王曉斌

華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電分公司 鎮(zhèn)江 212413

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速增長和科學技術(shù)的不斷進步，各行業(yè)對操作人員作業(yè)環(huán)境和環(huán)境保護的要求更高，同時企業(yè)之間競爭也要求企業(yè)提高信息化、自動化水平，以減少勞動力降低成本，提高作業(yè)效率。在這種需求背景下，對工作環(huán)境惡劣，存在危害人身健康甚至生命安全的設(shè)備，采用信息化、無人值守作業(yè)的要求日益突出。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)備的檢測方法更加多樣、精度更高，使生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化、設(shè)備的自動化無人值守成為可能。

物料輸送行業(yè)近年來對堆場的信息化、無人化有迫切的需求，近期的新上堆場項目都對堆場設(shè)備的智能化、數(shù)字化提出更高要求，已建成的港口、電廠等也對堆場系統(tǒng)設(shè)備有強烈的改造升級要求，基于堆取料機無人值守的數(shù)字化煤場系統(tǒng)具有很大的推廣基礎(chǔ)和市場前景。

1 目標用途

本文所述項目可有效提升斗輪堆取料機（以下簡稱堆取料機）的運行可靠性、作業(yè)效率和改善人員作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)燃料的精確堆取?？茖W地調(diào)度煤場，降低燃料的熱值損耗，從而降低燃料的使用成本，具體用途為

1）可對三維煤場動態(tài)測控系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)煤垛統(tǒng)一管控，通過先入先出的管理調(diào)度模式，減少燃煤的熱值損耗。同時實現(xiàn)了煤場的實時盤煤功能，方便相關(guān)人員實時了解煤場內(nèi)的燃煤信息，提高用戶的堆場自動化程度和信息化水平，實現(xiàn)設(shè)備的集中管理，從而提高經(jīng)濟效益和社會效益。

2）采用多種控制手段對堆取料機進行智能化控制，實現(xiàn)堆取機操作的遠程化和無人化，使得堆取料機運行穩(wěn)定，流量平穩(wěn)，降低堆取料機故障率，從而提高堆取料機的作業(yè)效率。

3）堆場的智能無人化可以為用戶減少操作人員數(shù)量，降低堆取料機的操作難度，減輕人員工作強度，改善操作人員工作環(huán)境，有效保護人員的人身健康和安全。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)原理

2.1 主要子系統(tǒng)選用與介紹

1）大車行走精準定位 采用編碼器定位和RFID 校準。RFID 的標簽進入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，靠感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無源標簽或被動標簽Passive Tag），或是由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽Active Tag）。閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。RFID 位置校準裝置包含1 個RFID 讀頭和多個RFID 載碼體，其中RFID 讀頭安裝于靠近行走編碼器的車輪處，RFID 載碼體沿軌道每10 m 安裝1 個，且配備專用的安裝底座及安裝支架。RFID 讀頭與機上PLC 間采用Modbus-Tcp 進行數(shù)據(jù)交互。RFID 系統(tǒng)采用工業(yè)級高頻讀卡器（13.56 MHz 非微波射頻），讀卡距離為0 ～100 mm，支持多種工業(yè)協(xié)議與機上PLC 進行數(shù)據(jù)交互。

2）采用以流程算法預(yù)防為主、傳感器檢測為輔的技術(shù)手段，構(gòu)建完整的大機設(shè)備防碰撞系統(tǒng) 結(jié)合三維點云數(shù)據(jù)，設(shè)置防撞算法，流程控制上避免設(shè)備與煤堆碰撞，確保不經(jīng)常性因為防撞引起報警或故障，造成全自動作業(yè)流程的暫停或中斷。利用激光雷達防撞傳感器，配置其預(yù)警區(qū)或報警區(qū)，當障礙物出現(xiàn)在其預(yù)警區(qū)與報警區(qū)時，即給PLC 提供信號。利用機械防撞裝置及其傳感器，作為該防撞系統(tǒng)的最后一級防護，該防撞系統(tǒng)能夠有效地保障運行安全。

