郝 珅，李齐权，刘立坤

(河北港口集团秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司，河北秦皇岛 066000)

斗轮式取料机瞬时取料量自动控制技术的研究及其节能应用

郝 珅，李齐权，刘立坤

(河北港口集团秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司，河北秦皇岛 066000)

秦皇岛港是目前全球最大的煤炭输出港，它以“悬臂式斗轮取料机-皮带机输送机-装船机”为主要转运设备进行煤炭装船作业。本文旨在探索高效的取料机作业方式来实现装船作业效率的最大化，降低作业能耗。分析了斗轮取料机的特点及其取料操作方式，并在此基础上引入了闭环自动控制方法，构建了以恒定瞬时取料量为控制目标的闭环控制系统。该系统以PLC为控制核心，基于变频驱动的回转系统作为执行部分控制斗轮取料机的悬臂回转速度进行取料作业，同时通过皮带秤实时检测输送带瞬时取料量并结合即时的斗轮驱动电机电流数据作为作业实时数据反馈，由此构建了一种基于Profibus-DP现场总线的斗轮取料机自动作业控制系统。该系统试运行于河北港口集团秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司，提高了取料作业效率，减少了人为因素造成的超载作业，节能效果显著。

斗轮取料机；瞬时取料量；智能控制；提高效率；节能；曲线拟合；最小二乘法

秦皇岛港是世界第一大能源输出港，是中国“北煤南运”大通道的主枢纽港。其主要能源消耗是煤炭通过取料机、皮带机、装船机等港口设备转运过程中消耗的电能，而斗轮取料机作为煤炭运输的源头设备，合理的控制瞬时取料量是港口日常生产中关键的环节。评估和研究控制瞬时取料量，对于港口提高作业效率和系统安全，降低能耗，具有十分重要的现实意义。合理均匀控制瞬时取料量，优化作业环境，使取料机在最优状态下工作，不仅能达到节能目的，而且也可降低设备故障率，延长设备使用寿命，节省维护费用，降低非生产性设备停机时间。

1 悬臂式斗轮取料机作业模型

秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司取装线现有取料机6台，为轨道移动悬臂式斗轮取料机，具有走行、悬臂俯仰、悬臂回转、斗轮回转等功能，可以实现连续取料作业。斗轮取料机作业范围大，可以从轨道两侧堆场取料经皮带线运送至装船机装船，其设计通过能力为6 000 t/h。

取料机司机可通过司机室操作台上的各种主令开关完成各种动作控制，并借助司机室内的光字牌和触摸屏即时掌握取料机当前运行状态及数据信息。如遇特殊情况还可选择本地及退避操作。原设计正常取料作业均采用司机手动操作形式，主要包括3种基本动作，即取料机走行、悬臂回转、悬臂俯仰，通过这3种动作的协调配合完成取料作业。如图1所示。

图1 斗轮取料机作业现场情况Fig.1 Operation of the bucket wheel reclaimer

取料作业时，悬臂向行走轨道侧回转，当斗轮随悬臂回转至料堆边缘时，取料机向料堆中步进前进大约1 m，然后反向回转，即悬臂背离轨道旋向料堆外侧限制点之后，再步进前进→回转→步进前进→回转，从而实现连续作业。作业时分4层取料，第1层厚度不得超过4.5 m，第2层至第4层每层取料厚度不得超过4 m；每层取净后，将取料机高速行走退至料堆的起始点，调整悬臂俯仰角度后继续取下一层。悬臂回转速度要按取料工艺要求进行控制，从而保持取料机的料流恒定，最大取料量不得超过6 300 t/h。

由于料堆形状的不规则，以及悬臂式斗轮取料机的固有设计形式(如图2所示)，取料机作业过程中，每次能取到的料量是2个圆弧所包含的部分。在固定回转速度的情况下，大角度时上料流量小，而小角度时上料流量大，导致取料量不均匀[1-3]。

图2 悬臂式斗轮取料机取料量模型示意图Fig.2 Model of bucket wheel reclaiming

在这一过程中，悬臂带动斗轮机构在料堆某一层取料时形成的2个环形曲线为平移关系，回转角越大，取料深度越小。由此可设取料流量即单位时间内的上料重量为M，物料密度为ρ，取料深度即斗轮挖取的物料沿斗轮运动轨迹的法线方向上的深度为Δ，物料层高即分层取料时每层高度为h，回转速度即悬臂末端的线速度为v，则有:

