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。
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。
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：
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：
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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