3）堆型掃描系統(tǒng)與堆取料機PLC 之間通過用于過程控制的OLE（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）方式進行穩(wěn)定的通訊。OPC 接口適用于通過網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為數(shù)據(jù)的使用者(OPC 應(yīng)用程序)的HMI(硬件監(jiān)督接口)/SCADA(監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集)、批處理等自動化程序，以至更上層的歷史數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用程序，也適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接。OPC 為基于Windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁，從而使項目目標得以實現(xiàn)。

4）采用激光掃描儀對煤垛進行掃描 此掃描儀實際屬于激光測距儀，其一般采用脈沖法和相位法2 種方式來測量距離。測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀記錄激光往返的時間。光速和往返時間的乘積的一半為測距儀和被測量物體之間的距離。激光掃描儀掃描如圖1 所示。

圖1 激光掃描儀掃描圖

通過對堆取料機、網(wǎng)架、軌道和地面基礎(chǔ)進行精準建模，并賦予堆取料機模型三姿參數(shù)實時聯(lián)動功能，從而實現(xiàn)堆場的全景三維仿真，堆場三維仿真如圖2 所示。

圖2 堆場三維仿真圖

5）采用對懸臂回轉(zhuǎn)速度進行PID 控制（控制目標為目標流量對應(yīng)的目標電流，反饋值為斗輪電流，控制對象為回轉(zhuǎn)速度）的方法實現(xiàn)料流穩(wěn)定。PID 控制器是最早出現(xiàn)的控制器類型，其結(jié)構(gòu)簡單，各個控制器參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

如圖3 所示，數(shù)字煤場系統(tǒng)由煤場管理及調(diào)度和無人值守2 部分組成，其中煤場管理及調(diào)度由盤煤儀+管理系統(tǒng)實現(xiàn)，應(yīng)用成熟不再展開描述。無人值守主要由檢測、算法、控制和保護子系統(tǒng)組成，其中算法和控制屬于核心技術(shù)，如何依靠PID 控制實恒流取料是其難點。分析斗輪電流和取料流量關(guān)系將斗輪電流作為給定值，后級皮帶秤的瞬時流量作為輸出值，算出偏差后轉(zhuǎn)化成電流信號作為反饋值，進一步改變輸出值，即取料瞬時流量。

圖3 數(shù)字煤場系統(tǒng)圖

為了實現(xiàn)恒流并穩(wěn)定、快速和準確地響應(yīng)調(diào)節(jié)指令，根據(jù)計算公式及現(xiàn)場實踐反復(fù)實驗，選定比例系數(shù)0.3、積分系數(shù)1 s 和微分系數(shù)1 s。回轉(zhuǎn)過程始末端采用補償手段，從而實現(xiàn)全取料過程的恒流控制。

1）信息交互技術(shù)

如圖4 所示，機上激光掃描儀、機上PLC、機上RFID、程控PLC 和上位服務(wù)器間均采用以太網(wǎng)進行信號傳輸。其中機上激光掃描儀用激光雷達LD-LRS3611測量煤垛單個截面；機上PLC 通過編碼器、傾角傳感器等測量堆取料機當前的回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度和行走位置3 姿數(shù)據(jù)，并通過ProFinet 協(xié)議與RFID 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，從而校驗3 姿數(shù)據(jù)的準確性。上位服務(wù)器負責將煤垛測量系統(tǒng)掃描回的數(shù)據(jù)與機上PLC 測量回的3姿數(shù)據(jù)結(jié)合起來，加以快速有效的算法，實時準確更新上位服務(wù)器顯示的煤垛形狀。

圖4 信息交換網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定增強及異常處理方案

鑒于堆取料機與程控室之間有較長的光電纜路由，為了確保整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定與流暢，其間采用單模光纖進行通訊，盡量減少光纖跳線，采用光纖直接對熔，并且采用光信號中繼進行信號加強。為防止由于帶寬問題，造成信號傳輸質(zhì)量不佳，在選用千兆光纖發(fā)送器、高速無線網(wǎng)絡(luò)的同時，將控制網(wǎng)絡(luò)與圖像點云網(wǎng)絡(luò)物理隔離開，分別傳輸。

