智能堆取料無人作業(yè)管控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

馮倩

[摘? ? 要]文章結(jié)合工程實(shí)例，主要介紹某電廠堆料場改造工程，智能堆取料無人作業(yè)管控系統(tǒng)的設(shè)計及控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。智能堆取料系統(tǒng)利用高精度定位系統(tǒng)、料位雷達(dá)、防碰撞雷達(dá)、微波開關(guān)防碰撞系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，對料堆三維圖形與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合堆料場操作工藝控制策略，實(shí)現(xiàn)全天候的堆取料遠(yuǎn)程控制與無人自動作業(yè)。

[關(guān)鍵詞]散貨堆場;智能堆取料;工藝控制

[中圖分類號]TF31 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–000–03

Design and Implementation of Unmanned Operation

Control System for Intelligent Stacker Reclaimer

Feng Qian

[Abstract]Combined with the engineering example， this paper mainly introduces the design and control technology implementation of intelligent stacker reclaimer unmanned operation control system in a power plant yard reconstruction project. The intelligent stacking and reclaiming system uses the high-precision positioning system， material level radar， anti-collision radar， microwave switch anti-collision system and video monitoring system to analyze the three-dimensional graphics and data of the material stack. Combined with the control strategy of the material yard operation process， it can realize the all-weather remote control of stacking and reclaiming and unmanned automatic operation.

[Keywords]bulk yard; intelligent stacking and reclaiming; process control

1 智能堆取料無人作業(yè)管控系統(tǒng)硬件組成

本工程在所改造煤場中新建一座長200 m，寬71 m，頂高33 m的條形封閉煤倉，在煤倉中部已有皮帶機(jī)沿線設(shè)置一臺斗輪堆取料機(jī)。為實(shí)現(xiàn)自動盤庫、數(shù)字化料場、中控遠(yuǎn)程操控功能、自動堆料功能、自動取料功能，針對該工程設(shè)置一套智能堆取料管控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由數(shù)字料場系統(tǒng)和堆取料機(jī)無人化系統(tǒng)組成。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)字料場系統(tǒng)組成

數(shù)字料場系統(tǒng)由設(shè)置于中控室的智能化料場模型計算機(jī)、智能化料場操作站、服務(wù)器和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端組成。模型計算機(jī)用于數(shù)據(jù)分析、料場建模和盤庫;智能化料場操作站向堆取料機(jī)發(fā)送作業(yè)計劃;服務(wù)器用于圖像數(shù)據(jù)存儲和處理;現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端包括3D激光掃描儀及組件建模，用于實(shí)時采集煤倉料堆數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理。

1.2 堆取料機(jī)無人化系統(tǒng)組成

堆取料機(jī)無人化系統(tǒng)主要由堆取料機(jī)機(jī)上智能化控制系統(tǒng)組成，堆取料機(jī)機(jī)上智能化控制系統(tǒng)主要由機(jī)上PLC系統(tǒng)、機(jī)上防碰撞裝置、機(jī)上3D激光掃描儀、機(jī)上高精度編碼器定位裝置和機(jī)上視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成，同時在堆取料機(jī)上增設(shè)UWB移動站，在封閉煤倉四周設(shè)置UWB固定地面基站，實(shí)現(xiàn)單機(jī)精確定位。

1.3 系統(tǒng)主要技術(shù)方案

本工程智能堆取料無人作業(yè)管控系統(tǒng)具有7個子功能模塊，系統(tǒng)功能邏輯如圖2所示。

（1）遠(yuǎn)程通信。為實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)所需的各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信與共享需求，包含3種遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)：控制網(wǎng)、以太網(wǎng)和視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)。利用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)機(jī)上設(shè)備、堆場控制設(shè)備與中控之間的數(shù)據(jù)通信及視頻傳輸。

（2）激光掃描與三維建模。在煤倉鋼結(jié)構(gòu)廊道兩側(cè)等間距設(shè)置6個激光掃描頭，實(shí)現(xiàn)對整個煤場的精確掃描和模型計算?，F(xiàn)場激光掃描儀對料堆進(jìn)行掃描并采集圖像信息，通過管控系統(tǒng)的圖像處理軟件，進(jìn)行一系列分析與計算后，轉(zhuǎn)化為料堆三維圖像并直觀呈現(xiàn)于中控操作站上位機(jī)，同時對堆取料作業(yè)所需的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

