CN104763430B - 露天矿开采设备的对中方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种露天矿开采设备的对中方法，包括如下步骤：获取待对中的上游设备、下游设备的实时位置；根据所述上游设备、所述下游设备的实时位置设定所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径，并依据该目标路径计算所述上游设备电机的目标转速；根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制，直至所述上游设备和所述下游设备无位置偏差。该对中方法根据上游设备和下游设备的实时位置偏差，对上游设备至下游设备的对中路线进行了规划和控制，实现了上游设备和下游设备的自动对中，大大缩短了露天矿开采过程中相关设备的对中时间，提高了露天矿的剥采效率。在此基础上，本发明还公开了一种露天矿开采设备的对中***。
Description
技术领域
本发明涉及矿采技术领域，特别是涉及一种露天矿开采设备的对中方法和***。
背景技术
半连续剥采技术在露天矿剥采中的应用日益广泛。
半连续剥采的装置通常包括挖掘机、自移式破碎机、工作面胶带机等。
现场作业时，物料的走向为：挖掘机将挖掘的原煤通过电铲投入到自移式破碎机的受料斗，自移式破碎机将原煤破碎，破碎后的物料经过破碎机的排料臂送至工作面胶带机上的料斗车收料斗，在工作面胶带机的作用下传送至端帮皮带。在这一流程中，上游设备和下游设备(如挖掘机和自移式破碎机)之间的物料转接能够顺利实现，前提是落料点要精确，也就是说，需要挖掘机的落料部和自移式破碎机的接料部对中，通常要求转接点的偏差值在10cm以下。
另外，采矿实践中，很容易会出现自移式破碎机与料斗车相距较远，自移式破碎机无法直接将破碎的物料输送至料斗车，此时需要转载机实现过渡，即自移式破碎机先将破碎的物料输送至转载机，再由转载机将物料输送至料斗车。显然，为实现物料转接，自移式破碎机和转载机这两台移动设备之间也需要进行对中。
目前，在露天矿开采中，上游设备的落料部与下游设备的接料部的对中方式通常采用人工操作。这里，上游设备和下游设备是针对物料的走向而言，在挖掘机和破碎机之间，挖掘机为上游设备，破碎机为下游设备，在破碎机和转载机之间，破碎机则为上游设备，转载机为下游设备。
由于挖掘机、破碎机及转载机一般都为履带式工程设备，其体积庞大，转向控制中司机操作死角较多，手动控制灵活性差，所以，每次对中都需要操作人员多次操作才能实现，平均时间多达十几分钟。另外，由于露天剥采随着剥采进行，往往挖掘机几次作业后就需要移动到下一剥采点，造成较短时间(如半小时)就需要进行一次对中，即对中频率高，而人工对中又费时费力，导致剥采整体效率非常低下。
有鉴于此，如何提高露天矿剥采中相关设备的对中速度，提高剥采效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的为提供一种露天矿开采设备的对中方法和对中***，该方法和***能够提高露天矿剥采时相关设备的对中速度和效果，从而提高露天矿的剥采效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种露天矿开采设备的对中方法，包括如下步骤：
获取待对中的上游设备、下游设备的实时位置；
根据所述上游设备、所述下游设备的实时位置设定所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径，并依据该目标路径计算所述上游设备电机的目标转速；
根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制，直至所述上游设备和所述下游设备无位置偏差。
可选地，通过RTK-GPS位置测量***获取所述上游设备、所述下游设备的实时位置的空间大地坐标。
可选地，将所述上游设备、所述下游设备实时位置的空间大地坐标转换为平面直角坐标；
所述目标路径设定为经过所述上游设备平面直角坐标点和所述下游设备平面直角坐标点的圆弧；设置所述上游设备对中初始的瞬时速度方向为该圆弧的切线方向，并据此计算所述上游设备的理论转向半径；
设置所述上游设备运行至所述下游设备的目标平均车速，并结合所述圆弧确定所述上游设备的目标角速度；
根据目标转向半径、所述目标平均车速和所述目标角速度计算所述上游设备电机的目标转速，其中，所述目标转向半径为所述理论转向半径。
可选地，当所述理论转向半径小于所述上游设备的最小转向半径时，选取所述最小转向半径作为所述目标转向半径。
可选地，对中前，若所述下游设备处于移动状态，则驱动所述上游设备与所述下游设备同速度同方向运行，至所述下游设备停止后，再根据所述目标路径进行对中。
本发明还提供一种露天矿开采设备的对中***，包括：