3）堆場全景仿真技術(shù)

項目單個條形煤場對應(yīng)1 臺堆取料機，單個煤場長350 m，寬125 m，按照5 cm×5 cm 的精度采集一個點計算，堆場采集點的數(shù)據(jù)量近900 萬個。激光掃描儀單次掃面采集數(shù)據(jù)點將近2 000 個。如何在保證堆場數(shù)據(jù)準確性的同時又滿足本系統(tǒng)實時性要求是系統(tǒng)開發(fā)的一個技術(shù)難點。本項目通過OPC 對相關(guān)數(shù)據(jù)進行秒級采集，同時結(jié)合激光掃描儀的數(shù)據(jù)，對整個煤場及設(shè)備狀態(tài)進行秒級更新。三維掃描全景呈現(xiàn)如圖5 所示。

圖5 三維掃描全景呈現(xiàn)圖

4）精準定位技術(shù)

堆取料機三姿數(shù)據(jù)的準確性直接影響了堆取料機全自動的安全性與實用性。其中回轉(zhuǎn)角度由采用齒輪傳動安裝形式的編碼器測得；俯仰角度由采用開式齒輪傳動安裝形式的編碼器測得，測量數(shù)據(jù)誤差的可能性小。由于編碼器存在聯(lián)軸器松動、校正開關(guān)誤動作等不確定因素，為此在原有PLC 程序中增加機構(gòu)單位時間內(nèi)速度積分與單位時間內(nèi)位置變化量的比對程序，在編碼器故障或編碼器聯(lián)軸器松動時，能夠及時報警提醒，通知相關(guān)人員維護。優(yōu)化原有校準程序，實現(xiàn)小角度誤差自動校準、大角度誤差報警停機構(gòu)的校準機制，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行。同時為回轉(zhuǎn)、行走和俯仰機構(gòu)增加1 套相同的檢測裝置，進行冗余測量，2 組數(shù)據(jù)互相進行比對，以確保測量數(shù)據(jù)的有效性。

5）基于斗輪電流與帶式輸送機流量關(guān)系自學習算法

本項目提出了一種斗輪電流與帶式輸送機流量關(guān)系自學習的精準取料方法，實現(xiàn)了不同煤種、不同工況的精準取料，基本達到了小超調(diào)、流量穩(wěn)、誤差小和范圍廣的控制目標。在電壓恒定（非變頻）的情況下，取料瞬時流量與斗輪電動機電流正相關(guān)。在已知斗輪空載電流的情況下，先將堆取料機取料目標流量轉(zhuǎn)化為目標電流，再將取料目標電流與取料實際電流進行歸一化處理后，對懸臂回轉(zhuǎn)速度進行PID 控制（控制目標是目標流量對應(yīng)的目標電流，反饋值是斗輪電流，控制對象是回轉(zhuǎn)速度）。通過算法匹配的方式，將取料實時流量與取料實時電流進行配對，采用波動均方根的計算方法，對取料流量的波動性進行量化，并且通過波動標志判斷算法為后續(xù)計算提供準確及時的波動標志符。在波動較小的時候，采用去舊存新、數(shù)據(jù)加權(quán)的方式，對取料瞬時流量與斗輪電動機電流增量（電動機電流與電動機空載電流的差值）的比例系數(shù)進行更新，完成斗輪電流與帶式輸送機流量關(guān)系的自學習。實際反復(fù)測量后得出，該算法最大超調(diào)量為10%，快速穩(wěn)定時間為3 s，穩(wěn)定誤差隨著自學習的進行幾乎為零，流量波動值控制在±3%以內(nèi)。斗輪電流與帶式輸送機流量關(guān)系自學習算法方框圖如圖6 所示。

