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斗轮取料机实时取料流量检测方法的研究

添加时间:2016/10/25
  摘要:取料机是专业煤炭码头的主力装船设备,一直以来,属于高强度人工作业。随着自动化程度的提高,取料机自动化也就提上了日程。其中,一个重要的难题便是如何控制取料流量,而控制流量的一个前提便是获取实时流量的反馈。文章主要研究如何通过斗轮压力来估算实时流量。
  
  关键词:取料机 料流量 轮压力
  
  华黄骅港务公司负责运营的黄骅港煤炭港区,位于西煤东运第二大通道朔黄铁路的终端,年设计吞吐能力1.8亿t,自投产运行以来,一直保持着高位运行。自2015年以来,为了提高劳动生产率,神华黄骅港务公司陆续进行了堆场的自动化改造。目前,港务公司一期堆场已经全部实现自动化作业,堆、取料机均已持续自动化运行,成为国内首个全自动运行的煤炭堆场。改造完成后,取料机作业效率得到进一步稳固,同时取料流量稳定性得到显着提升。
  
  取料机作为散货码头装船作业的主力设备,其作业效率直接关系到港口运行效率与吞吐量,但由于取料作业属于长时间连续作业,对于传统的手动操作方式,不仅操作人员劳动强度高,作业效率也很容易受到操作人员工作状态的影响而出现滑坡。随着现代科技的进步,工控产品得到不断升级,取料机的全自动运行也就具备了实现的条件。取料机全自动运行主要包含以下4部分内容,分别是对垛、换层,边缘检测,流量控制以及配套安全保护措施。其中,流量控制对于安全高效生产及提高配煤精确度,有着至关重要的作用。
  
  1 几种获取取料流量反馈值方法的比较
  
  就流量控制而言,闭环控制是达到高精度流量控制的前提条件,而闭环控制中反馈信号,也就是实时取料流量的获取,是流量控制中的一个难点。
  
  通常来讲,最直观的获取取料流量的方式是通过皮带秤,但受限于皮带秤的安装位置,从取料机斗轮取到煤,到煤流经过皮带秤,往往需要花费10s左右的时间,如果采用皮带秤作为取料流量反馈信号,中间会存在很长时间的延迟,等到系统做出响应,实际情况已经发生变化,这对于流量的控制是一个极大的干扰,反而会造成取料流量的不平稳。
  
  另外一种方式,是在悬臂皮带前端安装摄像头,通过图像分析技术,来估算皮带上的煤量,结合皮带带速,进行取料流量的估算。但这个方法有两个方面的缺陷:一个是图像分析只能获取皮带上煤流的体积估算,流量估算的准确性还受到具体煤种密度的影响,而具体煤种的真正的堆密度往往难以准确获取;另一方面,即使测量位置前移,测量点仍然是在皮带上,虽然延迟时间较皮带秤有所减小,但时间延迟同样难以避免。
  
  第三种方式是通过取料过程中斗轮响应的变化来估算取料流量。通过斗轮获取实时流量的估算,有两种途径:一种是通过在斗轮上安装转矩传感器,另一种是通过斗轮驱动。前一种方法,通过直接测量斗轮转矩,经过计算转化为取料流量,这种方法在国外有所应用,但很大程度上受限于安装位置,具体效果也难以保证;后一种方法,属于间接测量,根据斗轮驱动形式的不同,电机驱动斗轮测量电机电流,液压驱动斗轮则是测量液压马达入口压力,再经过公式计算,来估算取料流量。斗轮作为取料机的取料部位,对实时的取料流量是最直接也是最敏感的,属于无延迟测量,因此,通过斗轮获取实时取料流量是最佳的方法。
  
  神华黄骅港务公司的取料机斗轮驱动形式均为液压驱动,因此,在实际应用中,通过在斗轮液压马达入口安装压力传感器,获取实时斗轮压力。
  
  2 用斗轮压力估算取料流量的方法及不同条件下的区别对待
  
  斗轮驱动中使用的液压泵一般为柱塞泵,因而,在斗轮实际旋转过程中,即使斗轮空转,斗轮压力仍然存在小范围的波动,而当大流量取料时,泵本身的压力波动与取料过程中正常的压力波动共同作用,就引起了更大的压力波动,如果以此作为估算取料流量的依据,相当于在控制过程中引入了干扰,不利于取料流量的精确控制。为此,需要在使用斗轮压力估算取料流量之前,对斗轮压力进行必要的处理,减小压力波动带来的影响。
  
  在信号处理中,模拟量一般需要进行滤波处理,斗轮压力也是这样。对于斗轮压力,由于其波动形状非常接近正弦波,滤波算法有两种选择:一种是低通滤波器(Low-Pass ilter),另外一种是陷波滤波器(Notch ilter)。从原理上分析,考虑到斗轮压力的波动形状,陷波滤波器具有更好的性能,其能够使信号中特定的频率信号通过,而极大地衰减其他频率成分。在实际调试过程中,为了更直观地获得两种滤波算法的效果比较,分别对两种滤波算法的性能进行了测试,图1为港务公司一期R1取料机斗轮正常作业时压力处理曲线图,其中,曲线1为未经处理的斗轮压力;曲线2为经过低通滤波器处理后的斗轮压力;曲线3为经过陷波滤波器处理后的斗轮压力。
  
