型號：SOLD-GNSS

第1章 系統簡(jiǎn)介
1.1 概述
隨著(zhù)水路運輸業(yè)的快速發(fā)展，現代港口規模和吞吐量不斷增長(cháng)，港口各種裝卸設備數量不斷增加，如何高效可靠使用這些裝卸設備是各港口單位關(guān)心的問(wèn)題。港口裝卸設備中主要的斗輪堆取料機又稱(chēng)懸臂式堆取料機，是散貨堆場(chǎng)作業(yè)的核心設備。它是堆取料合一的機械，即是一種挖取和堆存煤炭、礦石、砂石等松散物料的高效率機械。它不僅適用于電廠(chǎng)，而且在碼頭、港口也很適用，大多數的轉運煤及松散物料的碼頭、港口都采用斗輪堆取料機。斗輪堆取料機的采用，大大縮短了堆取時(shí)間，提高了工作效率，減輕了工人勞動(dòng)強度。
為提高裝卸均化作業(yè)的效率和安全問(wèn)題，應保證堆取料機具備尋堆認址、定位, 自動(dòng)確定各層料堆起點(diǎn)、終點(diǎn)及位置跟蹤、終點(diǎn)記憶、料流對中心、電纜保護、整機自動(dòng)堆取料，從而實(shí)現流暢和高效的堆取料自動(dòng)作業(yè)。同時(shí)中控室能夠對作業(yè)過(guò)程進(jìn)行監視。所以有必要對堆取料機大機位置進(jìn)行連續跟蹤、懸臂三維位置實(shí)時(shí)檢測，解決堆取料作業(yè)過(guò)程中空間防碰撞的難題。
1.2 目前大機采用的定位方式
目前堆取料機位置檢測大多采用的是人眼定位、光電編碼器裝置（光碼盤(pán)）、激光位移傳感器、行走限位開(kāi)關(guān)、RFID方式。光電編碼器裝置，整套裝置安裝在驅動(dòng)電機前部的一個(gè)金屬殼體內，由盤(pán)狀齒輪與定位車(chē)齒條嚙合，通過(guò)驅動(dòng)軸驅動(dòng)編碼器。盤(pán)狀齒輪的圓周與定位車(chē)驅動(dòng)小齒輪的圓周相同。編碼器由傳動(dòng)齒輪自下而上通過(guò)減速機、聯(lián)軸節驅動(dòng)，實(shí)現定位車(chē)的位置檢測。這幾種檢測位置的方式均存在一定缺陷，具體表現如下：
1) 人眼定位受制于眼睛健康狀況和精神狀態(tài)，環(huán)境影響比較大，作業(yè)時(shí)間長(cháng)；
2) 光電編碼器裝置在車(chē)輪打滑就會(huì )形成累計誤差, 相對定位的機械接觸工作方式；
3) 激光位移傳感器在不潔凈環(huán)境會(huì )失去作用，軌道沉降導致車(chē)輛走行抖動(dòng)會(huì )使反光板靶位不準，亦會(huì )導致位置檢測不準；
4) 行走限位開(kāi)關(guān)由于是點(diǎn)定位，對連續性位置檢測存在盲區；
5) RFID方式是無(wú)線(xiàn)點(diǎn)定位，存在漏讀現象, 延時(shí)較大；
故這幾種傳感器在檢測位置時(shí)多數為機械式、靈敏度低、壽命短、故障率高、可靠性低，操作繁鎖，而且存在溜放環(huán)節(即失控區)，致使半自動(dòng)操作難以可靠穩定運行。由于堆取料機是較大的設備，其慣性較大，在啟動(dòng)和停止時(shí)也是硬性的，所以在工作過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很大的撞擊和震動(dòng)，噪音污染嚴重，嚴重影響其安全性和有關(guān)零部件的壽命，易于損壞設備，由此設備精確位置控制顯得尤為重要。
1.3 懸臂采用的檢測技術(shù)
通常的懸臂空間位置反饋都是采用行走、旋轉、俯仰三個(gè)旋轉編碼器的數值計算得出的，對懸臂的空間位置計算過(guò)程非常復雜，該計算過(guò)程需要結合行走、俯仰、旋轉三個(gè)編碼器的數值進(jìn)行空間建模，而這三個(gè)編碼器都有不同程度的誤差，這就造成累積誤差，故懸臂空間坐標的準確性不高�，F有的防碰撞方法是根據兩臺堆取料機是否處于同一個(gè)場(chǎng)垛進(jìn)行判斷，如果兩臺堆取料機不在同一個(gè)場(chǎng)垛就可以正常作業(yè)。兩臺堆取料機進(jìn)入一個(gè)場(chǎng)垛進(jìn)行作業(yè)時(shí)，就對兩臺堆取料機同時(shí)進(jìn)行鎖定，使其不能工作，由此避免堆取料機之間發(fā)生碰撞，這嚴重影響了堆取料機的同場(chǎng)作業(yè)。
