基于模糊PID的圆形料场堆取料机作业控制方法_田秀琴.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|11科技前瞻基于模糊PID的圆形料场堆取料机作业控制方法田秀琴华电曹妃甸重工装备有限公司，河北唐山，063200摘要：为促进圆形料场堆取料机作业效率和作业精度的提升，引入模糊PID技术，开展对其堆取料机作业控制方法的设计研究。采用激光扫描仪现场图像进行点云数据处理，将弦高法与多回波技术相结合，对采集的数据进行分析；利用模糊PID控制器确定关键参数，在参数设置的基础上，结合模糊逻辑理论，模拟作业控制过程，并对作业控制计划接收，判断堆取物料类别。为确保堆取料机在作业过程中的安全性，将圆形料场堆取料机与中控硬接线联锁，实现作业保护；通过实例分析可知：新的控制方法可促进堆取料机作业效率的提升，同时能够充分满足煤炭生产企业对堆料和取料的精度要求，具有应用价值，值得推广。关键词：模糊PID；料场；控制；作业；堆取料机；圆形中图分类号:TP273+.5文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.003 0引言近几年来，尽管我国能源结构逐渐从单一的煤炭结构向以煤为主的多元补充型能源进行转变，但预计30年后，煤炭将继续保持约50%的比例，而以煤为主的能源结构将不会出现明显的改变。目前煤炭燃烧所带来的污染已被采用脱硫脱硝的方法进行治理，而输送煤带来的粉尘污染则是一个新的问题1。圆形料场中的堆料机是完成散料搬运、储存的重要设备，除了煤炭资源以外，还能利用该装置运送大量的散料。与条形料场堆取料器比较，环形料场堆料器以圆筒型为主，可有效避免大风、日照、阴雨天气等外界环境因素对散货运输的影响，并对环保起到了很好的作用2。圆形料场取料机与传统人工手动操作方式相比，控制性能更加优异，当前现有的针对这一设备的作业控制包括就地控制、司机室控制以及远程控制三种方式，每种控制方式与人工操作控制相比，无论是在经济方面还是社会方面都更能为企业带来更大的效益。但现有作业控制方法与实现圆形料场堆取料机的智能化运行和企业的智能化建设所要求的控制效果相比，仍然存在较大差异，在一定程度上成为企业实现可持续发展的掣肘3。因此，为促进企业的智能化建设与发展，本文将引入模糊PID技术，开展对圆形料场堆取料机作业控制方法的设计研究。1取料作业现场图像点云数据处理为实现对圆形料场堆取料机作业的控制，需要明确现场实际的作业情况，基于此，将提高料场吞吐量和实现散装物料运输智能调度作为目标。由于全料场覆盖范围较大，若对其进行三维场景模型的建立，则会消耗大量不必要资源。因此，采用激光扫描仪，针对从作业现场获取的图像，进行点云数据处理，以此实现对取料作业现场的可视化展现4。在堆叠作业中，需要对扫描器所采集数据中的干扰数据进行筛选，如雨雪、雾、粉尘等。将弦高法与多回波技术相结合，对所采集的资料进行分析5。基于散装物料的特性以及成堆后的形状，若不存在外界干扰因素的影响，通常不会发生改变，针对存在的个别干扰点，可采用移动弦高法进行判别，其基本原理如图1所示。作者简介：田秀琴，女，汉族，河北张家口，工程师，本科，研究方向：港口机械。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术12|图 1弦高法基本原理图图1中A1A8表示离散点；H1H3表示相邻离散点之间连线的弦高。在利用弦高法对干扰点进行判定时，其依据为：当采集到的离散点弦高超过设定的最小偏差阈值时，则此时将该离散点作为干扰点。根据这一依据，假设两个离散点之间的距离为L，夹角为，则的计算公式为：（1）公式中，L12表示离散点1与离散点2之间的距离；L13表示离散点1和离散点3之间的距离；L23表示离散点2和离散点3之间的距离。对于弦高H而言，其公式为：（2）公式中，L表示两个相邻离散点之间的距离。根据上述内容可实现对夹角和弦高的计算，然后，根据扫描装置使用的回声强度，进行过滤。