数据采集模块，用于实时监测待对中的所述上游设备、所述下游设备的实时位置；
数据分析模块，根据所述上游设备、所述下游设备的实时位置设定所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径，并根据该目标路径计算所述上游设备电机的目标转速；
数据传输模块，用于将所述上游设备电机的目标转速传送至所述上游设备的驱动执行模块；
所述驱动执行模块根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制，直至所述上游设备与所述下游设备的实时位置无偏差。
可选地，所述数据采集模块为RTK-GPS位置测量***。
可选地，所述数据分析模块包括：
坐标转换子模块，用于将所述RTK-GPS位置测量***获取的所述上游设备、所述下游设备实时位置的空间大地坐标转换为平面直角坐标；
路径设置子模块，用于将所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径设置为经过所述上游设备平面直角坐标点和所述下游设备平面直角坐标点的圆弧，并设置所述上游设备对中初始的瞬时速度方向为所述圆弧的切线方向；
速度计算子模块，计算所述上游设备的理论转向半径；设置所述上游设备运行至所述下游设备的目标平均车速，并结合所述圆弧确定所述上游设备的目标角速度；还根据目标转向半径、所述目标平均车速和所述目标角速度计算所述上游设备电机的目标转速，其中，所述目标转向半径为所述理论转向半径。
可选地，所述速度计算子模块还包括比较模块，其预设有所述上游设备的最小转向半径，当所述目标转向半径小于所述最小转向半径时，选取所述最小转向半径作为所述目标转向半径。
可选地，所述对中***还包括下游设备状态判断模块，当其判断所述下游设备处于移动状态，输出控制信号至所述上游设备的驱动执行模块，使其驱动所述上游设备与所述下游设备同速度、同方向运行，至所述下游设备停止后，再根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制。
本发明提供的露天矿开采设备的对中方法和***，能够实现露天矿剥采时相关设备的快速对中。具体地，本方案中，根据待对中的上游设备和下游设备的实时位置，设定上游设备运行至下游设备的目标路径，并据此目标路径计算上游设备电机的目标转速，以该目标转速为指定转速对上游设备的实际转速进行闭环控制，直至上游设备和下游设备无位置偏差；如此根据上游设备和下游设备的实时位置，规划了上游设备的对中路径及对中速度，并实时进行调整，实现了上游设备和下游设备的自动对中，较之现有技术中人为对中操作，大大缩短了露天矿开采过程中相关设备的对中时间，从而提高了露天矿的剥采效率。
附图说明
图1为本发明所提供露天矿开采设备对中方法一种具体实施方式的流程框图；
图2为图1中目标路径设置的原理示意图；
图3为本发明所提供露天矿开采设备对中***一种具体实施方式的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心为提供一种露天矿开采设备的对中方法和对中***，该方法和***能够提高露天矿剥采时相关设备的对中速度和效果，从而提高露天矿的剥采效率。
露天矿开采的实际作业中，物料的走向为：挖掘机→破碎机→工作面胶带机上的料斗车；实践中，若破碎机和工作面胶带机之间的距离较远时，需要通过转载机过渡，此时物料的走向为：挖掘机→破碎机→转载机→工作面胶带机上的料斗车。
转运过程中，为实现物料的顺利转接，需要相邻的上游设备和下游设备对中方可，比如，挖掘机将挖掘的原煤转运至破碎机的受料斗时，往往因两者有一定的距离，需要实现挖掘机与破碎机的对中。下文就露天矿开采中，如何实现上游设备和下游设备的对中进行详细说明。
需要指出的是，文中“上游设备”和“下游设备”是针对物料的走向而言的，比如，在挖掘机和破碎机之间，挖掘机为上游设备，破碎机为下游设备；在破碎机和转载机之间，破碎机则为上游设备，转载机为下游设备。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
为便于理解和描述简洁，下文结合露天矿开采设备的对中方法、对中***进行说明，有益效果不再重复论述。
请参考图1和图3，图1为本发明所提供露天矿开采设备对中方法一种具体实施方式的流程框图；图3为本发明所提供露天矿开采设备对中***一种具体实施方式的结构框图。
该具体实施方式中，露天矿开采设备的对中方法包括如下步骤：
S11、获取待对中上游设备、下游设备的实时位置；
S12、根据所述上游设备、所述下游设备的实时位置设定所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径，并依据该目标路径计算所述上游设备电机的目标转速；
