团 体 标 准
T/CIN 037—2024
自动化臂式斗轮堆取料机控制系统
技术要求
Technical requirements for the control system of automatic boom bucket wheel
stacker reclaimer
2024-06-25 发布 2024-09-25 实施
中 国 航 海 学 会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分： 标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国航海学会提出并归口。
本文件负责起草单位：江苏苏港智能装备产业创新中心有限公司、交通运输部水运科学研究院、南京港机重工制造有限公司、南京港(集团)有限公司、张家港港务集团有限公司、燕山大学。
本文件主要起草人：田昭、陈庆为、万锦旗、沈超宇、佘中健、潘磊、温皓白、李海滨、张传平、董志平、宋鹏飞、张德文、刘建军。
自动化臂式斗轮堆取料机控制系统技术要求
1 范围
本文件规定了自动化臂式斗轮堆取料机控制系统的构成与配置、总体要求和系统要求。
本文件适用于煤炭、矿石等干散货码头的自动化臂式斗轮堆取料机控制系统的设计、制造、改造和使用。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 5226.32 机械电气安全 机械电气设备 第32部分：起重机械技术条件
GA/T 1211 安全防范高清视频监控系统技术要求
JB/T 4149 臂式斗轮堆取料机
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
臂式斗轮堆取料机 boom bucket wheel stacker reclaimer
在干散货码头堆场上通过斗轮进行取料，经臂架带式输送机进行堆料的连续装卸机械。
4 构成与配置
4.1 自动化臂式斗轮堆取料机控制系统(以下简称“堆取料机控制系统”)应具备对设备机构的定位、控制、操作和监控等功能，主要由三维智能扫描子系统、高精度定位定姿子系统、堆取料作业控制子系统、安全防撞子系统、恒流量控制子系统、安防监控子系统等构成。
4.1.1 三维智能扫描子系统
通过在臂式斗轮堆取料机臂架两侧安装扫描检测装置，对料堆的轮廓范围进行实时扫描建模;在臂架头部位置安装雷达装置，对料堆成型过程进行数字模拟实时建模，并实时形成三维图像及相关信息数据库的子系统。
4.1.2 高精度定位定姿子系统
通过不少于两种的坐标检测方式(如卫星导航系统、绝对值编码器等)分别对臂式斗轮堆取料机的大车运行机构、臂架回转机构和臂架俯仰机构进行定位定姿，并提供各机构坐标矢量的冗余控制子系统。
4.1.3 堆取料作业控制子系统
通过选择作业方式，臂式斗轮堆取料机接受指令后启动对垛、自动换向、自动换层程序，进行实时作业状态分析并调整设备的结构参数，完成自动堆取料作业的控制子系统。
4.1.4 安全防撞子系统
通过在臂式斗轮堆取料机上安装激光雷达、机械限位开关等设备，防止臂式斗轮堆取料机之间、臂式斗轮堆取料机与料堆之间以及臂式斗轮堆取料机与周围环境装置之间发生碰撞，保证设备安全运行的控制子系统。
4.1.5 恒流量控制子系统
通过对臂式斗轮堆取料机电机电流、液压马达压力或皮带秤流量进行实时监测，防止在作业过程中斗轮和皮带发生过载、欠载等情况的控制子系统。
4.1.6 安防监控子系统
通过图像智能感知和异音检测技术，对烟雾报警、人员进入、结构故障预警进行实时检测，实现事前故障预测和事后故障告警，并具备告警情况查询和告警管理统计功能的控制子系统。
4.2 堆取料机控制系统应满足表 1 要求。
表 1 堆取料机控制系统基本配置表
表 1 堆取料机控制系统基本配置表(续)
5 总体要求
5.1 工作环境
控制系统的工作环境条件应满足下列要求：
a) 工作环境温度为-25℃~+45℃, 超出以上环境温度范围应考虑选用适合环境的元器件或增加必要的温度管控措施;
b) 场地工作风速不大于 20m/s，非工作风速不大于 55m/s;
c) 最大相对湿度不大于 95%。
5.2 操作模式
5.2.1 应支持自动操作、远程操作和人工操作等三种操作模式。
5.2.2 自动操作应具有管理作业计划、远程监控和控制堆取料设备自动化作业的功能。
