林錫奎，白玉峰，江 永，褚孝國，孫新佳，孫曉剛，劉先春

基于LiDAR技術(shù)的圓形堆取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

林錫奎1，白玉峰1，江 永1，褚孝國2，孫新佳2，孫曉剛2，劉先春2

（1.華能國際電力股份有限公司海門電廠，廣東 汕頭 515100；2.北京華能新銳控制技術(shù)有限公司，北京 102209）

針對煤場自動(dòng)堆取實(shí)時(shí)性差、精度差、盤煤效率低等現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一套多功能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取倉庫內(nèi)燃料三維分布點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)所獲取到的全場離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Delaunay算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建，計(jì)算倉庫內(nèi)燃料的存儲量；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場煤料分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析和計(jì)算堆料、取料控制策略，控制圓形堆取料機(jī)自動(dòng)執(zhí)行操作。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，能夠滿足料場對燃料管理的需求，達(dá)到降本增效的目的。

激光掃描；LiDAR；三維重建；智能電廠；智能化；煤場；無人值守

目前，燃煤電廠燃料的堆取主要由斗輪機(jī)和圓形堆取料機(jī)進(jìn)行堆取管理和操作[1]。大多數(shù)設(shè)備的控制方式主要分為純手動(dòng)操作和半自動(dòng)操作：在純手動(dòng)操作下，大機(jī)（斗輪機(jī)和堆取料機(jī)）上的所有機(jī)構(gòu)都通過手工啟停來完成操作，包括大機(jī)行走、懸臂的俯仰及回旋等[2-3]，純手動(dòng)操作對操作人員的要求很高，需要有很豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)備和現(xiàn)場環(huán)境有很好的了解，同時(shí)監(jiān)測大機(jī)的各種數(shù)據(jù)，隨時(shí)調(diào)整相應(yīng)的操作；在半自動(dòng)操作模式下，也需要操作人員手動(dòng)輸入堆取料的回轉(zhuǎn)邊界角度，每次執(zhí)行完需重新輸入回轉(zhuǎn)邊界角度，數(shù)據(jù)完全由現(xiàn)場操作人員根據(jù)所觀察到的情況和經(jīng)驗(yàn)來判斷，誤差較大。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了很多新的控制方案[4-5]。為了解決現(xiàn)場操作環(huán)境惡劣問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可在集控室對現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)堆取料。

隨著激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，激光掃描儀在民用市場領(lǐng)域有了很多應(yīng)用，比如利用激光掃描儀實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的燃料進(jìn)行盤煤管理[6-7]，統(tǒng)計(jì)燃料體積。此外，激光掃描儀在防碰撞方面也有很多應(yīng)用。陳里[8]介紹了激光掃描儀在機(jī)械手臂防碰撞自動(dòng)控制中的應(yīng)用；王洪峰[9]闡述了城市道路汽車防碰撞系統(tǒng)障礙物識別算法及應(yīng)用研究。激光掃描儀由于其高精度的數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場地形情況，控制系統(tǒng)可以根據(jù)高精度數(shù)據(jù)，通過分析、計(jì)算、決策下一步控制動(dòng)作。

本文基于激光雷達(dá)探測技術(shù)，提出一套多功能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可智能控制圓形堆取料機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堆料、自動(dòng)取料、自動(dòng)整形等操作，最終實(shí)現(xiàn)無人值守，達(dá)到降本增效的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高對料場內(nèi)燃料的堆料、取料、盤存等管理，本文所設(shè)計(jì)的圓形堆取料機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描燃料堆場、自動(dòng)堆料、自動(dòng)取料、自動(dòng)整形以及遠(yuǎn)程手動(dòng)控制等功能。該系統(tǒng)主要包括各類數(shù)據(jù)的檢測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、綜合信息處理系統(tǒng)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋轉(zhuǎn)編碼器、傾角儀、超聲波料位計(jì)等現(xiàn)場監(jiān)測裝置的信號全部接入PLC控制系統(tǒng)中，激光掃描儀和現(xiàn)場視頻監(jiān)控?cái)z像頭全部通過以太網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)上交換機(jī)，機(jī)上交換機(jī)和集控室交換機(jī)通過光纖連接，實(shí)現(xiàn)集控室與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)鏈路聯(lián)通，操作站的三維仿真監(jiān)控平臺和綜合信息處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的訪問和控制。

2 激光掃描系統(tǒng)

激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，這些點(diǎn)被稱為點(diǎn)云。通過高度激光掃描測量的方法，可大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為建立物體的三維實(shí)體模型提供了一種全新的技術(shù)手段。激光雷達(dá)距離測量比較準(zhǔn)確，誤差模型簡單，在除強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中均能穩(wěn)定運(yùn)行，點(diǎn)云的處理也比較容易[10-11]。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

