智能斗輪堆取料機(jī)控制技術(shù)在煤場管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究

喬支昆 尹新偉 王艷春

摘? ?要：近年來，煤電矛盾和煤炭供需矛盾有增無減，物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的高速發(fā)展為發(fā)電企業(yè)設(shè)備的自動化和燃料管理的智能化提供了基礎(chǔ)。電廠硬件設(shè)備的技術(shù)升級改造，如斗輪機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動控制、精確堆取料等，并且與數(shù)字化煤場相結(jié)合，燃料運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時共享，使智慧燃料系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)成為可能。文章對智能斗輪堆取料機(jī)控制技術(shù)在煤場管理系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：智能;堆取料系統(tǒng);煤場

當(dāng)前，國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，通過內(nèi)生動力提高自身水平已是大勢所趨。信息化與工業(yè)化的深度融合在傳統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的作用也顯得更加突出，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的深度應(yīng)用，全面提升企業(yè)生產(chǎn)、管理的數(shù)字化、智能化水平，實(shí)現(xiàn)企業(yè)基于數(shù)據(jù)的科學(xué)決策目標(biāo)。

傳統(tǒng)斗輪堆取料機(jī)以人工作業(yè)為主，或者一定程度上需要人為干預(yù)，操作人員的操作技能水平對設(shè)備作業(yè)效率影響較大，自動化程度不高、智能化水平較低、安全管控粗疏，無法滿足“以人為本、安全高效”的智慧型燃煤系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展要求。隨著斗輪機(jī)自動控制技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)技術(shù)水平能達(dá)到斗輪機(jī)現(xiàn)場無人值守狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，但距離斗輪機(jī)全自動智能運(yùn)行，并能配合電廠燃料智能化管理還有一定的距離。

1? ? 煤場智能堆取料系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

煤場智能堆取料系統(tǒng)旨在從數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)中，獲取斗輪機(jī)全自動運(yùn)行的初始輸入條件，并結(jié)合斗輪機(jī)上下游設(shè)備的運(yùn)行要求，判斷斗輪機(jī)全自動運(yùn)行的結(jié)束條件。在確保安全的前提下，以降低堆取能耗、提高料場占用比、改善工作人員工作強(qiáng)度為目標(biāo)，通過定位技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)、科學(xué)的數(shù)理模型等，實(shí)現(xiàn)全自動堆取料一鍵啟動、自動停止，同時在過程中自動尋優(yōu)斗輪機(jī)全自動運(yùn)行的各項動作參數(shù)，最后為配煤摻燒的尋優(yōu)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)堅持安全性、實(shí)用性、先進(jìn)性、開放性的建設(shè)原則，以節(jié)能、降耗、智能運(yùn)行為核心，以提高企業(yè)的綜合收益能力為目標(biāo)。提高上料效率，有效進(jìn)行均勻配煤，提高鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和燃煤效率;采用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)提高斗輪機(jī)堆取作業(yè)的精準(zhǔn)度;滿足企業(yè)管理系統(tǒng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集要求，滿足數(shù)字化煤場的需求，與數(shù)字化煤場系統(tǒng)相輔相成;提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和核心競爭力，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)對散裝物料轉(zhuǎn)運(yùn)的無人化、智能化控制。

該系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包含對斗輪機(jī)無人值守技術(shù)進(jìn)行升級改造，以此為實(shí)現(xiàn)堆煤、取煤地址進(jìn)行升級改造，加強(qiáng)斗輪機(jī)的調(diào)度管理，根據(jù)電廠煤種來源以及鍋爐配煤摻燒價值尋優(yōu)管理，配置多種斗輪機(jī)全自動調(diào)度方案，安全、有序地完成堆取料過程。

2? ? 煤場智能堆取料系統(tǒng)設(shè)計

煤場智能堆取料系統(tǒng)涉及斗輪機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)、燃煤入庫管理、燃煤出庫管理、配煤方案管理、調(diào)度優(yōu)化。具體的系統(tǒng)功能有以下幾種。

（1）斗輪機(jī)運(yùn)行監(jiān)測：圍繞斗輪機(jī)調(diào)度指令，基于斗輪機(jī)定位裝置，采集、分析斗輪機(jī)位置信息，進(jìn)行斗輪機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測，對斗輪機(jī)運(yùn)行偏差及時捕捉并糾正，為煤場管理及配煤摻燒提供基礎(chǔ)。

（2）燃煤入庫管理：根據(jù)所設(shè)定的斗輪機(jī)堆放管理及進(jìn)煤計劃，提供入場煤堆放建議，通過煤堆圖形預(yù)覽堆放后效果;可提供多批來煤批量入庫的操作指令，引導(dǎo)入廠煤到指定區(qū)域堆放;能從入廠衡器接口、堆料斗輪機(jī)、數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)室或燃料管理信息系統(tǒng)直接獲取煤量及配煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對燃煤入庫的管理。

（3）燃煤出庫管理：根據(jù)輸入的斗輪機(jī)取煤調(diào)度指令，預(yù)覽該調(diào)度指令執(zhí)行后煤場堆型效果圖。對斗輪機(jī)的取煤作業(yè)進(jìn)行記錄（可將對應(yīng)時間段內(nèi)堆、取煤地址記錄到系統(tǒng)中），可通過煤場輪廓曲線對照斗輪機(jī)運(yùn)行情況，對于未按調(diào)度指令進(jìn)行作業(yè)的，系統(tǒng)能記錄軌跡并進(jìn)行示警。燃煤出庫操作完成后，煤場堆型效果圖及數(shù)據(jù)可根據(jù)斗輪機(jī)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)展示。