如图3中所示，该实施方式中，露天矿开采设备的对中***包括数据采集模块100，用于监测待对中的上游设备、下游设备的实时位置。
所述对中***还包括数据分析模块200，该数据分析模块200可以根据上游设备、下游设备的实时位置设定上游设备运行至下游设备的目标路径，并根据该目标路径计算出上游设备电机的目标转速。
需要说明的是，由于露天矿开采中物料的走向，为避免开采设备的多余移动，实际操作时，通常使上游设备向下游设备移动。
还需要指出的是，由于露天矿开采的移动设备多为履带式工程设备，移动设备两侧履带的移动由两侧电机控制，所以对移动设备转速的控制实际为对其两侧电机的控制。
具体的方案中，可以通过RTK-GPS(Real-Time Kinematic—GPS)位置测量***获取上游设备、下游设备实时位置的空间大地坐标。
也就是说，所述数据采集模块100可以设为RTK-GPS位置测量***。
具体地，RTK-GPS位置测量***包括基准站、流动站和无线电数据传输设备；无线数据通讯是能够进行实时动态测量的保证。
实践中，取点位精度较高的控制点作为基准站，在该基准站设置一台接受机；由于采矿过程中，上游设备和下游设备均会移动，所以将上游设备和下游设备作为流动站，分别设置一台接收机。
测量时，基准站的接收机对卫星进行连续观测，流动站的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站的观测数据，流动站的计算机根据相对定位的原理实时计算流动站的三维坐标和测量精度。
需要指出的是，基准站设置在一定的测区范围内，该测区可以根据实际情况来选取；当测区范围大于一定的面积后，在测量计算中需要考虑各种参数的修正，如地球曲率半径的影响等，因此，在实际应用中，可以通过减小流动站能够接收计转站信号的最远距离来保证测量的精度。
基于RTK-GPS位置测量***获得的上游设备、下游设备的三维坐标实际为空间大地坐标(经度、纬度、大地高)，为便于后续计算，还需要将空间大地坐标系转换为空间直角坐标系，并进一步转换为平面直角坐标系。
具体的方案中，所述数据分析模块200包括坐标转换子模块201，其能够将基于RTK-GPS位置测量***获取的上游设备、下游设备实时位置的空间大地坐标转换为平面直角坐标。
实际操作时，可以算出上游设备、下游设备位置偏差的平面直角坐标，依据该位置偏差来设定目标路径。
经过测量计算，上游设备、下游设备位置偏差的平面直角坐标具体如下：
Xx＝-sin(L0)×(X-X0)+cos(L0)×(Y-Y0)；
Yy＝-sin(B0)×cos(L0)×(X-X0)-sin(B0)×sin(L0)×(Y-Y0)+cos(B0)×(Z-Z0)；
Zz＝cos(B0)×cos(L0)×(X-X0)+cos(B0)×sin(L0)×(Y-Y0)+sin(B0)×(Z-Z0)；
其中：
B0、L0——上游设备实时位置的纬度、经度；
X0、Y0、Z0——上游设备实时位置的空间直角坐标X值、Y值、Z值；
X、Y、Z——下游设备实时位置的空间直角坐标X值、Y值、Z值。
所述数据分析模块200还包括路径设置子模块202，该路径设置子模块202可以算出上游设备和下游设备在平面直角坐标系下的位置偏差，并据此设定上游设备运行至下游设备的目标路径。
请结合图2，图2为图1中目标路径设置的原理示意图。
如图2中所示，为简便，将上游设备所在位置置为X-Y平面坐标系的原点O，则上述位置偏差的平面坐标值为下游设备的所在位置，图中以A表示；也就是说，现在要设定由O点到达A点的路径。
当然，实际中反向设置也可以，即将下游设备所在位置置为X-Y平面坐标系的原点，则位置偏差的平面坐标值为上游设备的所在位置。
通过O点、A点的直线或曲线可以有无数条，换句话说，可以将其中任一条直线或曲线作为O点到达A点的路径。
考虑到具体实际情况，上游设备按照圆弧运动最易于实现，所以该具体方案中，设定经过O点、A点的圆弧为目标路径。
需要指出的是，利用上游设备、下游设备的位置偏差来设定目标路径比较方便，且利于后续目标转速的计算。当然，实际中，直接用上游设备、下游设备实时位置的平面直角坐标来设定目标路径也是可行的，具体原理类似，不再赘述。
在确定了上游设备按照目标路径即由O点至A点的圆弧运行后，即可根据该目标路径计算出上游设备电机的目标转速。
具体的方案中，为控制计算的方便及实际操作的方便，可设定上游设备在对中初始的瞬时速度方向为上述圆弧的切线方向。
所述数据分析模块200还包括速度计算子模块203，该模块可根据设置的目标路径及上游设备对中初始的瞬时速度方向计算出上游设备电机的目标转速。
下面详细描述上游设备电机的目标转速的计算原理。
不失一般性，在图2的原理示意图中，将经过O点的圆半径方向设置为X轴方向，由图2所示的几何关系可以得出：
由此，可以得到圆心C点的X轴坐标为:
从而上游设备的理论转向半径r为将该理论转向半径作为目标转向半径进行后续计算
通常，上游设备多为履带式车辆，对于履带式车辆而言，其转向半径都有最小值。
在上述方案的基础上，还比较理论转向半径小于上游设备的最小转向半径时，选取最小转向半径作为目标转向半径进行后续计算。
相应地，所述速度计算子模块203还包括比较模块，其预设有上游设备的最小转向半径，当所述理论转向半径小于所述最小转向半径时，选取最小转向半径作为目标转向半径进行后续计算。
具体地，上游设备的最小转向半径可根据履带车辆的极限转向原理理论计算得到，即根据转向半径大于履带中心矩1/2的情况下，两侧履带的功率需求来确定最小转向半径；其中，两侧履带的功率需求可通过下式计算得出：
其中，G为整备质量，v为转向时的平均车速，f为地面变形阻力系数，L为履带接地长度，B为履带中心矩，umax为车辆座半径为0～B/2转向时的转向阻力系数，ρ为相对转向半径。
实际中，设备厂商会提供相关履带式车辆的最小转向半径rmin，此时可以直接将前述计算得到的理论转向半径与厂商提供的最小转向半径rmin行比较。
对于履带式车辆的上游设备而言，两侧履带是通过两侧电机驱动的，因此，控制电机的转速即可控制两侧履带的速度。
根据线速度公式并结合综合传动比i0，可以得到上游设备两侧电机的目标转速计算公式，如下：
其中，可以将上游设备的目标平均车速v设定为上游设备与下游设备相对距离的单调递增函数，为简便，具体可以设置为二次函数(以便减小趋近于停止阶段的斜率)，即其中a为常数，可以通过实际调试来确定。
同时，可以通过该目标平均车速的积分计算得出，以上述圆弧为目标路径到达目标点的时间，如下：
由得出
当然，在实际应用中，也可根据需要，将目标平均车速设定为上游设备与下游设备相对距离的其他类型函数。
其中，目标角速度ω的确定可通过计算上述圆弧的弧长确定，根据图2，上游设备、下游设备实时位置的平面距离为
当前述理论转向半径r大于最小转向半径rmin时，选取理论转向半径r作为目标转向半径，此时，前述圆弧对应的夹角为：
当前述理论转向半径r小于最小转向半径rmin时，选取最小转向半径rmin作为目标转向半径，此时，前述圆弧对应的夹角为：
由此可以确定所述上游设备的目标角速度ω，如下：
当前述理论转向半径r大于最小转向半径rmin时，选取理论转向半径r作为目标转向半径，此时，目标角速度ω由圆弧夹角除以时间获得，具体的计算公式如下：
当前述理论转向半径r小于最小转向半径rmin时，选取最小转向半径rmin作为目标转向半径，此时，目标角速度ω的计算公式如下：
根据前述确定的目标平均车速目标角速度ω、目标转向半径及履带中心矩B，并结合前述公式(1)和(2)，即可获得为实现对中上游设备电机的目标转速，具体如下：
当前述理论转向半径r大于最小转向半径rmin时：
当前述理论转向半径r小于最小转向半径rmin时，
具体的方案中，数据分析模块200可以为WinCC***，上述各部分的设定和计算可以通过该***的VBS语句实现。
S13、根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制，直至所述上游设备和所述下游设备无位置偏差。
所述对中***还包括数据传输模块300，该模块可将前述获得的上游设备电机的目标转速传送至上游设备的驱动执行模块400，该驱动执行模块400根据接收的目标转速，采用闭环控制的方式对上游设备电机的实际转速进行控制，直至上游设备与下游设备的实时位置无偏差，从而顺利实现上游设备和下游设备之间的物料转接。
具体的方案中，所述数据传输模块300可以设为PLC***，前述WinCC***与该PLC***之间可以通过TCP/IP通讯接口实现联系。
具体地，PLC***可以通过Profibus DP网络将目标转速传送至上游设备的驱动执行模块400。
需要指出的是，由于对中时的客观因素等，上游设备和下游设备之间无位置偏差，其含义除了包括完全无偏差外，还允许有一定的误差，如，可以允许±5％的误差等。
实践中，可能会出现需要对中时，下游设备仍处于移动状态，此时，若依照上述方式实现上游设备和下游设备的对中，必然会出现偏差，若是重新设计上游设备至下游设备的运行路径，则需要根据下游设备的具体移动情况来定，如此会使得实际控制计算非常繁复。
为解决此类问题，进一步地，在实施前述对中步骤前，判断下游设备处于移动状态时，驱动上游设备使其与下游设备同速度同方向运行，至下游设备停止后，再根据设定的目标路径进行对中。
相应地，所述对中***还包括下游设备状态判断模块，当其判断下游设备处于移动状态，则输出控制信号至上游设备的驱动执行模块400，使其驱动上游设备与下游设备同速度、同方向运行，至下游设备停止后，再根据目标转速对上游设备电机的实际转速进行闭环控制。