5.2.3 远程操作应具有利用操作手柄对堆取料设备进行远程操作的功能，并配备紧急制动按钮。
5.2.4 应具备随时切换到手动操作模式的功能，并根据实际设备的运行情况对系统进行人工干预，如设备在作业中暂停、暂停堆取料、大车运行机构移动、臂架俯仰等操作。
5.3 堆取料机控制系统
5.3.1 设计应符合 GB/T 14695 的规定，安全要求应符合 JB/T 4149 的规定，服务器应符合 GB/T 39680的规定。
5.3.2 抗电磁干扰能力应符合 GB/T 5226.32 的要求。
5.3.3 各子系统应设置时间同步。
5.3.4 应响应迅速，下达指令、过程、修正方案简单快捷。
5.3.5 应自动生成控制命令，将定位信息和堆取料任务计划转化为 PLC 可识别控制字和控制位，并最终传递给设备执行。
5.3.6 应根据臂式斗轮堆取料机运行状态和操作指令，对作业指令进行选择、修改和派发。
5.3.7 应实时准确获取臂式斗轮堆取料机各种机构的位置和角度。
5.3.8 在接收到作业任务信息后，应自动计算并控制大车运行、臂架回转及俯仰，使臂式斗轮堆取料机运行至最佳作业起始位置。
5.3.9 应自动计算并控制大车运行速度，保持自动堆取料作业的物料流量恒定。
5.3.10 应自动计算并精准控制臂架的动作时间，实现自动堆取料换层作业。
5.3.11 应与带式输送机系统、接卸料系统、装船系统、装车系统等其他关联系统实现自动堆取料作业的工艺联动控制。
5.3.12 应能实现一键式启停全自动定位和堆取料作业，且全程无人工干预。
5.3.13 臂式斗轮堆取料机在实施自动控制系统升级前应进行安全和性能评估，升级后不应降低原臂式斗轮堆取料机的主要参数。
5.4 通信网络
5.4.1 宜选用光纤、5G 等传输方式。
5.4.2 网络安全应符合 GB/T 37955 的规定，同时数据通信网络应冗余配置。
6 系统要求
6.1 三维智能扫描子系统
6.1.1 三维智能扫描子系统应配备扫描检测装置。
6.1.2 扫描检测装置在臂式斗轮堆取料机作业过程中应实时生成料堆三维轮廓模型。
6.1.3 料堆三维轮廓模型应实时传输到远程控制台的电子屏幕上，并显示料堆的位置、体积、长度、宽度、高度、各层边界等物理参数。
6.1.4 扫描检测装置在获取料堆原始数据的基础上，应进行滤除噪声点、数据精简等预处理。
6.1.5 扫描检测装置参数符合以下要求：
a) 扫描半径宜不小于 80m;
b) 扫描误差应不超过200mm;
c) 轮廓扫描精度允许偏差宜小于 300mm;
d) 扫描角度应不小于 180°;
e) 扫描响应时间应小于 1s。
6.1.6 料堆三维轮廓模型应具备平移、旋转、缩放等功能。
6.1.7 扫描检测装置完成扫描操作后，料堆三维轮廓模型应实时更新。
6.1.8 扫描检测装置的选型应考虑环境中粉尘、恶劣天气以及物料反射率的影响。
6.1.9 扫描检测装置应定期进行清理，并制定维护方案。
6.1.10 扫描检测装置的安装位置应保证扫描点覆盖料堆总体轮廓，并应满足使用可靠、维护便利要求。
6.1.11 三维智能扫描子系统应具备自校验机制。
6.1.12 三维智能扫描子系统应设置管理模块，对系统的内部和外部参数进行设置和管理。
6.2 高精度定位定姿子系统
6.2.1 高精度定位定姿子系统应至少包括以下功能：
a) 大车运行机构定位;
b) 臂架回转机构定位;
c) 臂架俯仰机构定位。
6.2.2 大车运行机构定位大车位置与实际运行位置之间的误差应不超过±50mm。
6.2.3 臂架回转机构定位回转位置与实际回转位置之间的误差应不超过±0.1 °。
6.2.4 臂架俯仰机构定位俯仰位置与实际俯仰位置之间的误差应不超过±0.1 °。
6.2.5 位置检测装置宜选用卫星导航系统、绝对值编码器、重力感应倾角仪、格雷母线等。卫星导航系统适用于露天料场，其他位置检测装置适用于露天料场和室内料场。
6.2.6 各机构应具备两种及以上独立的、可冗余控制的定位方式，且支持相互校验。
6.3 堆取料作业控制子系统
6.3.1 堆取料作业控制子系统应至少包括以下功能：
a) 堆取料作业模式选择;
b) 自动对垛;
c) 自动换向;
d) 自动换层;
e) 堆取料流量恒定控制。
6.3.2 堆取料作业之前应对臂式斗轮堆取料机各机构的位置坐标和堆场的环境情况进行分析。