（3）堆料與取料自動控制。定制料場管理軟件系統(tǒng)，將堆取料機(jī)PLC系統(tǒng)、堆場控制設(shè)備與中控系統(tǒng)和人機(jī)操作界面通過軟件實(shí)現(xiàn)通信與集成。管理軟件系統(tǒng)中的三維模型分析模塊，通過模糊控制算法，對料堆的邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并計算，確定每個料堆的邊界位置、外部形狀、高度、寬度、料層等坐標(biāo)點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)對料堆的三維建模。通過三維建模，在自動堆取料作業(yè)規(guī)劃時，為堆取料機(jī)實(shí)現(xiàn)自動取料中的移機(jī)對位、智能開層、智能移位換層動作指令，以及自動堆料過程中的智能堆垛和智能補(bǔ)垛指令提供策略依據(jù)。

（4）精確定位。利用在每臺斗輪機(jī)上安裝的堆取料機(jī)識址系

統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時了解斗輪機(jī)的位置信息，通過無線或光纖的方式及時上傳到三維動態(tài)激光掃描技術(shù)系統(tǒng)上，給該系統(tǒng)提供斗輪機(jī)大臂是否遮擋盤煤區(qū)域提供數(shù)據(jù)支持。同時通過斗輪機(jī)位置信息指導(dǎo)煤場的堆取煤情況，為全自動智能煤場管控一體化系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)支持。

斗輪機(jī)識址是整個自動化斗輪機(jī)控制系統(tǒng)的重要功能之一，為確保識址系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，設(shè)計上采用雙冗余的識址系統(tǒng)，第一套采用編碼器識址，第二套采用UWB無線識址。兩套系統(tǒng)一主一備，相互校正。

（5）防碰撞設(shè)計。在進(jìn)行智能堆取料無人作業(yè)時，防碰撞設(shè)計至關(guān)重要。本工程封閉煤倉內(nèi)設(shè)置有一臺堆取料機(jī)，不存在多臺斗輪機(jī)的碰撞問題，在防碰撞設(shè)計上主要是針對斗輪機(jī)大臂與煤堆的碰撞防護(hù)。主要通過兩個技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)防碰撞：①通過識址系統(tǒng)與大臂激光防撞裝置，以及料堆的三維模型，實(shí)現(xiàn)大臂與料堆間距離位置的測算，避免碰撞;②通過在斗輪機(jī)懸臂兩側(cè)分別安裝一套對射式防撞微波雷達(dá)開關(guān)，用來作為極限保護(hù)大臂兩側(cè)的區(qū)域，當(dāng)檢測到遮擋時及時報警。

（6）智能一體化操控平臺。為滿足自動化堆料、取料生產(chǎn)作業(yè)要求，定制開發(fā)智能一體化操控平臺，完成遠(yuǎn)程自動化堆、取料上位機(jī)監(jiān)控，以及單機(jī)狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程手動、半自動、全自動三種作業(yè)模式下對堆、取料機(jī)的全景式管理，在各種操作模式下，可以實(shí)現(xiàn)對堆取料機(jī)所有狀態(tài)信號、故障信號、報警信號的實(shí)時采集、顯示、分類、存儲、查詢、打印等功能。

（7）IP網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控。為方便中控室操作人員對煤倉內(nèi)場景進(jìn)行實(shí)時觀測，在堆取料機(jī)大臂、斗輪、行走機(jī)構(gòu)，煤倉廊道等關(guān)鍵部位設(shè)置網(wǎng)絡(luò)型攝像頭，并通過光纜接入中控室，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)視煤倉內(nèi)工況以及大車位置和設(shè)備狀態(tài)信息，確保堆、取料機(jī)自動化作業(yè)的安全性、可靠性。

2 智能堆取料無人作業(yè)系統(tǒng)軟件

智能堆取料無人作業(yè)開發(fā)設(shè)計符合現(xiàn)場作業(yè)操作習(xí)慣的人機(jī)交互系統(tǒng)，對界面的風(fēng)格布局進(jìn)行人性化設(shè)計，使操作界面更加友好易用，功能全面，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。主要界面及顯示功能如圖3所示。

2.1 界面顯示

系統(tǒng)軟件采用通用圖形HMI配置工具與C#高級語言結(jié)合方式開發(fā)，滿足現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)要求。

（1）智能堆取料無人作業(yè)控制軟件主要分為登錄畫面、主畫面、各堆取料單機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)畫面、報警主畫面等相應(yīng)操作界面。

（2）控制軟件的堆料和取料功能主畫面有煤場3D存煤模型顯示功能，圖形具有可操作性，可進(jìn)行斷面切割、顏色分區(qū)等功能，并可顯示煤場任一點(diǎn)存煤具體參數(shù)（礦名、熱值、重量密度、溫度等）。同時主界面可通過報警信息欄實(shí)現(xiàn)報警信息實(shí)時推送與查詢，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢，設(shè)備狀態(tài)實(shí)時圖像化監(jiān)測與顯示。

