一种清篦机控制系统和方法

1.本发明涉及煤炭处理技术领域，具体为一种清篦机控制系统和方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.煤炭处理过程中使用的电场翻车机下料口具有煤篦子，用于阻挡煤炭中的杂物，容易被杂物以及大块冻煤、粘煤等物体堵住，导致煤炭堆积，严重影响正常工作进程。针对该问题，目前以人工清理方式为主，不仅清理效率低，劳动强度高，而且在清理过程中存在人员跌落的安全隐患。一些现有技术利用机械臂携带钻头、夹爪等部件形成清篦设备，虽然可以代替人工对煤篦子进行清理以解决堵塞的问题，但机械臂自身存在运动死区，无法覆盖煤篦子的全部范围，清理效果不理想。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种清篦机控制系统和方法，通过对煤篦子进行区域划分，以交叉调用、分别清理的方式，应对每一组清篦机的死区，确保清篦机能够覆盖到煤篦子的全部区域。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面提供一种清篦机控制系统，包括：
7.工业相机，获取煤篦子图像和清篦机运动图像并发送至工控机；
8.数据采集模块，获取清篦机的位姿数据和液压系统的状态数据并发送至工控机；
9.工控机，基于获取的图像信息划分相邻两组清篦机的作业区域，具体为：以每一组清篦机转动中心点为圆心，最短距离为半径获得的扇形范围为理论死区，以相邻两组清篦机的理论死区边缘的切线为分界线，得到每一组清篦机的正常作业区域和死区，每一组清篦机的正常作业范围覆盖相邻一组清篦机的死区范围；
10.工控机，根据工业相机获取的图像信息判断煤篦子被堵塞区域所在的范围，基于划分的作业区域选择所需的清理区域，根据位姿数据和状态数据向清篦机发出指令，执行清理任务。
11.基于划分的作业区域选择所需的清理区域，根据位姿数据和状态数据向清篦机发出指令，包括：
12.若清理区域包含其中一组清篦机的正常作业范围，则控制与该区域对应的清篦机单独作业；若包含相邻两组清篦机的正常作业范围，则控制两组清篦机同时作业清理对应的煤篦子区域；
13.若清理区域包含其中一组清篦机的死区范围，则控制相邻的另一组清篦机作业，以覆盖该死区范围；若清理区域全部为死区，则根据设定的顺序依次控制每一组清篦机作业交叉作业；
14.若清理区域同时包含正常作业区域和死区范围，则正常作业区域的清理任务优先级高于死区范围。
15.清篦机位于待清理的煤篦子一侧，包括与机械臂连接的末端执行机构，清篦机与液压站连接，通过液压站提供动力实现转动、俯仰、伸缩和末端执行机构动作；机械臂带动末端执行机构伸缩至最短距离为理论死区的半径。
16.数据采集模块包括连接在清篦机上的角度传感器、长度传感器、接近开关传感器和连接在液压站上的压力传感器以及温度传感器，角度传感器包含旋转角角度传感器和俯仰角角度传感器；长度传感器检测清篦机伸缩长度；接近开关传感器确定清篦机的极限位置；温度和压力传感器采集液压站的温度和压力。
17.还具有可编程逻辑控制器，用于接收和处理数据采集模块获取的数据，接受工控机发送的控制信号和向工控机发送清篦机系统状态信号，可编程逻辑控制器还与翻车机控制系统通讯连接。
18.本发明的第二个方面提供一种清篦机控制方法，包括以下步骤：
19.工控机基于获取的图像信息划分相邻两组清篦机的作业区域：以每一组清篦机转动中心点为圆心，最短距离为半径获得的扇形范围为理论死区，以相邻两组清篦机的理论死区边缘的切线为分界线，得到每一组清篦机的正常作业区域和死区，每一组清篦机的正常作业范围覆盖相邻一组清篦机的死区范围；
20.根据所选择的清理区域，工控机基于位姿数据和状态数据向清篦机发出指令，包括：
21.若清理区域包含其中一组清篦机的正常作业范围，则控制与该区域对应的清篦机单独作业；若包含相邻两组清篦机的正常作业范围，则控制两组清篦机同时作业清理对应的煤篦子区域；
22.若清理区域包含其中一组清篦机的死区范围，则控制相邻的另一组清篦机作业，以覆盖该死区范围；若清理区域全部为死区，则根据设定的顺序依次控制每一组清篦机作业交叉作业；
23.若清理区域同时包含正常作业区域和死区范围，则正常作业区域的清理任务优先级高于死区范围。