為了獲取到煤倉內(nèi)燃料堆存情況，可通過激光掃描系統(tǒng)對煤倉內(nèi)堆存的燃料進(jìn)行掃描。本文主要針對電廠內(nèi)圓形堆取料場，設(shè)計(jì)和開發(fā)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。圓形燃料倉庫常見于電廠內(nèi)，不同于露天煤場，這種封閉圓形煤場不僅解決了露天煤場存在的問題，而且?guī)砹孙@著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。圓形堆取料場如圖2所示。

圖2 圓形堆取料場

物料由堆取料機(jī)頂部進(jìn)料，通過旋轉(zhuǎn)堆料機(jī)向煤場堆煤，由刮板取料機(jī)旋轉(zhuǎn)取料到煤場中心地下煤斗，并通過煤斗下的給煤機(jī)和輸煤皮帶機(jī)從底部出料。煤場內(nèi)堆取料作業(yè)的運(yùn)行原則為“先進(jìn)先出”，這可以有效控制煤場的煤堆存放時(shí)間。取料機(jī)沿煤堆面俯仰、回轉(zhuǎn)取煤，能將煤場內(nèi)的煤基本取凈，無死角余煤。煤場內(nèi)中心柱下的固定煤斗供正常出煤時(shí)用，在煤場內(nèi)另設(shè)1臺緊急煤斗，在取料機(jī)故障或維護(hù)期間，由推煤機(jī)作業(yè)，繼續(xù)向系統(tǒng)供煤。

圖3為本文設(shè)計(jì)的激光掃描系統(tǒng)激光掃描儀安裝示意。1臺高精度的激光掃描儀安裝在圓形堆取料機(jī)的堆料臂上，垂直向下掃描切面；在刮板中間位置處的兩側(cè)分別安裝2臺激光掃描儀，對刮板兩側(cè)旋轉(zhuǎn)過的區(qū)域進(jìn)行掃描，獲取現(xiàn)場燃料分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再通過服務(wù)器端的數(shù)據(jù)采集程序?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理寫入數(shù)據(jù)庫中。通過激光掃描系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確獲知倉內(nèi)燃料分布情況，為PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行操作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 激光掃描儀安裝示意

3 綜合信息處理系統(tǒng)

綜合信息處理系統(tǒng)主要任務(wù)是與PLC控制系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，對相關(guān)的檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，通過邏輯判斷執(zhí)行不同的任務(wù)。

1）激光掃描功能 綜合信息處理系統(tǒng)檢測圓形堆取料機(jī)堆料臂和取料臂的水平旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)堆料臂或取料臂進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，啟動(dòng)激光掃描程序?qū)πD(zhuǎn)過的堆場進(jìn)行激光掃描，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中。

2）防碰撞功能 在管板的兩側(cè)分別安裝2臺激光掃描儀，掃描方向與刮板平行。當(dāng)刮板水平旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光掃描儀對兩側(cè)進(jìn)行掃描，獲取兩側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算兩側(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和刮板旋轉(zhuǎn)中心的連線與水平面的夾角。如果夾角大于刮板此時(shí)的俯仰角度，那么就存在刮板水平旋轉(zhuǎn)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，立即報(bào)警，并控制刮板停止旋轉(zhuǎn)。

3）自動(dòng)堆料功能 當(dāng)上位機(jī)下發(fā)自動(dòng)堆料操作時(shí)，綜合信息處理系統(tǒng)自動(dòng)控制堆料臂旋轉(zhuǎn)到堆料起始區(qū)域開始堆料，系統(tǒng)檢測到堆料位置已達(dá)到堆料上限時(shí)，自動(dòng)控制堆料臂向堆料終止位置旋轉(zhuǎn)一定角度繼續(xù)堆料，反復(fù)執(zhí)行此操作直到堆料終止。

4）自動(dòng)取料功能 當(dāng)上位機(jī)下發(fā)自動(dòng)取料操作時(shí)，綜合信息處理系統(tǒng)接收到下發(fā)的指令數(shù)據(jù)，并開始計(jì)算包括每層取料的起始角度和終止角度的取料策略（表1），將取料任務(wù)下發(fā)到PLC控制系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)測每層取料的執(zhí)行情況。圖4為分層取料模擬，其中，深色為取料區(qū)域，淺色為待取料區(qū)域。由圖4可見，隨著刮板俯仰角度下降，取料回轉(zhuǎn)角度越來越大。

表1 取料策略

Tab.1 The reclaiming strategy (°)

5）自動(dòng)整形功能 為了提高取煤系統(tǒng)的上料效率，綜合信息處理系統(tǒng)包含自動(dòng)整形計(jì)算功能，主要是為了將堆存好的煤堆進(jìn)行整形，填補(bǔ)取料路徑中的空缺區(qū)域，減少取料時(shí)間，提升取煤系統(tǒng)的取料效率，降低成本。