由于以上原因，當前都采用人工監控的方法來(lái)避免空間碰撞事故�，F有的防碰撞方法無(wú)法有效避免堆取料機空間防碰撞問(wèn)題，使得兩臺堆取料機無(wú)法同時(shí)在同一個(gè)堆場(chǎng)中安全作業(yè)，嚴重影響效率。
1.4 本系統采用的GNSS定位技術(shù)
本系統采用在堆場(chǎng)合適位置建立基準站，在堆取料機的回轉中心和懸臂中部或者頭部中心點(diǎn)安裝GPS流動(dòng)站。通過(guò)GPS的位置信息和空間幾何算法，得出兩臺堆取料機之間的**小距離，從而可以判斷出堆取料機發(fā)生碰撞的可能性，使得作業(yè)人員進(jìn)行相應處理。本系統可以實(shí)時(shí)計算出堆取料機懸臂的相對位置和距離，實(shí)現多臺堆取料機在同一個(gè)場(chǎng)垛中安全作業(yè)。該系統包括：大機及懸臂位置反饋系統、空間數據算法系統、空間防碰撞預警控制系統。
第2章 GNSS定位系統
2.1 GNSS系統組成
GNSS是**衛星導航系統的總稱(chēng),包括GPS（美國）、GLONASS（俄羅斯）、伽利略（歐盟）、北斗（中國）總共四套導航系統。而目前在軌運行并能真正實(shí)現民用定位功能的只有GPS和GLONASS兩套定位系統。
主要特點(diǎn)：具有**覆蓋、全天候、高精度、實(shí)時(shí)導航定位等**點(diǎn)。

2.2 GNSS系統介紹
GNSS系統主要由三部分構成：空間衛星部分、地面監控部分、用戶(hù)GNSS接收機部分。
衛星部分主要是再軌運行的專(zhuān)門(mén)用于導航的衛星，目前GPS和GLONASS在軌運行的衛星總共有60多顆，每顆衛星均在不間斷地向地球播發(fā)調制在兩個(gè)頻段上的衛星信號。在地球?*魏我壞�，均块W�续第I�步观测诌|?顆GNSS衛星，從而保障了**、全天候的連續地三維定位，而且具有良好的抗干擾性和保密性。地面監控部分主要是控制衛星姿態(tài)、參數設置等得主控站和測控站，都是有政府部門(mén)控制的。第三部分就是我們用戶(hù)接收機部分，這部分就是我們通常所說(shuō)的GPS接收機。
2.3 GNSS定位原理
一般來(lái)說(shuō)，在平面上要確定某點(diǎn)的位置，需要兩個(gè)要素。而在空間上，要確定某點(diǎn)的位置，就需要三個(gè)要素。GNSS定位空間上的某一點(diǎn)，****我們可以得到GPS衛星的位置；其次，我們又能準確測定我們所在地點(diǎn)A至衛星之間的距離，那么A點(diǎn)一定是位于以衛星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測得點(diǎn)A至另一衛星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測與第三個(gè)衛星的距離，就可以確定A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。根據一些地理知識，可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。但是由于GPS的干擾因素較多，所以定位空間上的某一點(diǎn)，至少需要五顆以上的衛星。
2.4 差分技術(shù)的應用
單臺GNSS接收進(jìn)行定位因為受到很多干擾因素的影響，精度很低，一般只有三四米左右。所以為了提高定位精度，我們引進(jìn)了差分技術(shù)。差分GPS產(chǎn)品一般由基準站、流動(dòng)站和數據鏈三部分構成，在測量時(shí)兩臺或多臺GPS接收機同步觀(guān)測GPS衛星。由基準站發(fā)射衛星的改正信息，流動(dòng)站在收到GPS信號的同時(shí)接收到基準站的定位結果。
差分技術(shù)很早就被人們所應用。它實(shí)際上是在一個(gè)測站對兩個(gè)目標的觀(guān)測量、兩個(gè)測站對一個(gè)目標的觀(guān)測量或一個(gè)測站對一個(gè)目標的兩次觀(guān)測量之間進(jìn)行求差。其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數。安裝和防護，不影響作業(yè)環(huán)境。