如上，本发明提供的露天矿开采设备的对中方法和***，根据上游设备和下游设备的实时位置，规划了上游设备的对中路径及对中速度，并实时进行调整，实现了上游设备和下游设备的自动对中，较之现有技术中人为对中操作，大大缩短了露天矿开采过程中相关设备的对中时间，从而提高了露天矿的剥采效率。
以上对本发明所提供的一种露天矿开采设备的对中方法和***均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.露天矿开采设备的对中方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取待对中的上游设备、下游设备的实时位置；
根据所述上游设备、所述下游设备的实时位置设定所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径，并依据该目标路径计算所述上游设备电机的目标转速；
根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制，直至所述上游设备和所述下游设备无位置偏差；
其中，所述上游设备和所述下游设备按照物料的走向定义。
2.根据权利要求1所述的对中方法，其特征在于，通过RTK-GPS位置测量***获取所述上游设备、所述下游设备的实时位置的空间大地坐标。
3.根据权利要求2所述的对中方法，其特征在于，将所述上游设备、所述下游设备实时位置的空间大地坐标转换为平面直角坐标；
所述目标路径设定为经过所述上游设备平面直角坐标点和所述下游设备平面直角坐标点的圆弧；设置所述上游设备对中初始的瞬时速度方向为该圆弧的切线方向，并据此计算所述上游设备的理论转向半径；
设置所述上游设备运行至所述下游设备的目标平均车速，并结合所述圆弧确定所述上游设备的目标角速度；
根据目标转向半径、所述目标平均车速和所述目标角速度计算所述上游设备电机的目标转速，其中，所述目标转向半径为所述理论转向半径。
4.根据权利要求3所述的对中方法，其特征在于，当所述理论转向半径小于所述上游设备的最小转向半径时，选取所述最小转向半径作为所述目标转向半径。
5.根据权利要求1至4任一项所述的对中方法，其特征在于，对中前，若所述下游设备处于移动状态，则驱动所述上游设备与所述下游设备同速度同方向运行，至所述下游设备停止后，再根据所述目标路径进行对中。
6.露天矿开采设备的对中***，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于监测待对中的上游设备、下游设备的实时位置；
数据分析模块，根据所述上游设备、所述下游设备的实时位置设定所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径，并根据该目标路径计算所述上游设备电机的目标转速；
数据传输模块，用于将所述上游设备电机的目标转速传送至所述上游设备的驱动执行模块；
所述驱动执行模块根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制，直至所述上游设备与所述下游设备的实时位置无偏差；
其中，所述上游设备和所述下游设备按照物料的走向定义。
7.根据权利要求6所述的对中***，其特征在于，所述数据采集模块为RTK-GPS位置测量***。
8.根据权利要求7所述的对中***，其特征在于，所述数据分析模块包括：
坐标转换子模块，用于将所述RTK-GPS位置测量***获取的所述上游设备、所述下游设备实时位置的空间大地坐标转换为平面直角坐标；
路径设置子模块，用于将所述上游设备运行至所述下游设备的目标路径设置为经过所述上游设备平面直角坐标点和所述下游设备平面直角坐标点的圆弧，并设置所述上游设备对中初始的瞬时速度方向为所述圆弧的切线方向；
速度计算子模块，计算所述上游设备的理论转向半径；设置所述上游设备运行至所述下游设备的目标平均车速，并结合所述圆弧确定所述上游设备的目标角速度；还根据目标转向半径、所述目标平均车速和所述目标角速度计算所述上游设备电机的目标转速，其中，所述目标转向半径为所述理论转向半径。
9.根据权利要求8所述的对中***，其特征在于，所述速度计算子模块还包括比较模块，其预设有所述上游设备的最小转向半径，当所述目标转向半径小于所述最小转向半径时，选取所述最小转向半径作为所述目标转向半径。
10.根据权利要求6-9任一项所述的对中***，其特征在于，所述对中***还包括下游设备状态判断模块，当其判断所述下游设备处于移动状态，输出控制信号至所述上游设备的驱动执行模块，使其驱动所述上游设备与所述下游设备同速度、同方向运行，至所述下游设备停止后，再根据所述目标转速对所述上游设备电机的实际转速进行闭环控制。
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