24.若清理区域全部为死区，则首先调动第一清篦机作业清理第二清篦机的死区范围，此时第二清篦机保持原点位置不动作，待第一清篦机完成清理任务并返回原点后，第二清篦机开始作业，清理第一清篦机的死区直至任务完成并返回原点。
25.工控机控机对获取的图像信息进行校正与变换后输出显示。
26.执行清理任务之前，基于翻车机控制系统获取翻车机的作业状态，在翻车机未作业时，可编程逻辑控制器向工控机发送解除锁定指令。
27.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
28.1、通过对煤篦子进行区域划分，根据划分后的区域，以交叉调用、分别清理的方式控制清篦机，从而应对每一组清篦机的死区，确保清篦机能够覆盖到煤篦子的全部区域。
29.2、能够大幅提高煤场下料口煤篦子的清理效率，降低人工作业风险的同时，应对清篦机死区导致清理效果不理想的问题。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1是本发明是一个或多个实施例提供的煤篦子与清篦机的布置位置示意图；
32.图2是本发明是一个或多个实施例提供的煤篦子理论区域划分示意图；
33.图3是本发明是一个或多个实施例提供的清篦机控制系统结构示意图；
34.图4是本发明是一个或多个实施例提供的清篦机控制系统流程图；
35.图5是本发明是一个或多个实施例提供的控制方法流程图；
36.图1中：1-煤篦子，2-工业相机，3-一号清篦机，4-二号清篦机，31-一号清篦机正常区域，41-二号清篦机正常区域，32-一号机死区，42-二号机死区，5-正常区域与死区实际分界线，6-清篦机最小清理半径分界线，33-一号机理论死区，43-二号机理论死区。
具体实施方式
37.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.正如背景技术中所描述的，现有技术利用机械臂携带钻头、夹爪等部件形成清篦设备，虽然可以代替人工对煤篦子进行清理以解决堵塞的问题，但机械臂自身存在运动死区，无法覆盖煤篦子的全部范围，清理效果不理想。
41.因此以下实施例给出一种清篦机控制系统和方法，利用相配合的至少两组机械臂携带执行机构实现煤篦子清理，通过对煤篦子进行区域划分，以交叉调用、分别清理的方式，应对每一组机械臂的死区，确保清篦机能够覆盖到煤篦子的全部区域。
42.实施例一：
43.一种清篦机控制系统，包括：
44.工业相机，获取煤篦子图像和清篦机运动图像并发送至工控机；
45.数据采集模块，获取清篦机的位姿数据和液压系统的状态数据并发送至工控机；
46.工控机，基于获取的图像信息划分相邻两组清篦机的作业区域，具体为：以每一组清篦机转动中心点为圆心，最短距离为半径获得的扇形范围为理论死区，以相邻两组清篦机的理论死区边缘的切线为分界线，得到每一组清篦机的正常作业区域和死区，每一组清篦机的正常作业范围覆盖相邻一组清篦机的死区范围；
47.工控机，根据工业相机获取的图像信息判断煤篦子被堵塞区域所在的范围，选择所需的清理区域，基于位姿数据和状态数据向清篦机发出指令，执行清理任务。
48.工控机，根据所选择的清理区域，工控机基于位姿数据和状态数据向清篦机发出指令，包括：
49.若清理区域包含其中一组清篦机的正常作业范围，则控制与该区域对应的清篦机单独作业；若包含相邻两组清篦机的正常作业范围，则控制两组清篦机同时作业清理对应的煤篦子区域；
50.若清理区域包含其中一组清篦机的死区范围，则控制相邻的另一组清篦机作业，以覆盖该死区范围；若清理区域全部为死区，则根据设定的顺序依次控制每一组清篦机作业交叉作业；
51.若清理区域同时包含正常作业区域和死区范围，则正常作业区域的清理任务优先级高于死区范围。
52.具体的：
53.工业相机用来采集煤篦子图像和清篦机运动实时监控视频并传递给工控机；本实施例中的工业相机安装于煤篦子一侧正中央，距地面一定高度处，使工业相机的视野覆盖煤篦子全部面积。
54.数据采集模块包括安装在清篦机上的角度传感器、长度传感器、接近开关传感器和安装在液压站上的压力传感器以及温度传感器，与可编程逻辑控制器直接相连或与远程输入/输出模块相连，用于采集清篦机的位姿数据和液压系统的压力温度等数据。