隨著(zhù)GPS技術(shù)的發(fā)展和完善，應用**域的進(jìn)一步開(kāi)拓，人們越來(lái)越重視利用差分GPS技術(shù)來(lái)改善定位性能。它使用一臺GPS基準接收機和一臺用戶(hù)接收機，利用實(shí)時(shí)或事后處理技術(shù)，就可以使用戶(hù)測量時(shí)消去公共的誤差源。這樣就可以大幅提高測量精度，可以達到厘米級精度。
第3章 系統架構建立
本系統主要由大機及懸臂位置反饋系統、空間數據算法系統、空間防碰撞預警控制系統等構成。
3.1 基準站系統
基準站系統給各臺堆取料機提供差分數據，是整個(gè)系統的控制部分。其工作原理是基準站接收機將自己獲取的高精度定位數據，通過(guò)光纖模式、電臺、GPRS或WIFI方式將差分數據發(fā)送到堆取料機的接收機上；接收機通過(guò)將自身的定位數據和基準站的差分數據進(jìn)行差分解算，**后得到厘米級定位數據。
差分示意圖
基準站差分系統主要包括基準站GNSS接收機和差分數據電臺�；鶞收咀鳛檎麄�(gè)系統的基準必須建立在一個(gè)干擾少，基礎穩定的位置，以便保證整個(gè)系統的定位精度以及全天候使用。一般來(lái)說(shuō)基準站系統建立空曠的房屋樓**上，單**建立立柱必須做好防雷措施。
基準站觀(guān)測墩
3.2 流動(dòng)站系統
在每臺堆取料機上安裝兩臺流動(dòng)站，流動(dòng)站接收機天線(xiàn)分別安放在大機回轉中心和懸臂中部或者頭部中心點(diǎn)處。兩臺流動(dòng)站實(shí)時(shí)檢測空間的三維坐標信息，并計算出每臺堆取料機的位置、俯仰、角度信息等，并通過(guò)數據鏈路傳輸給中控室的PLC主機，這樣根據“兩點(diǎn)確定一條直線(xiàn)”原理，中控PLC就可以實(shí)時(shí)的知道堆取料機的大機回轉中心和堆取料機的懸臂頭部中心所在軸線(xiàn)的位置了。并對相鄰的堆取料機進(jìn)行兩兩比較，計算出他們之間的安全距離，臂架俯仰和旋轉的**大角度。一旦相鄰的堆取料機之間的距離小于安全距離或旋轉、俯仰角度超出安全角度時(shí)，軟件將自動(dòng)向操作人員發(fā)出報警信息以及停機信號，防止意外事故的發(fā)生。
通過(guò)RTK方式來(lái)檢測懸臂位置信息可以精確到厘米級，并且不受自身行車(chē)輪打滑和其它編碼器累積誤差的影響，比現有的防碰撞方法更加準確高效�？朔�了現有技術(shù)中由于懸臂空間位置反饋都是采用行走、旋轉、俯仰三個(gè)編碼器的數值計算，而造成的誤差累積問(wèn)題。
3.3 系統監控軟件
系統監控軟件的主要作用是負責人機交互，用**直觀(guān)的方式將整個(gè)料場(chǎng)所有設備的運行狀態(tài)顯示在上位機屏幕上，操作人員和中控室的管理人員能夠實(shí)時(shí)的對料場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)行監控和管理，預防生產(chǎn)事故發(fā)生，提高作業(yè)效率和堆取精準度。
3.3.1 監控軟件的分布位置
(一) 安裝在中控室：安裝在中控室的軟件，主要負責顯示整個(gè)料場(chǎng)所有設備的運行狀態(tài)，用仿真的形式，顯示在上位機屏幕上。包括每臺大機的行走位置，回轉中心旋轉角度，懸臂垂直俯仰角度，堆料（取料）的狀態(tài)，皮帶運行狀態(tài)。根據每臺堆取料機的狀態(tài)參數，計算出相鄰取料機懸臂之間的**短距離，并根據操作人員在軟件中設置的報警距離（比如10米），進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，一旦相鄰取料機的懸臂距離小于報警值，軟件就開(kāi)始用聲光報警方式發(fā)出報警，操作人員得知后，進(jìn)行相應的處理。