在通过不同的靶材时，点云的能量会发生变化，进而根据材料的特性和干扰物的特性，对原始数据进行处理。因为激光扫描器的安装位置和扫描距离的限制，导致一小片区域的数据出现了一个缺口，而在这些区域中，有一个巨大的死角，是无法被发现的6。为实现对堆料量的精确计算及排料区的排样，应确保料堆点云数据的完整性，利用加权平均法填补小面积的空洞，并利用安息角估计算法对料堆后的资料进行充填，以此根据上述论述完成对取料作业现场图像点云数据的处理，获取后续控制计划制定所需的各项基本信息。2基于模糊PID的作业控制计划接收为实现对圆形料场堆取料机作业的高精度控制、接收作业控制计划，在堆取料机当中引入模糊PID控制器。模糊PID控制器是将PID算法与模糊控制理论相结合的一种控制模块。模糊PID控制算法是自动调速编程的核心，罗克韦尔PLC作为现场设备的主要控制器7。在模糊PID指令的输入参数中，利用比例、积分、微分调节等方法，将模糊PID输出的控制变量转换成旋转变频器的转速，从而实现旋转的自动调速。因此，选择将这一型号模糊PID控制器作为本文控制方法中所使用的控制器。在将其安装到堆取料机中后，通过多次试验，确定模糊PID的指令关键参数：将比例增益设置为0.6，将计分增益设置为0.6，将微分时间设置为0，将偏差设置为设定点值与过程变量的偏差，将采样周期设置为0.2s。在上述参数设置基础上，结合模糊逻辑理论，模拟圆形料场中堆取料机的作业控制过程，根据瞬时参数背离设定数值的程度以及改变速率实现模糊控制。利用模糊PID指令进行操作，将输出的结果输入到堆取料机的控制软件中，从而实现对堆取料机的控制驱动。在控制过程中，模糊PID转速是控制的主要参数，而工艺参数是瞬时流量。模糊PID控制器对瞬时流量和设定值进行实时的对比，调整主参数的输出，使工艺参数始终处于期望的设定值8。在瞬间流量大于设定值的情况下，模糊PID控制器通过减小控制变量减小摆动转速，减小瞬时流量以接近设定值。当瞬时流量小于设定值时，也是同样的道理。在控制过程中，采用1/cos的控制模式。将模糊PID控制器的回转速度按照下述函数进行有规律的调整：（3）公式中，V表示回转速度；V0表示初始速度；cos表示调控函数。在相同时间内堆取料机进行均匀堆料或取料，当大于60时，则此时1/cos的取值会快速下降；当为90时，则此时1/cos的取值为0。因此，根据这一特点，在设置1/cos控制模式时需要将的区间设置在0 60范围内。在明确控制模式后，利用模糊PID控制器对作业控制计划接收，并判断堆取物料的具体类别。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|13科技前瞻3圆形料场堆取料机与中控硬接线联锁保护为确保圆形料场堆取料机的作业安全，将其与中控硬接线进行联锁，以此实现作业保护。环形料场堆料机和中央控制室的硬接线连接信号都是干接继电器，传输信号均属于长信号。在连接后，针对各项控制指令进行设置。具体如图2所示。图 2圆形料场堆取料机与中控硬接线示意图第一，堆料控制指令：属于常开接点，在堆取料机的堆料流程开启后，通过中控发出信号，此时信号从0转变为1。在完成堆料后，确认整个圆形堆料区域当中没有存留的散装物料后，信号从1转变为0。第二，取料指令：属于常开节点9。当堆取料机设备驱动后，通过中控发出控制指令信号，此时信号从0转变到1。当PID控制器认为可以停止取料时，此时信号从1转变为0。第三，堆取料机紧急停机：属于常闭节点。在发生突发事件时，中央控制系统认为需要立刻停止堆料器的运转，将信号从1改为0。在接收到这个信号后，电源断开电路开关马上跳闸，并停止运行。第四，外围取料运行：属于常开节点。送料场周边的送煤装置（振动送煤器）启动操作后，通过中央控制发送，信号从0到1；在周边送煤装置（振动送煤器）停止工作时，该信号从1变成0。在接到中央控制的“取料命令”后，圆堆的取料器和送煤装置必须同时接收到中央控制的“外送操作”和“取料命令”。在“周边送料操作”结束后，卸料等设备应立即停止工作。