55.控制模块包括安装在液压泵站中的比例控制阀或伺服控制阀。数据采集模块将采集到的信息传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器对信息进行处理，同时可编程逻辑控制器将处理后的信息传递给工控机中的上位机软件，并够通过显示装置对信息进行显示。
56.每一台清篦机的本体均可视为一台具有伸缩、转动与俯仰功能的圆柱坐标机械臂，机械臂上配有多种不同功能作用的末端执行机构。每台清篦机均可实现转动、俯仰、伸缩和工具切换以及工具启停功能，以上功能均由液压系统提供动力。对清篦机转动的控制是通过控制相关的液压马达实现，清篦机的伸缩和俯仰功能则是通过控制其液压缸的伸缩来实现的。
57.本实施例中，清篦机的末端执行机构同时具有两种，一种为旋转破碎头，另一种为冲击破碎头，两种执行机构安装在一支架上且两种执行机构之间存在90
°
夹角；支架与清篦机铰接，通过一液压缸可实现两种执行机构的转换。为将清理范围覆盖整个煤篦子区域，需要两台清篦机协同配合清理。
58.如图1所示，为本实施例所控制的清篦机的情况、工业相机的安装位置和煤篦子区域实际划分情况：将煤篦子整体区域划分为四大区域，分别是一号清篦机正常区域31，二号清篦机正常区域41，二者合称正常区域；一号机死区32和二号机死区42，二者合称死区。正常区域是清篦机能否覆盖到的作业范围，死区是清篦机无法覆盖到的区域。
59.如图2所示的煤篦子理论区域划分示意图，由于清篦机使用圆柱坐标系而导致一号机和二号机的理论死区为扇形区域，而在实际应用过程中，采用扇形区域定义死区计算和控制过程都较为复杂，还会出现部分区域重复清理的情况，而且与死区直接相邻的正常区域在日常工作中清理频次与死区大致相同，将其定义为正常区域会大幅降低清理效率。为简化控制流程，减小不必要的清理区域，提高清理效率，参考现场实际情况，将所划分的煤篦子的区域进行调整，使每个区域都简化成为矩形，如图1所示。
60.本实施例中，清篦机的机械臂存在最短距离，以机械臂转动中心点为圆心最短距
离为半径获得的扇形范围为清篦机最小清理半径分界线6，清篦机最小清理半径分界线6至机械臂转动中心点的区域为清篦机的理论死区，即本实施例中管道一号机理论死区33和二号机理论死区43，为了简化控制过程，沿相邻两组清篦机的最小清理半径分界线6做切线，该切线为正常区域与死区实际分界线5，从而划分清篦机的正常区域和死区，其中一组清篦机的正常范围覆盖相邻一组清篦机的死区范围。
61.本实施例中，呈矩形的一号清篦机正常区域31、二号清篦机正常区域41、一号机死区32和二号机死区42，在设置两组清篦机的情况下，四块区域构成煤篦子的全部区域，实际作业时，一号清篦机正常区域31覆盖二号机死区42，二号清篦机正常区域41覆盖一号机死区32。使得一号清篦机正常区域和二号清篦机正常区域分别由对应一号清篦机和二号清篦机进行清理；一号机死区和二号机死区在清理时进行交叉调用，分别由二号清篦机和一号清篦机进行清理。
62.如图3所示，在开始控制清篦机进行清理工作前，工业相机采集现场图像和视频传输到工控机中，工控机对视频和图像进行校正与变换后在输出显示，为操作员的操作提供直观的参照。
63.当煤篦子堵塞严重，需要进行清理时，会先提示操作员当前翻车机的工作状态，如果翻车机正在进行翻车作业，则可编程逻辑控制器向工控机发送系统锁定指令，此时系统锁定，操作员无法操作，直至下一次翻车作业完成。
64.在确认翻车机未进行翻车作业后，可编程逻辑控制器向工控机发送解除锁定指令，此时清篦机控制系统解除锁定，操作员可以在清篦机控制系统中选择操纵模式，清篦机控制系统同时向翻车机控制系统发送锁定信号，禁止翻车机动作。
65.在就地控制模式下，操作员可在就近控制箱的触摸屏上点动控制清篦机动作；当选择远程控制模式时，在手动模式下，操作员可以在本系统的手动操纵模式下，通过工控机鼠标点击，向可编程逻辑控制器发送点动指令，操控清篦机进行点动。
