入斗轮变频器22的第1主控板(MCB1)221。该第1主控板221可实现外部信号采集、运算处理及数据通讯等功能。本实施例中电流互感器(CT)23采用的型号为6SY7000-0AB40，它的变比为1000/0.2。本实施例中接口板(IVI)24采用的型号为6SE7038-6GL84-1BG2。在第1主控板221内将电流值设为参数K22，送入斗轮变频器22与可编程控制器25的通讯发送数据组内，进行编码、数据打包。然后由第1接口卡(DP1)222，经DP电缆连至可编程控制器25的通讯接口(DP3)252。
控制单元，输入端连接所述采集单元，所述控制单元存储有斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型、斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型以及设定的斗轮取料量(所述模型下文将介绍)，所述控制单元接收所述采集的电流信号，经所述两个关系模型计算，实时输出悬臂回转电机频率。作为一个实施例，所述控制单元为可编程控制器25，所述可编程控制器25输入端连接所述斗轮驱动变频器22的第1接口卡222，输出端通过回转变频器26连接所述悬臂回转电机27，所述回转变频器26控制所述悬臂回转电机27。可编程控制器(PLC)25，与斗轮驱动变频器(INV1)22的第1接口卡222连接，由CPU主板251上自带ProfibusDP通讯接口(DP3)252组成，通讯接口(DP3)252的端口号为X2。本实施例可编程控制器(PLC)25选用SIEMENS公司的S 7-414-2产品。
可编程控制器25收到斗轮变频器22发来的数据后，进行解码，取出斗轮电机21的电流值数据。经过本发明的关系模型(下文介绍)，得出回转电机频率控制值，送入发送数据组内，进行编码。再由通讯接口(DP3)252发出，经DP电缆，送入回转变频器(INV2)26的ProfibusDP第2接口卡(DP2)262。
回转单元，包括回转变频器26，斗轮回转变频器(INV2)26，与可编程控制器(PLC)25连接，该斗轮回转变频器26由第2主控板(MCB2)261及第2接口卡(DP2，ProfibusDP)262连接组成，本实施例中斗轮回转变频器(INV2)25选用SIEMENS公司的SIMOVERT MASTERDRIVES系列产品，型号为6SE7026-0TD61-Z，其中，第2主控板(MCB2)261采用的型号为6SE7090-0XX84-0AB0；第2接口卡262采用的型号为6SE7090-0XX84-0FF5。回转电机(MD2)27，与斗轮回转变频器(INV2)26连接，其输出端与堆取料机10的回转机构14连接，驱动斗轮11回转，本实施例采用三相异步变频电机。回转变频器(INV2)26的第2接口卡262收到数据后，传入它的第2主控板(MCB2)261，第2主控板261收到数据后，进行相应的解码，取出频率控制值，即可控制回转电机(MD2)27，按照给定的频率进行运转。当回转电机(MD2)27以给定频率运转时，即可精确调节斗轮11的取料量的大小，取代人工操作驱动回转电机运动的功能。
另外，所述自动取料控制装置还包括位置判断单元，进一步包括：
料堆数据库，存储料堆的位置坐标数据，所述料堆的位置坐标数据是实时动态的数据；这些数据包含了料堆各个关键点的三维绝对值坐标，而且是根据取料过程中料堆形状的变化而实时、动态刷新的。
采集模块，实时采集堆取料机各机构的位置数据；包括堆取料机的各运转机构的当前位置以及尺寸，例如：悬臂13的长度等。采用绝对值编码器进行实时采集，比如：大车行走位置，回转角度，俯仰角度。
控制模块，连接所述料堆数据库和采集模块，存储所述斗轮的三维坐标模型，实时判断斗轮的位置并输出控制信号。在一实施例中，所述控制模块可由所述可编程控制器(PLC)25担任。
根据各运转机构的当前位置，结合堆取料机的机械尺寸，即可算出斗轮的实际三维坐标，所述斗轮的三维坐标模型为：
X＝X1+L*cosα，Y＝L*sinα，Z＝H-L*sinβ
X1为大车的行走位置，L为悬臂的长度，H为悬臂的水平高度，α为回转机构的回转角度，β为回转机构14的俯仰角度。
将斗轮的实际三维坐标位置与料堆边界的三维数据进行对比，如果判断出斗轮已进入料堆的边界范围，此时就再比较斗轮电机电流，若电流小于预定值，则可明确判断斗轮已挖取到料堆边界，控制模块控制回转频率输出强制为零，大车向前移动，进行下一次循环。
下面介绍一下相关的关系模型：
1、斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型；