（3）無人化堆取料控制軟件堆料功能主界面具備參數(shù)設(shè)置及維護(hù)、創(chuàng)建計劃、修改料堆、初始化、設(shè)備操作、掃描儀操作、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障復(fù)位、堆料計劃顯示、主要報警信息顯示、3D存煤模型顯示等各功能。

2.2 軟件主要功能

（1）基于權(quán)限管理的遠(yuǎn)程操控與運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。堆取料機(jī)全自動智能無人值守控制軟件，通過軟件合理分配各級的管理和操控權(quán)限，登錄相應(yīng)各個操控界面后可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控、運(yùn)行狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，通過報警信息欄可快速查詢最新或歷史報警信息。

（2）自動提取料堆三維數(shù)據(jù)。堆取料機(jī)全自動智能無人值守控制軟件實(shí)現(xiàn)與激光三維建模系統(tǒng)軟件接口對接，軟件可根據(jù)條件快速檢索煤堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集各料堆建模數(shù)據(jù)及各設(shè)備狀態(tài)及控制各掃描儀動作等功能。利用激光三維建模系統(tǒng)提供的煤堆高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對堆/取料機(jī)大臂回轉(zhuǎn)及俯仰動作精準(zhǔn)控制。

（3）動態(tài)更新作業(yè)過程料堆三維圖像與數(shù)據(jù)。軟件與激光掃描成像子系統(tǒng)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)對堆料或取料過程中發(fā)生的堆高/料堆邊界數(shù)據(jù)按指令更新，并主動制定相應(yīng)的料堆邊界檢測與控制策略，并可達(dá)到對堆/取料機(jī)作業(yè)全過程進(jìn)行預(yù)警提醒保護(hù)。

（4）生成基于計劃的作業(yè)指令。軟件與堆/取料機(jī)設(shè)備PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時通信與交互，實(shí)現(xiàn)根據(jù)原煤斗煤位自動獲取上煤重量并根據(jù)上煤指令參數(shù)、煤場存煤數(shù)據(jù)分析（溫度、來煤時間、煤種、煤種）、煤場存煤點(diǎn)云數(shù)據(jù)、輸煤系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)等自動計算出最佳取煤數(shù)據(jù)，通過軟件操作界面對燃料運(yùn)行人員進(jìn)行提示，當(dāng)燃料部運(yùn)行人員或其他授權(quán)操作人員確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)自動將回轉(zhuǎn)、俯仰角度等數(shù)據(jù)下發(fā)至堆取料機(jī)PLC，實(shí)現(xiàn)自動堆料、取料作業(yè)。

（5）堆料設(shè)備控制指令的自動下發(fā)與主動激光盤煤。無人化控制軟件根據(jù)來煤原始信息及煤場存煤信息、設(shè)備狀態(tài)，自動計算出堆煤位置并將堆煤指令顯示在相關(guān)操作界面上，在輸煤運(yùn)行人員確認(rèn)后自動將指令下發(fā)至輸煤系統(tǒng)PLC及堆取料機(jī)PLC，堆取料機(jī)根據(jù)指令數(shù)據(jù)自動完成堆煤作業(yè)。

堆煤作業(yè)結(jié)束后，系統(tǒng)自動驅(qū)動（或手動驅(qū)動）激光掃描儀對新煤堆實(shí)現(xiàn)覆蓋掃描。通過計算及匹配自動完成相應(yīng)煤堆的數(shù)據(jù)更新并在操作界面對運(yùn)行人員進(jìn)行提示。操作管理人員可通過獲取一定權(quán)限能夠?qū)γ簣鰯?shù)據(jù)進(jìn)行修改及更新。

（6）操作記錄。為保障安全生產(chǎn)作業(yè)，系統(tǒng)對所有操作指令進(jìn)行自動記錄和存儲，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)有記可查，有記可循，為事后分析、決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語

本工程智能堆取料無人作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施，提升了廠區(qū)的智能化生產(chǎn)作業(yè)水平與管理水平，也為該電廠后續(xù)、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備自動化改造奠定了良好的基礎(chǔ)。從長遠(yuǎn)來看可以大大降低廠區(qū)人員管理費(fèi)用，提高管理效率，為廠區(qū)智能化改造提供助力。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷全文.干散貨碼頭散貨作業(yè)智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].港口裝卸，2020（4）：61-64

[2] 袁航，曹晏杰，楊多兵.干散碼頭智能化堆取料系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].水運(yùn)工程，2013（10）：255-258.