66.当选择操纵方式为自动模式后，系统会将经过校正变换过的图像输出到选择框中，操作员可根据现场图像所展示的情况决定直接选择常用的清理区域进行清理或者直接点击图像上堵塞区域进行选择。在确认操作后，工控机将相关控制参数发送至可编程逻辑控制器，由可编程逻辑控制器控制伺服阀或比例阀，控制清篦机的动作，同时清篦机上对应的警笛开始工作，提示现场人员退出清篦机工作范围以防发生意外。
67.可编程逻辑控制器通过数据采集模块所采集到的清篦机的位姿数据和液压系统的油温油压等参数以一定频率发送至工控机，经过清篦机控制系统解算后在控制系统界面予以显示，方便操作员监视清篦机系统的工作参数和及时发现处理异常状况。待清理工作结束、清篦机控制系统检测到清篦机均返回原点后，清篦机控制系统将向翻车机控制系统发送解除锁定信号，同时清篦机控制系统将会被锁定，以防止清篦机发生误动而造成事故。
68.当清篦机运动范围出现异常以及液压系统出现油温、油压过高和油量过少等情况时，系统会弹出提示框提示操作员系统存在异常及原因并及时关停清篦机和液压系统以确保安全。
69.利用相配合的至少两组机械臂携带执行机构实现煤篦子清理，通过对煤篦子进行区域划分，以交叉调用、分别清理的方式，应对每一组机械臂的死区，确保清篦机能够覆盖到煤篦子的全部区域。
70.实施例二：
71.上述清篦系统的工作方法，包括：
72.工控机基于获取的图像信息划分相邻两组清篦机的作业区域：以每一组清篦机转动中心点为圆心，最短距离为半径获得的扇形范围为理论死区，以相邻两组清篦机的理论死区边缘的切线为分界线，得到每一组清篦机的正常作业区域和死区，每一组清篦机的正常作业范围覆盖相邻一组清篦机的死区范围；
73.根据所选择的清理区域，工控机基于位姿数据和状态数据向清篦机发出指令，包括：
74.若清理区域包含其中一组清篦机的正常作业范围，则控制与该区域对应的清篦机单独作业；若包含相邻两组清篦机的正常作业范围，则控制两组清篦机同时作业清理对应的煤篦子区域；
75.若清理区域包含其中一组清篦机的死区范围，则控制相邻的另一组清篦机作业，以覆盖该死区范围；若清理区域全部为死区，则根据设定的顺序依次控制每一组清篦机作业交叉作业；
76.若清理区域同时包含正常作业区域和死区范围，则正常作业区域的清理任务优先级高于死区范围。
77.若清理区域全部为死区，则首先调动第一清篦机作业清理第二清篦机的死区范围，此时第二清篦机保持原点位置不动作，待第一清篦机完成清理任务并返回原点后，第二清篦机开始作业，清理第一清篦机的死区直至任务完成并返回原点。
78.具体为：
79.工业相机获取煤篦子现场图像并由控制系统对图像进行变换与校正。
80.在所获得的图像中对煤篦子进行区域划分，划分情况如图1所示。
81.一号清篦机正常区域和二号清篦机正常区域分别由对应一号清篦机和二号清篦机进行清理；一号机死区和二号机死区在清理时进行交叉调用，分别由二号清篦机和一号清篦机进行清理。
82.对所选择的区域进行判断，若所选区域仅包含正常区域，有三种选择的可能性：
83.若被选择区域仅包含一号清篦机正常区域和二号清篦机正常区域中的一个，则调动与之相对应的清篦机单独动作；若被选择区域同时包含一号清篦机正常区域和二号清篦机正常区域，则同时调动两台清篦机同时清理与之对应的煤篦子区域；
84.若所选择区域仅包含死区：
85.若被选择区域仅包含一号清篦机清理死区和二号清篦机清理死区中的任意一个，则调动与之对应的清篦机前去清理(即，选择一号机死区时，对应为二号机作业；二号机死区时，对应为一号机作业，从而形成交叉)；
86.若死区全部被选中，则首先调动一号清篦机动作去清理二号清篦机清理死区，此时二号清篦机保持原点位置不动作，待一号清篦机完成清理任务并返回原点后，二号清篦机开始动作，清理一号清篦机清理死区直至任务完成并返回原点；
87.若所选区域同时包含正常区域和死区，根据正常区域优先的原则，系统会优先调度清篦机清理正常区域，正常区域清理任务结束后两台清篦机均会返回原点，等待控制系统发送死区清理信号并进行死区清理，该状态下的任务执行逻辑与前述两种情况相同，此
处不作赘述。
88.针对部分区域煤堆高度高需要采用分层清理，需要操作员在清理任务开始前选择需要进行分层清理的煤篦子区域或者选择控制系统内部设定的煤篦子上需要分层清理的区域即可。
89.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。