（4）配煤方案管理：根據(jù)不同情況給出對應(yīng)時段煤場配煤的方案，計算煤場配煤煤種、配煤比例，來調(diào)整斗輪機(jī)的預(yù)定速率，配煤方案經(jīng)審核后執(zhí)行。

（5）調(diào)度優(yōu)化：基于煤場存煤、負(fù)荷分布、摻燒歷史給出最佳的煤場煤種調(diào)運(yùn)指導(dǎo)方案，對燃料調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。

2.1? 煤場智能堆取料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

煤場堆取料系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為3層，下層包括定位系統(tǒng)設(shè)備、防撞系統(tǒng)設(shè)備、皮帶秤、掃描儀設(shè)備等;中層系統(tǒng)是斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)，主要是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理;上層是廠燃料管理系統(tǒng)，主要是管理數(shù)據(jù)的綜合分析處理。上層管理系統(tǒng)與中層斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，為斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)提供全自動智能運(yùn)行所需的各項數(shù)據(jù)，制定斗輪機(jī)的運(yùn)行方案。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2? 煤場智能堆取料系統(tǒng)的組成

煤場堆取料系統(tǒng)涉及斗輪機(jī)遠(yuǎn)程管理下位機(jī)系統(tǒng)、斗輪機(jī)監(jiān)控操作站、煤堆三維掃描系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)和工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。其中，斗輪機(jī)遠(yuǎn)程管理下位機(jī)系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，程序采用流程化的過程控制，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。建立回轉(zhuǎn)速度與斗輪電流的閉環(huán)控制模型，采用數(shù)理模型分析，實(shí)時動態(tài)調(diào)整堆取料邊界，提高了作業(yè)效率，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時取料量的穩(wěn)定，從而提高取料效率;斗輪機(jī)監(jiān)控操作站上位機(jī)軟件采用C#語言，功能強(qiáng)大，其靈活性足以滿足我們各項技術(shù)功能要求;煤堆三維掃描系統(tǒng)采用激光測距技術(shù)，經(jīng)過后臺處理程序，能夠?qū)崟r再現(xiàn)料場的三維模型，同時亦可以空間的形式嵌入上位機(jī)軟件中，方便操作員隨時查看;在料場數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，采用倒錐形安全算法對斗輪機(jī)與煤堆的碰撞可能性進(jìn)行定量計算，在作業(yè)前確保作業(yè)過程中不會碰撞煤堆。在每臺斗輪機(jī)懸臂上安裝3個UWB，通過對兩臺斗輪機(jī)之間3×3=9個距離進(jìn)行分析判斷，從而確保設(shè)備不會相互碰撞，采用煤場剖面差算法，確保斗輪機(jī)取料時不會發(fā)生煤堆坍塌;工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)重要區(qū)域無死角覆蓋，也為操作人員提供了視野上的便利。

3? ? 煤場智能堆取料系統(tǒng)功能

煤場智能堆取料系統(tǒng)通過激光掃描得到數(shù)據(jù)庫的堆取料點(diǎn)數(shù)據(jù)表，將料場分區(qū)域體積信息寫入數(shù)據(jù)庫的區(qū)域體積數(shù)據(jù)表。堆取料系統(tǒng)接收到自動堆取料命令后，根據(jù)輸入的物料種類、物料體積等參數(shù)，對比數(shù)據(jù)庫，采用優(yōu)選算法，得出最佳堆取料區(qū)域，并推送給操作員。操作員參照推送方案（可人為修正），啟動全自動堆取料設(shè)備，自行運(yùn)動至堆取料區(qū)域進(jìn)行堆取料作業(yè)。單次堆取料回轉(zhuǎn)過程中采用雙閉環(huán)控制，實(shí)時調(diào)整回轉(zhuǎn)速度，確保堆取料的高效性。單次堆取料回轉(zhuǎn)結(jié)束后，計算出單次回轉(zhuǎn)物料體積變化參數(shù)，建立衡量堆取料好壞程度的量化模型，對行走步進(jìn)長度進(jìn)行優(yōu)化，采用基于模糊數(shù)學(xué)的控制方式，得出下次回轉(zhuǎn)堆取料對應(yīng)的位置狀態(tài)參數(shù)，循環(huán)進(jìn)行堆取料過程，直至整個堆取料操作結(jié)束。

4? ? 發(fā)展前景

目前，燃煤電廠的堆取料操作主要依賴司機(jī)就地手動操方式或遠(yuǎn)程控制方式，這種傳統(tǒng)方法不僅勞動強(qiáng)度大，而且堆煤時容易造成煤垛不規(guī)則，取煤時流量波動大等情況。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將精確定位技術(shù)、激光三維掃描技術(shù)、自動控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)、安全防范技術(shù)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，使實(shí)現(xiàn)煤場精確堆取料系統(tǒng)成為可能。由于煤場面積大、煤的品種多、燃煤消耗快等原因，日常運(yùn)營時需要投入大量的人力、物力去統(tǒng)計煤場實(shí)際的堆放情況，因此，實(shí)現(xiàn)煤場的數(shù)字化、信息化管理，有利于掌握實(shí)際存煤變化情況。