圖6 斗輪電流與帶式輸送機流量關(guān)系自學習算法方框圖

6）全自動取煤及自動換層方案

通過模型自學習的PID 控制算法，在單次回轉(zhuǎn)取料過程中能夠確保取料料流的恒定。但由于取料月牙面及物料自然斜坡的存在，會導致在外邊界處，即使回轉(zhuǎn)滿速運行，料流依然不夠設(shè)定值。為在這種工況下，仍能獲得足夠的流量，提高取料作業(yè)效率，本項目采用取料扇區(qū)回轉(zhuǎn)速度最大時間占比及其閾值，量化取料扇區(qū)外邊界取料流量小的程度，從而自動設(shè)置取料行走步進值。在步進值達到限定值且取料扇區(qū)回轉(zhuǎn)速度最大時間占比仍超其閾值時，采用兩刀并一刀的取料作業(yè)工藝，即在單次回轉(zhuǎn)外邊界，取料深度不足設(shè)定值一半時 ，即進行進刀（大車前進）操作，保留外邊界部分物料，以便下次回轉(zhuǎn)至外邊界時，物料長度能夠彌補物料深度的不足，保證料流恒定。

當取料至單層的較前位置時，尤其是當取到前一個工作面消失時，繼續(xù)往前取料時，取料深度逐漸下降，漸漸無法獲得足夠的取料量。于此工況下為確保安全、最大程度地保證效率，本項目采用兩層并一層的取料作業(yè)工藝，即在前方吃煤深度不足設(shè)定值一半時，自動進行換層操作，將當前層剩余物料留給下個取料作業(yè)面處理，既保證了當前位置的作業(yè)效率，也避免了取料層過高導致煤堆坍塌。

3 項目實施效果

項目實施后恒流量運行趨勢如圖7 所示，可以看出，目標流量設(shè)置1 000 t/h，實際流量基本穩(wěn)定在目標流量的±3%以內(nèi)?；剞D(zhuǎn)邊界的料流沖峰得到了優(yōu)化，消除了因流量峰值導致堵煤的問題，實現(xiàn)了料流穩(wěn)定目的，達到了預(yù)期效果。

圖7 恒流量運行趨勢圖

4 創(chuàng)新點

本項目對基于取料流量模型自學習的高效精準作業(yè)的斗輪堆取料機控制系統(tǒng)進行了研究：1）提出1 種基于斗輪電流與帶式輸送機流量關(guān)系自學習的精準取料方法。2）提出1 種基于煤場三維點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效取料的方法。經(jīng)過長時間的統(tǒng)計對比得出，全自動取料效率較機上手動取料效率提高了12%。3）提出1 種基于新型定位系統(tǒng)實現(xiàn)精準定位的方法。研發(fā)了1 種具備自調(diào)節(jié)功能的俯仰編碼器精度優(yōu)化裝置。本裝置2 組壓縮彈簧調(diào)節(jié)部件可隨機構(gòu)運動調(diào)整編碼器回轉(zhuǎn)支座過緊或松弛度，保證角度測量過程中編碼器回轉(zhuǎn)支座始終處于合適的松緊狀態(tài)，解決了因為編碼器旋轉(zhuǎn)中心與懸臂俯仰鉸點中心不同軸導致角度變化不平滑的問題，降低了安裝難度，減少了編碼器故障。該裝置通過大小開式齒輪的嚙合傳動，有效的放大了俯仰角度變化量對應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)量，從而提高了俯仰角度的精度。將目標位置與實時位置歸一化處理后，通過對機構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)）速度進行PID 閉環(huán)控制（控制目標是目標位置，反饋值是當前位置，控制對象是機構(gòu)速度），實現(xiàn)了機構(gòu)的精準定位。

5 結(jié)語

本項目自主開發(fā)了智能化堆取料機及其系統(tǒng)。研制了適應(yīng)散料貨物數(shù)字化管理的智能堆取料機，研發(fā)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與遠程通信嵌入式智能模塊，建立了堆取料機及其料場全流程智能化協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，構(gòu)建了基于全生命周期管理的物料輸送成套設(shè)備遠程運維可視化平臺。成功應(yīng)用于電力、石化等行業(yè)的多個項目。