6.3.3 堆取料作业控制子系统在堆料模式下应根据货种类别、料堆数量等作业信息制定作业的堆料方案;取料模式下应根据料堆的形状制定取料方案，并计算出斗轮的切入点。
6.3.4 应具有堆新垛、连垛和补垛等堆料功能。
6.3.5 应具有自动对位、自动开层、垛边自动回转、自动换层和稳定恒流量取料等取料功能。
6.3.6 应通过远程控制台将作业指令传递至臂式斗轮堆取料机 PLC 控制系统，根据指令调整各机构位姿。
6.3.7 臂式斗轮堆取料机应保持堆取料作业时流量稳定，并具备过载保护功能。
6.3.8 应具备对物料的硬块、冻块、塌垛等危险情况的识别、判断、告警功能。
6.4 安全防撞子系统
6.4.1 安全防撞子系统应具备防撞检测装置，宜采用超声波传感器或激光扫描传感器。
6.4.2 安全控制防撞子系统应至少包括以下功能：
a) 大车运行机构防撞;
b) 臂架防撞;
c) 周围环境防撞。
6.4.3 大车运行机构防撞
6.4.3.1 防撞检测装置应布置于大车运行机构两端，测量范围应不小于 6m，测量误差应不超过±50mm。
6.4.3.2 应具备在不同的大车运行速度(包括相对运行速度)下设置防撞保护距离和报警功能。
6.4.3.3 应设置安全作业区域，保证大车运行机构不离开安全作业区域，并对其位置变化实时监测。
6.4.3.4 大车运行机构应配置两套及以上独立的防撞检测系统，互为补充。
6.4.4 臂架防撞
6.4.4.1 防撞检测装置应布置于臂架左右两侧，测量范围应不小于 5m，测量误差应不超过±50mm。
6.4.4.2 应设置臂架的安全作业区域，并对其位置变化实时监控。
6.4.4.3 应具备相邻多台臂式斗轮堆取料机臂架回转路径和俯仰路径上的防撞保护和报警功能。
6.4.4.4 应具备根据设备参数和实时信息协调多台臂式斗轮堆取料机之间作业时臂架避让功能。
6.4.4.5 臂架防撞应配备两套及以上独立的防撞检测系统，互为补充。
6.4.5 周围环境防撞
6.4.5.1 应具备设置周围环境预警区域的功能，如料堆、堆场墙、场地其他设施等。
6.4.5.2 应具备设置作业时与周围环境防撞保护距离和报警功能。
6.5 恒流量控制子系统
6.5.1 皮带机应配备流量实时检测装置，宜采用激光扫描仪或电子皮带秤。激光扫描仪应安装于悬臂皮带上方，检测范围应不小于 3m;电子皮带秤应具有倾角补偿和挂码校验能力。
6.5.2 皮带机流量检测的流量偏差应不超过±5%，瞬时误差应不超过± 10%。
6.5.3 恒流量控制子系统应具有预警机制。
6.5.4 斗轮堆取料机应具备取料作业时，根据皮带机的实际流量自动控制斗轮挖取料堆的深度和旋转速度的功能。
6.5.5 斗轮堆取料机应具备堆料作业时，根据皮带机的实际流量自动控制皮带机的运载量和传送速度的功能。
6.5.6 堆取料机控制系统在皮带机严重超载时应自动停止取料。
6.6 安防监控子系统
6.6.1 安防监控子系统应至少包括以下功能：
a) 视频监控;
b) 烟雾报警;
c) 料流温度检测;
d) 设备状态监控;
e) 人员入侵检测。
6.6.2 视频监控范围应包括堆场垛位，以及堆取料设备内的电气房、斗轮、臂架和尾车带式输送机、电缆卷盘、水缆卷盘、中心漏斗、回转平台、大车、登机口等区域。
6.6.3 视频监控应实时显示，并具备储存及回放功能，存储视频时间应不少于 30 天。
6.6.4 视频监控宜选用数字网络红外高清摄像机，视频图像质量应符合 GA/T 1211 的要求，信息延迟时间不应超过 280ms。
6.6.5 料流温度检测装置应布置于悬臂上方，宜采用红外激光测温仪。测量温度范围宜在 0～300℃之间，检测精度宜在 2.5%之内。
6.6.6 应根据料流高温检测装置数据设置不同的报警保护级别，分为报警和停止作业，并与带式输送机形成安全联锁。
6.6.7 应具有操作人员身份验证和权限管理功能。
6.6.8 应具备全时段显示斗轮堆取料机实时状态信息、故障信息和作业信息的功能。
6.6.9 斗轮堆取料机发生异常状态时，应具备一键急停等应急响应处理功能。
6.6.10 烟雾报警和人员入侵检测应有明显报警提示。
6.6.11 宜具备广播语音对讲功能。
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