M=ρ×Δ×h×v。

(1)

取料流量不仅与取料层高、悬臂的回转速度有关，还与取料深度有关，而取料深度Δ又与每次取料机步进长度L及回转角θ有关, 对于某一煤层取料作业来说, 物料密度ρ、取料层高h、取料机步进长度L以及回转速度v均固定, 取料流量就为回转角θ的函数。

通过以上分析可以看出，要保证取料流量恒定, 只要根据当前时刻悬臂所处的回转角度, 就可改变回转变频器输出频率以调节悬臂回转速度，但斗轮取料机分层取料工艺和现场实际情况千变万化, 如取料层高不同、料堆不规则或作业中出现物料局部塌方等情况, 将造成瞬时取料流量的波动和起伏。

如上所述，采用开环控制方式的系统无法获知实时取料流量的大小, 不能根据现场的作业情况实时改变悬臂回转速度来改变取料量, 进而无法实现平稳均匀取料，因此在现场实际中更多的是由取料司机手动控制悬臂回转速度来进行取料操作。

2 悬臂式斗轮取料机瞬时取料量自动控制技术

依上述悬臂式斗轮取料机作业模型而言，目前采用单纯的手动操作控制方式，还存在以下几个问题。

1)通过司机手动操作，司机无法准确判断瞬时取料量。一般通过安装在悬臂皮带前部的皮带秤查看流量大小，当发现超载或流量偏小时，此时已延时数秒钟的时间，司机就无法实时通过控制悬臂的回转速度来有效控制瞬时取料量。

2)手动操作方式人为因素很大，对取料司机的个人操作技能和经验有很高要求。因此不能准确地根据装船工艺实际需要来提供取料量，自动化程度低，很难适应当前社会生产高度自动化发展的要求。

3)手动操作易造成长时间欠载或超载，容易造成取料效率不稳定，能源单耗也较高，同时对设备的使用寿命和安全生产影响较大。

本研究旨在探索高效的取料模式来实现取料作业效率的最大化。为了实现取料作业的半自动化，初步在悬臂式斗轮取料机作业控制中引入了闭环控制理论。

闭环控制系统又称反馈控制系统，它是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为(输出)与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。

图3所示为闭环控制系统的简图，从图3可以看出系统设定值与反馈值的差值，经由控制器运算，输出控制信号给执行机构，执行机构作用于被控对象，得到系统输出；同时，系统输出经信号采集装置的检测得到反馈值用于比较控制。

图3 瞬时料量闭环控制简图Fig.3 Instant closed-loop input control

以闭环控制为基本控制原理，建立以瞬时取料量为被控量的闭环控制系统，理论上完全可以实现瞬时取料量对系统设定值的跟随。

3 基于闭环控制方式的取料自动控制系统控制模型

通过以上分析，研究人员建立以恒定取料量为控制目标的取料机回转自动控制系统，它的基本控制模型如下：闭环系统的输入为瞬时料量期望值，输出为取料机实际的瞬时取料量。在单机控制程序中，PLC通过检测期望值与实际值的偏差，来进行悬臂回转速度的调节以实现瞬时取料量对设定值的跟随。

取料机回转闭环控制系统的实现，关键环节在于对实时取料量的检测。系统反馈信号的实时性、准确性直接决定着闭环系统的控制效果。

悬臂式斗轮取料机作业时，斗轮驱动电机电流是反映斗轮所承受的负载，即斗轮所取料量的最实时的信号。而取料量可由取料流量体现，即单位时间内的取料量。本系统中取料量可由安装于取料机悬臂前部的电子皮带秤检测得到。但皮带秤检测到的瞬时料量与斗轮瞬时取料流量存在数秒的延时，因此需要建立瞬时取料量与实时斗轮驱动电机电流的数学模型，从而由实时的斗轮驱动电机电流计算得到近似的实时取料量，作为控制系统反馈信号。系统控制模型如图4所示。

图4 系统控制模型Fig.4 System control model

在本系统中PLC为控制核心，由PLC进行数据的采集、瞬时料量反馈值的计算以及回转输出频率计算；悬臂回转控制系统为本系统的执行部分，PLC通过对悬臂回转速度的控制来实现单位时间取料量的调节；回馈部分由采集得到的斗轮驱动电机电流值，经数学运算得到瞬时取料量，最后由皮带秤实时检测值进行数据校正[4-5]。