(二) 安裝在大機操作室：安裝在大機操作室的軟件，主要負責顯示和自身相鄰的1個(gè)（或2個(gè)）堆取料機的工作狀態(tài)，包括行走位置，回轉中心旋轉角度，懸臂垂直俯仰角度，堆料（取料）的狀態(tài)，皮帶運行狀態(tài)。根據每臺取料機的狀態(tài)參數，計算出相鄰取料機懸臂之間的**短距離，并根據操作人員在軟件中設置的報警距離（比如10米），進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，一旦相鄰取料機的懸臂距離小于報警值，軟件就開(kāi)始用聲光報警方式發(fā)出報警，操作人員得知后，進(jìn)行相應的處理。和安裝在中控室的軟件不同，它不必顯示整個(gè)料場(chǎng)所有堆取料機的狀態(tài)，只顯示出和自身相鄰的1個(gè)（或2個(gè)）堆取料機即可。
3.3.2 監控軟件的主要功能
(一) 用仿真模擬的方式將整個(gè)料場(chǎng)所有設備的工作狀態(tài)全部顯示。包括每臺堆取料機的行走位置，回轉中心旋轉角度，懸臂垂直俯仰角度，堆料（取料）的狀態(tài)，皮帶運行狀態(tài)。
(二) 將整個(gè)料場(chǎng)用刻度標尺進(jìn)行標注�？潭葮顺咧С秩我獯笮。◤�1米到2000米）。操作人員可以通過(guò)在軟件中設置相應的參數來(lái)自由定義。
(三) 在功能二的基礎上，管理人員可以在料場(chǎng)的任意位置，以任意大小的面積來(lái)標注堆料狀況，可以標注出堆料種類(lèi)，堆料重量，堆料面積，并且可以根據需要和個(gè)人習慣，標注備注內容，設置料堆為任意顏色，方便自身的統計和監控。
(四) 可以對堆取料機之間的碰撞報警進(jìn)行設置。報警分為3個(gè)檔，分別為：預警，報警，急停。每個(gè)檔都可以設置一個(gè)具體的報警距離（例如20米）和一個(gè)報警顏色。
(五) 對報警的內容進(jìn)行存儲記錄，所有的報警記錄都將被保存，權限較高的用戶(hù)可以查閱這些記錄。記錄中包含了日期，報警內容，報警時(shí)間等相關(guān)的重要信息。方便生產(chǎn)檢查追溯。
(六) 多協(xié)議通訊的能力，軟件具備多種設備的通訊協(xié)議，可以和PLC、OPC、串口、以太網(wǎng)等進(jìn)行通訊，方便用戶(hù)將本系統和其他系統進(jìn)行溝通整合。
(七) 擴展功能。本軟件不但可以監測料場(chǎng)內所有堆取料機的空間位置信息，還可以監測任何安裝了本公司流動(dòng)站系統的設備，包括各種運輸車(chē)，鏟車(chē)等。通過(guò)加裝流動(dòng)站系統，就可以方便的拓展軟件功能，從而達到監測料場(chǎng)內所有移動(dòng)目標的效果。


第4章 系統實(shí)現功能效果
使用本系統后，進(jìn)行數據采集和空間幾何算法，再將計算結果傳給PLC，進(jìn)行大機精確位置檢測和防碰撞控制的計算與報警，還可以檢測懸臂旋轉角度及俯仰角度，效果顯著(zhù)。不但解決了其它位移傳感器檢測大機位置不準確的問(wèn)題，而且節省了檢測懸臂旋轉角度及俯仰角度的傳感器，消除了數據檢測中間轉換的誤差，提高了數據精準度。同時(shí)，計算過(guò)程簡(jiǎn)單、直觀(guān)，可實(shí)現多臺堆取料機同場(chǎng)同時(shí)作業(yè)，實(shí)時(shí)檢測各個(gè)懸臂之間的**小距離，防止發(fā)生碰撞，提高了安全性和作業(yè)效率，可用于多種類(lèi)型的堆取料機，提高同場(chǎng)作業(yè)效率達到80％左右，可以實(shí)現無(wú)人操作。
* 堆取料機走行位置、裝卸位置精確檢測；
* 可實(shí)現堆取料機自動(dòng)走行，自動(dòng)堆取料；
* 實(shí)現位置聯(lián)鎖，可以防止兩端掉道或碰撞事故；
* 與堆取料機小皮帶聯(lián)鎖控制，防止混料、錯料、堵料事故；
* 可進(jìn)行鱗狀堆積預混勻作業(yè)，以提高原料成分的均勻度、減少粒度偏析；
* 實(shí)現堆取料機遠程監控功能；
* 結合皮帶秤數據對堆場(chǎng)堆存量數字化管理；
* 嚴格控制堆料形狀和取料規律，可以大大提高料場(chǎng)的存儲容量，提高料場(chǎng)的利用率;
* 變起點(diǎn)定終點(diǎn)工藝可將料堆截面堆成長(cháng)方形，減少端部料的產(chǎn)生和浪費，也同時(shí)減少鏟車(chē)進(jìn)場(chǎng)的作業(yè)量。


第5章 聯(lián)系方式
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