  斗轮压力处理曲线
  
  从图2中可以看出,两种滤波器均达到了减小斗轮压力跳动的目的,但陷波滤波器的效果并没有明显优于低通滤波器,反而在调试过程中发现一旦滤波系数整定存在偏差,会引起很大的压力延迟,这相当于在实时控制中引入了滞后,反而不利于流量控制的稳定。综合考虑到陷波滤波器整定较复杂,而低通滤波器整定较简单的因素,在实际应用中,选择使用低通滤波器作为斗轮压力的处理方法。
  
  错误参数下的斗轮压力处理曲线
  
  在对斗轮压力进行滤波处理之后,需要寻找斗轮压力与取料流量之间的关系。一般认为,斗轮压力与取料流量之间具有线性关系,即:
  
  公式1
  
  其中,F为实时取料流量;Pr为实时斗轮压力;Pn为斗轮空载压力;K为压力与流量间的转换系数值。
  
  按照这个公式进行估算的话,最重要的是获取系数K的值,在计算系数值时需要提前获取以下几个数据。
  
  (1)从斗轮取到煤,到煤流经过皮带秤中间所需要的时间t1.
  
  (2)斗轮空载压力Pn.由于斗轮在空转时,压力是变化的,因此,需要根据压力变化范围取中间值参与计算。
  
  因此,系数K的计算公式为:
  
  公式2
  
  其中,Pt为当前的斗轮压力;Pn为斗轮空载压力;Ft+t1为t1秒之后的皮带秤流量。为了最终得到较为可靠的K值,需要截取多段数据进行K值计算,然后对其做平均值处理,获得较为可靠的K值。
  
  但在实际过程中,由于斗轮取料过程中的物理特性,这个系数K并不是固定不变的,而是规律性变化的。需要从以下几个方面进行细化处理。
  
  (1)臂架不同回转方向造成的影响。由于安装在取料机上的斗轮并不是与臂架方向平行,而是存在一定夹角,两个方向在取料时阻力有所不同,因此,在臂架左转或者右转时,取料系数K值是不同的。具体来看,如果以向斗轮倾斜侧回转为方向A,另一侧为方向B,则当向A方向回转时,取料系数K要大于向B方向。因此,根据回转方向,对于系数K,有一个补充系数Kd.
  
  (2)取料量大小造成的影响。随着取料流量的增加,斗轮面对的阻力也是不同的。当取料流量越大时,表现为单位斗轮压力所能取到的料量是越小的。因此,需要针对不同的斗轮压力,对系数值进行补偿。补偿值的获取,难以通过公式进行具体计算,而是要通过在实际调试过程中,经过对不同取料流量下参数值的测算,最终测得各个压力下的参数值。因此,根据斗轮压力的大小,对于系数K,有一个补充系数KF.
  
  (3)不同煤种造成的影响。煤种可以简单划分为块煤与粉煤,对斗轮取料来讲,这种区别并不是指密度,而主要指挖取过程中煤炭的流动性,块煤的流动性要高于粉煤很多,这意味着即使斗轮付出了相同的压力,块煤取料过程中很多煤是取不到斗轮内的,而是在随着挖取流到了斗轮之外,这种特性随着煤块尺寸的增大,而越发明显。因此,根据煤炭煤种的区别,有一个补充系数KB.
  
  综合以上因素,在获取K时,需要对不同煤种、不同回转方向、不同取料量分别进行测算,最终获得适用于不同情况下的K值。
  
  3使用斗轮压力估算流量值时的几点建议
  
  (1)虽然经过调试计算能够得到以压力值为划分的参数值,但在实际使用中是否使用此种压力值划分是值得商榷的。因为,在取料过程中,压力的波动是不可避免的,以压力值范围作为参数值的划分,在一些情况下很容易造成参数值的跳动,进而造成估算取料流量值的非正常跳动,最终影响了整个闭环系统的调节性能。另一种折中的方式是按照设定的取料流量来进行参数值划分,这种方法虽然在取料过程中会造成某些时候的估算误差,但当实际取料流量到达设定取料流量附近时,估算是吻合的,同时,由于避免了取料过程中参数值的跳动,闭环系统的控制性能也得到了提升。
  
  (2)在进行系数K的整定前,需要提前对取料过程中的大机进车量进行调试,获得一个既能满足最大限度利用斗齿大小,又不会造成明显煤炭洒落的进车量。因为,一旦进车量设置过大,正常取料过程中尤其是回转到内侧时,斗轮洒煤现象是非常明显的,对于斗轮来讲,这相当于很多压力是在做无用功,在此情况下,整定出的参数也就是有问题的。
  
  (3)在安装压力开关时,最佳的方法是在斗轮液压站出口与液压泵入口各安装一个压力开关,这样能够进行相互校验,一旦出现问题,可以及时发现。因为,一旦采用斗轮压力信号作为流量反馈,但压力信号缺失时,会造成很严重的失控后果。
  
  4结语
  
  作为全自动取料机流量控制中的一个关键因素,实时流量的检测有着非常重要的作用,文章中所列举的处理方法已在黄骅港一期堆场投入使用,配合闭环流量算法,显着提高了作业中的流量稳定性。
  
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