4 取料作业自动控制系统的硬件构成

取料作业自动控制系统，由西门子S7-400系列PLC可编程控制器、6SE70系列回转变频器、拉姆齐14系列皮带秤、电流采集器、6SE743模拟量采集模块及PLC控制软件组成。

斗轮驱动电机电流检测：由电流互感器采集斗轮驱动电机的实时电流，并转换成4～20 mA的电流信号。此信号进入取料机PLC，由6SE743模拟量板将电流信号转换为数字量信号，再经过一系列的数字运算得到实时的斗轮驱动电机电流值。

1)取料量检测 取料量检测由拉姆齐14系列皮带秤进行，由于皮带秤安装于取料机悬臂中部，因此皮带秤的实时检测值滞后于实时的斗轮受料量，存在十余秒的延时。

2)执行机构 PLC通过Profibus-DP总线与6SE70变频器通讯，通过改变变频器的输出频率来进行取料机悬臂回转速度的调节，以实现料流流量的调节。

本系统的硬件结构如图5所示。

图5 硬件系统结构图Fig.5 Hardware system structure diagram

5 取料作业自动控制系统的软件实现

5.1斗轮驱动电机电流与取料流量数学关系的建立

斗轮驱动电机电流与取料流量之间存在一定的关系，理论上取料流量越大，斗轮驱动电机电流越大，反之越小。但由于物料品种、密度以及黏度的不同，斗轮驱动电机电流也不尽相同，会略有差异。因此，斗轮驱动电机电流与瞬时取料量之间的关系是非线性的，简单地用斗轮驱动电机电流来推算斗轮瞬时取料量是不可行的。因此，需要建立两者之间的数学关系。

曲线拟合，俗称拉曲线，是一种把现有数据通过数学方法来表达的方式。科学和工程问题可以通过诸如采样、实验等方法获得若干离散的数据，根据这些数据，研究人员往往希望得到一个连续的函数(也就是曲线)或者更加密集的离散方程与已知数据相吻合，这个过程就叫作拟合。本设计正是采用动态曲线拟合的方法来建立斗轮驱动电机电流与瞬时取料量之间的关系[6-8]。

通过对取料机在各种条件下的作业情况进行观测，采集并整理了一组斗轮驱动电机电流和皮带秤检测值的数据，再选用最小二乘法对二者进行动态曲线拟合。

最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法多项式拟合的基本原理从几何意义上讲，就是寻求与给定点(Xi,Yi) (i=0,1, … ,m)的距离平方和最小的曲线y=P(x)。函数P(x)称为拟合函数或最小二乘解。

试用最小二乘法求斗轮驱动电机电流和瞬时料流流量的二次拟合多项式P(x)=a0+a1x+a2x2,将采集的数据组代入方程组，求得拟合多项式为P=-35+8.6x+0.16x2(其中x为斗轮驱动电机电流值，P为瞬时取料量)，由此得到的PLC运算程序如图6所示。