堆取料机在取料时斗轮以恒定速度进行旋转，可调整悬臂回转速度来调节取料流量。在实际取料过程中采集斗轮电机的电流值和悬臂皮带秤流量，两者对应可得到电流值与皮带秤流量的对应关系，电流值越大，则取料流量越高，两者基本可确定为正比例关系，具体见下式：
Q＝K1*I，其中，Q：斗轮取料量；K1：比例系数；I：斗轮电机电流值。所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型中的比例系数K1适于因矿石料的不同而取不同的值。
2、斗轮电机电流与悬臂回转电机频率的关系模型；
在取料作业中，当斗轮以恒定速度旋转取料后，若悬臂回转速度越快，则取料量越高，斗轮电机电流越大。所以，以斗轮电机电流值作为负反馈信号，适当控制悬臂回转速度，即可控制斗轮电机电流，也就能起到控制取料量的目的。参见图4，由图4，根据PI调节控制原理，得到下式：
Fk＝Fk-1+K2(Ik-Ik-1)+Ik/Ti其中，Fk：悬臂回转电机频率；
Fk-1：前次回转电机频率；K2：比例系数；Tk：斗轮取料量；Tk-1：前次斗轮取料量；Ti：积分时间；Z-1：循环周期前次值。所述K2、Ti适于因矿石料的不同而取不同的值。
3、斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型；
由以上的两个关系模型，可以得到下式：
Fk＝Fk-1+K2*(Qk-Qk-1)/K1+Qk/Ti，其中，Fk：悬臂回转电机频率；
Fk-1：前次回转电机频率；K2：比例系数；Qk：斗轮取料量；Qk-1：前次斗轮取料量；Ti：积分时间；Z-1：循环周期前次值。
另一方面，本发明还提供了自动取料控制方法，自动取料控制方法实现的原理和过程相同和类似于所述自动取料控制装置20，下面通过图3的流程图来说明一下自动取料控制方法和装置的工作过程：
参见图3中1、2、3步骤。操作人员在货料场中央控制系统内的计算机操作画面上，设定堆取料机本次作业需要设定的取料量，并选择本次作业的具体矿石品种，然后开始自动取料作业。作业开始后，斗轮电机21的电流通过斗轮驱动变频器22输出电缆上的电流互感器23进行采集。
参见图3中6、7步骤，根据实时采集的斗轮电机21的电流值，建立斗轮电机21的电流与取料量的关系模型：Q＝K1*I，根据该模型，就可通过斗轮电机21的电流值得到模拟的取料量瞬时值。
参见图3中9步骤，根据3步骤的矿石品种选择，建立经验数据库。
在货料场的实际生产作业中，各种矿石货物因品种不同，密度不同，堆比重也各不相同。若采用单一的控制模型，必将造成控制精度不高的缺陷，甚至导致过程失控。所以需要建立一个依据矿石品种的经验数据库，在生产不同的矿石时，根据选定的矿石品种，控制程序能够调用不同的控制调节参数。这样能够更好的满足控制精度要求。该数据库中包括了不同的矿石品种，所对应的比例系数K1、K2、Ti。这些数据必须根据现场的反复试验测得。例如：
矿种代码 K1 K2 Ti OBN-N 13.35 3.1 0.12 OBD-S 16.67 2.6 0.15
参见图3中4、5、10、11、12步骤，进行料堆边界判断，具体上文已经叙述。
参见图3中8、13步骤，建立斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型：
Fk＝Fk-1+K2*(Qk-Qk-1)/K1+Qk/Ti，其中，Fk：悬臂回转电机频率；
Fk-1：前次回转电机频率；K2：比例系数；Qk：斗轮取料量；Qk-1：前次斗轮取料量；Ti：积分时间；Z-1：循环周期前次值。
将以上所有关系模型转换为可编程控制器(PLC)编程语言后输入可编程控制器25。通过所述斗轮电机电流与斗轮取料量的关系模型将采集的斗轮电机电流转化为实时的斗轮取料量数据，输入所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型；比较所述实时的斗轮取料量数据和所述设定的斗轮取料量，根据比较结果，所述斗轮取料量与悬臂回转电机频率的关系模型实时输出悬臂回转电机频率；根据模型综合运算得出的回转电机27的频率控制值，以Profibus通讯协议送入回转电机27的回转变频器(INV2)26，则自动取料时的悬臂13的回转速度，即可由取料时的斗轮电机21的电流来控制。而斗轮电机21的电流又可准确、迅速地反映取料量，所以可有效形成一个闭环控制过程。另外每次取料到达料堆50边界后，能够自动进行判断，并调整堆取料机位置，进入下次回转取料。如此反复循环。则可自动完成整个料堆的取料过程。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。