4堆取料机堆料控制与取料控制在圆形料场中，堆料机构主要有就地控制、司机室控制和远程控制三种控制模式。堆料机的就地控制是将堆料机的就地控制箱置于料带驱动位置。堆料机械的就地控制系统由堆料工作指示灯、堆料回转启动/停止按钮、堆料皮带启动/停止按钮、故障复位按钮等组成。按下控制模式的选择键，然后对堆料机构的就地控制盒进行控制10。堆料机构的司机室控制是环形料场堆料机对堆料机构的控制中心，也是堆料机在正常运行时的主要控制手段。在堆料监控区，通过控制模式的选择键，可以在驾驶室中进行操作，从而达到对堆料机的控制。驾驶室还利用按键控制堆料机构来控制堆料机构的运行。堆料机械远程控制是指在中央控制室内，由操作者对环形料场堆料机进行直接的控制。远程的方式主要是通过地下通道内的地面控制转接盒来完成环形料场堆料机和中控室的硬线联接，从而实现对环形料场堆取料机的遥控。在取料时，其控制同样按照上述三种类型进行划分。所有控制按钮都通过PID控制器发送指令信号进行控制。在堆料和取料的过程中，对堆料的体积进行计算，确定作业控制目标：（4）公式中，v表示堆料的实际体积；vi表示某一三角柱i的体积。公式中，vi又可通过下述公式计算得出：（5）公式中，ABC、ABC和ABC均表示为堆料的三个垂直于空间Z轴的平面，公式（5）中v表示对应的多个平面构成的三棱锥、三棱柱体积。利用该公式，计算出环形料场内堆料的实际占用空间和容积，并依据物料名称、进料重量、堆比重等信息，确定堆料工作区域。然后，通过计算结果分析，在圆形料场作业现场中找出适合堆料的区域，并将这一过程中产生的控制指令输入到dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术14|PID控制器当中，利用其实现对堆取料机的作业控制。5实例应用分析为验证上述提出的控制方法在实际应用中是否能够实现对圆形料场堆取料机作业的有效控制，选择以某煤炭企业为例，针对该企业日常生产过程中用于堆取散装物料的圆形料场堆取料机，采用本文上述提出的控制方法进行控制。在正式投入使用之前，需要对各个主要机构进行现场测试以及试验，在经过一定时间的试运行后，确定设计要求及各项指标均符合标准后，才能够将其正式投入使用。表1为圆形料场堆取料机的性能参数表。表 1圆形料场堆取料机性能参数表序号性能参数数值1电机绝缘350M2电机启动电流110A3电机重载电流28A4电机空载电流20A5电机功率5.5kW6正极长度5100mm*1650mm*3500mm（长*宽*高）7输送能力100 1000t/h在明确圆形料场堆取料机的基本性能参数后，对其进行作业控制。为实现对控制效果的量化，选择以该设备在控制过程中的堆料出力和取料处理作为评价指标，以此实现对设备在控制时的出力性能判断。将设备在本文控制下的堆料、取料处理与额定出力进行对比，并将结果记录如表2所示。表 2本文控制方法下圆形料场堆取料机堆取料出力控制次数堆料出力（t/h）取料出力（t/h）额定实际额定实际第一次1500.01625.11500.01658.2第二次1500.01725.31500.01695.1第三次1500.01826.21500.01691.5第四次1500.01756.51500.01725.9第五次1500.01825.21500.01825.8从表2中记录的数据可以看出，在应用本文上述提出的控制方法对该企业圆形料场堆取料机作业进行控制，无论是设备堆料的出力还是取料的出力都明显高于额定要求的数值，并且在第三次堆料和第五次堆料和取料过程中，设备的出力均能够超过1800t/h，具有十分重要的意义，可有效促进堆取料机作业效率的提升。在上述论述基础上，从出力角度实现了对本文控制方法在实际应用中能够促进堆取料机作业效率提升的验证，为进一步验证该控制方法的应用优势，再从控制精度角度出发进行实验。在堆取料机作业时，设置每次堆取任务完成后的堆料量和取料量分别为10t、50t、100t、200t和500t，分别记录利用本文控制方法控制下堆取料机最终的堆料量和取料量。根据该煤炭企业日常生产要求