图6 瞬时取料量计算程序Fig.6 Instantaneous instant reclaimer calculation program

5.2基于Profibus-DP的回转变频控制

利用Profibus-DP总线进行PLC与变频器的双向通讯，进行回转变频器的实时控制和状态反馈。这样，复杂的控制系统只需要通过编程来实现，简单、易行[9]。

系统通过西门子6SE70系列变频器自带的CBP通讯板实现S7-400与变频器的Profibus-DP通讯，通讯方式选择PPO4。

经过变频器相关参数的设置及PLC硬件组态后，编制相应的PLC读写程序即可完成与变频器的双向通讯，通讯主程序如下。

建立DB50，调用SFC14，SFC15，组态后6SE70的地址为576，即W#16#240

1)读出数据

CALL "DPRD_DAT" SFC14 ——读取DP从站的数据

LADDR :=W#16#240 //硬件组态的起始地址，即I Addess中的576

RECORD :=P#DB50.DBX 0.0 BYTE 12 //传送起始地址及长度

RET_VAL:=DB50.DBW24 //错误代码:查帮助可得具体含义

2)发送数据

CALL "DPWR_DAT" SFC15 ——发送给DP从站数据

LADDR :=W#16#240 //硬件组态的起始地址，即Q Addess中的576

RECORD :=P#DB50.DBX 12.0 BYTE 12 //传送起始地址及长度

RET_VAL:=DB50.DBW26 //错误代码:查帮助可得具体含义

经过以上的设置，变频器相关控制参数定义如表1所示。

表1 变频器控制参数定义

通过以上分析，可以得出变频器的PLC控制程序如图7、图8所示。

变频器的频率控制数据由MW93得到，而该数据在不同情况下可由2种途径获得。

1)取料机回转在手动控制方式时，该数据来自于PLC对回转控制操作手柄模拟量信号的采集与变换。回转控制操作手柄的模拟量信号送入PLC的模拟量板，进行模数转换，得到代表回转频率给定值的数字量信号，再经过数据变换得到与变频器频率设定信号相对应的数据格式。

2)取料机回转在闭环自动控制方式时，回转控制操作手柄只控制回转方向，回转变频器的频率设定来源于PID控制器的输出，它由瞬时取料量偏差经PID控制器运算得到。

图7 变频器启停和正反转控制Fig.7 Frequency shifter start/stop and forward/backward control

图8 变频器频率给定Fig.8 Frequency setup of frequency shifter

6 效果评价

本研究所述系统通过曲线拟合法建立了斗轮驱动电机的工作电流与实时取料量的数学关系，这为闭环控制系统提供了有效的数据保障，也是系统的关键所在。通过检测和采集方法来取代人的视觉和思维，自动测算瞬时料流流量，并实时对悬臂的回转速度进行调节从而使取料量保持在额定流量。这对于提高港口取料装船效率，杜绝人为超载，优化能源消耗，保障港口设备的安全稳定高效运行具有十分重要的现实意义。通过将闭环自动控制理论引入取料机作业控制系统，可以有效地控制取料机的瞬时取料量，避免因取料量过大导致的超载压停生产流程的情况，从而提高了设备的使用寿命，减少了设备的非生产性故障停机时间。同时，系统能够有效提高电能的使用效率，既提高了公司经济效益，又符合国家节能减排的总体要求。取料司机的劳动强度可大大降低，既符合系统设计的人性化要求又体现了企业的人文关怀。

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Research of automatic control technology for instantaneous reclaiming rate of a bucket-wheel reclaimer and its energy-saving application

HAO Shen, LI Qiquan, LIU Likun

(The No.6 Branch Company, Qinhuangdao Port Company Limited, Hebei Port Group, Qinhuangdao Hebei 066000, China)

As the largest coal mine exporting port, Qinhuangdao Port employs "Crane type bucket wheel reclaimer-belt conveyor-shipment loader" infrastructure to fulfill the shipment. This paper is to explore a high efficiency operation mode of the reclaimer to maximize the loading productivity, while to reduce the power consumption. The features and reclaiming operation method of a bucket-wheel reclaimer are analyzed. Based on the analysis, a closed loop method is introduced. A closed loop control system is constructed for measuring instantaneous reclaiming rate by using a belt weigher in real time. Combining with the collected current signal from the bucket wheel, the field bus is used as the detecting device. By using PLC as control centre in the system, the reclaiming procedure is done by a closed loop intelligent control over the bucket wheel boom rotating velocity combined with real-time motor current data of bucket wheel drive which is used as operating data feedback. A novel automatic controlling system for bucket wheel reclaimer is proposed which is based on profibus-DP fieldbus. This system is now under pilot run at the Number 6 Branch Company of the Qinhuangdao Port Company Limited, with reclaiming rate increased, overloading operation minimized and significant electric energy saving effect achieved.

bucket-wheel reclaimer； instantaneous reclaiming rate； automatic control； efficiency enhancement； energy efficient; curve-fitting; least square method

1008-1534(2014)04-0326-06

2013-11-11;

2014-01-12；责任编辑：张 军

郝 珅(1983-)，男，河北秦皇岛人，工程师，硕士研究生，主要从事港口物流运输及港口机械设备方面的研究。

E-mail:neohao@126.com

TP336

A

10.7535/hbgykj.2014yx04012

郝 珅，李齐权，刘立坤.斗轮式取料机瞬时取料量自动控制技术的研究及其节能应用[J].河北工业科技，2014，31(4)：326-331.

HAO Shen, LI Qiquan, LIU Likun.Research of automatic control technology for instantaneous reclaiming rate of a bucket-wheel reclaimer and its energy-saving application[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2014，31(4)：326-331.