6）三維重建系統(tǒng) 三維重建系統(tǒng)主要任務(wù)為基于激光掃描系統(tǒng)獲得現(xiàn)場燃料分布的離散點(diǎn)云圖（圖5），通過Delaunay算法計(jì)算三角網(wǎng)格，生成三維模型（圖6），同時(shí)可以計(jì)算料場內(nèi)堆存燃料的體積，并將其展示在上位機(jī)三維顯示軟件里。料場的三維模型能夠直觀展示燃料現(xiàn)場的分布情況，以便用戶決定下一步堆取料操作。

圖5 離散點(diǎn)云圖

圖6 三維模型

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要任務(wù)是監(jiān)測現(xiàn)場各種監(jiān)測設(shè)備的信號，包括獲得料位計(jì)信號，接受上位機(jī)下發(fā)的指令，并控制現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行自動(dòng)堆取料任務(wù)[12-13]。當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)堆料任務(wù)時(shí)，PLC控制堆料臂旋轉(zhuǎn)到起始堆料位置并開始堆料。當(dāng)堆料臂前端檢測到此處已經(jīng)達(dá)到堆料上限時(shí)，PLC自動(dòng)控制堆料臂旋轉(zhuǎn)一定角度繼續(xù)執(zhí)行堆料操作；當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)取料任務(wù)時(shí)，PLC控制系統(tǒng)首先控制取料臂抬升最大俯仰角度，水平旋轉(zhuǎn)到起始取料角度，向下俯仰至第1層取料俯仰角度處，開始進(jìn)行刮料操作，同時(shí)向第1層取料終止角度方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料操作。

同時(shí)，PLC控制系統(tǒng)也提供遠(yuǎn)程手動(dòng)控制功能，操作員可在集控室通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對圓形堆取料機(jī)手動(dòng)控制。

PLC控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集設(shè)備上所有的傳感器數(shù)據(jù)，并監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化?？刂瞥绦蛐枳龊冒踩雷o(hù)，一旦某些監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化超出范圍，PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，保證設(shè)備安全和生產(chǎn)安全。

5 三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)

三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)主要為用戶提供友好的、高效的三維仿真監(jiān)控交互平臺。監(jiān)控平臺實(shí)時(shí)采集PLC控制系統(tǒng)中監(jiān)測的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并在前端通過圖形、動(dòng)畫、曲線、三維模擬等方式形象地向用戶展示現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)變化情況（圖7）。

圖7 監(jiān)控軟件畫面

用戶可通過指令窗口向綜合信息處理系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)交互。圖8為堆取料任務(wù)畫面。用戶可通過畫面監(jiān)測某些數(shù)據(jù)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況（圖9），通過數(shù)據(jù)曲線變換分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并不斷優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖8 堆取料任務(wù)畫面

圖9 數(shù)據(jù)監(jiān)測曲線畫面

6 結(jié) 語

本文基于LiDAR技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)施一套圓形堆取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)，通過LiDAR掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤場的自動(dòng)堆料、自動(dòng)取料、自動(dòng)整形、自動(dòng)盤煤等功能，滿足了電廠燃料管理人員對燃煤高效的管理需求。同時(shí)在上位機(jī)交互界面上，為用戶提供全過程的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場景，更真實(shí)地模擬現(xiàn)場環(huán)境，反映各種監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況。

本文所設(shè)計(jì)的智能化控制系統(tǒng)目前在華能國際電力股份有限公司海門電廠進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試，相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)已取得突破，并實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果。

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Development and application of intelligent control system in stacker-reclaimer with circular coal storage based on LiDAR technology

LIN Xikui1, BAI Yufeng1, JIANG Yong1, CHU Xiaoguo2, SUN Xinjia2, SUN Xiaogang2, LIU Xianchun2

(1. Haimen Power Plant, Huaneng Power International Inc., Shantou 515100, China; 2. Beijing Huaneng Xinrui Control Technology Co., Ltd., Beijing 102209, China)

To solve the problems occur in coal yard management, such as bad real time capabilities, low precision, and low efficient management of coal-yard volume, a novel multifunctional control system is designed in this paper. Based on the LiDAR technology, this system can scan the coal in the yard automatically to obtain field point cloud data and reconstruct three dimensional model through Delaunay algorithm according to the field point cloud data. Then, it calculates the coal volume automatically. Meanwhile, according to all the point-cloud data, it determines the strategy of stocking and reclaiming, and can control the machine to work following the orders. The proposed system can meet the demand of fuel management in coal yard and achieve the purpose of reducing cost and increasing efficiency.

laser scan, LiDAR, 3D restructure, smart power plant, intelligentialization, coal yard, unattended control

TP273

B

10.19666/j.rlfd.201906109

2019-06-05

林錫奎(1969—)，男，高級工程師，主要研究方向電氣控制及燃料管理，45700527@qq.com。

林錫奎, 白玉峰, 江永, 等. 基于LiDAR技術(shù)的圓形堆取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(9): 129-133. LIN Xikui, BAI Yufeng, JIANG Yong, et al. Development and application of intelligent control system in stacker-reclaimer with circular coal storage based on LiDAR technology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 129-133.

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）