煤場斗輪堆取料機(jī)無人值守功能研究

莫劍

摘要：現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的持續(xù)發(fā)展加快了智能管控一體化新型建設(shè)，智能管理逐漸被應(yīng)用于火電廠設(shè)備系統(tǒng)管理工作中，發(fā)揮著多種功能優(yōu)勢。本文基于輸煤系統(tǒng)的卸煤、儲煤、供煤作業(yè)流程，進(jìn)行數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)研究和斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)研究，在斗輪堆取料機(jī)上開發(fā)一套信息管理系統(tǒng)，通過三維建模，實(shí)現(xiàn)煤場的數(shù)據(jù)計(jì)量、統(tǒng)計(jì)及方案演算以及斗輪堆取料機(jī)全自動無人值守功能，以供參考。

關(guān)鍵詞：煤場；斗輪堆取料機(jī)；監(jiān)控系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長，電力系統(tǒng)改革的深入，再加上“廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)” “市場煤、計(jì)劃電”等情況，火力發(fā)電企業(yè)必須面對市場競爭和煤電矛盾帶來的多重挑戰(zhàn)和機(jī)遇。對于當(dāng)前火力發(fā)電企業(yè)而言，燃料管理水平會影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益，提升煤場科學(xué)管理水平和自動化作業(yè)程度、突破常規(guī)煤場管理與生產(chǎn)控制分離模式、形成智能管控一體化新型精益管控模式、降低燃料成本、持續(xù)開展運(yùn)行優(yōu)化是電廠的必然選擇。

一、無人值守國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

（一）國外相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展的概況

由互聯(lián)網(wǎng)信息得知，在德國、荷蘭、挪威等西方發(fā)達(dá)國家的電廠和港口中的堆取料機(jī)已有實(shí)現(xiàn)無人化全自動運(yùn)行的先例。在荷蘭鹿特丹港，由控制中心1人便可實(shí)現(xiàn)6臺堆取料機(jī)的7×24全天候無人操控，且作業(yè)效率不低于人工效率。同時，充分依托精確定位技術(shù)、聲吶技術(shù)和3D掃描技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的智能化作業(yè)。

（二）國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)現(xiàn)狀、國內(nèi)已取得的成果

目前，華能營口熱電廠、珠海港碼頭、黃驊港碼頭儲煤場均通過采用建設(shè)智能化數(shù)字化煤場設(shè)備和系統(tǒng)，減少現(xiàn)場人員作業(yè)，實(shí)現(xiàn)安全本質(zhì)，并通過優(yōu)化軟件，提高燃煤儲運(yùn)管理效率，降低運(yùn)行成本。

華能營口熱電廠圓形煤場智能化管控系統(tǒng)經(jīng)升級改造后，系統(tǒng)從2016年12月投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了堆取料機(jī)全自動無人值守、燃料數(shù)字化管控及分析、煤場環(huán)境在線監(jiān)測等功能，提升了煤場安全管理水平，提高了設(shè)備運(yùn)行效率及安全性能，也降低了人力成本，為電廠節(jié)能降耗、提質(zhì)增效提供了更有力的支撐。

（三）堆取料機(jī)全自動無人值守市場需求前景

第一，堆取料機(jī)全自動無人值守完成后，建設(shè)一體化智能管控平臺，兼顧煤場管理與自動堆取料無人作業(yè)管理功能，滿足煤場智能管控核心業(yè)務(wù)需求。第二，建立數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤場在線監(jiān)測功能，實(shí)時監(jiān)控煤場存儲信息，以數(shù)據(jù)、圖形、報(bào)表形式實(shí)時展現(xiàn)。第三，實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)全自動無人作業(yè)功能。

二、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)

（一）研究內(nèi)容

結(jié)合臺山電廠露天煤場封閉改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)劃，研究3號斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)，開發(fā)一套信息管理系統(tǒng)，通過三維建模，實(shí)現(xiàn)煤場的數(shù)據(jù)計(jì)量、統(tǒng)計(jì)及方案演算等功能，并實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)全自動無人值守功能。第一，基于卸煤、儲煤、供煤作業(yè)流程的燃料管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈研究。第二，數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)研究及應(yīng)用。第三，斗輪堆取料機(jī)無人值守功能研究及應(yīng)用。

（二）預(yù)期目標(biāo)和成果

第一，開發(fā)一套適用于臺山電廠斗輪堆取料機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺及全自動控制應(yīng)用操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3號斗輪堆取料機(jī)全天候、全自動無人值守功能。第二，在全自動遠(yuǎn)程監(jiān)控功能下，3號斗輪堆取料機(jī)連續(xù)卸煤作業(yè)效率不低于3000t/h，連續(xù)取煤作業(yè)效率不低于1600t/h。第三，在全自動遠(yuǎn)程監(jiān)控功能下，3號斗輪堆取料機(jī)在就位、堆/取料作業(yè)過程均不發(fā)生輪斗碰撞煤堆、碰撞地面皮帶或其他設(shè)備設(shè)施、堆料煤流頂住懸臂皮帶或輪斗被埋等異常事件。

（三）創(chuàng)新點(diǎn)

第一，智能管控一體化平臺：利用基于.NET平臺與JAVA平臺技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個平臺完成料場可視化管理、無人化作業(yè)管理與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

第二，一種具有自學(xué)習(xí)能力的智能化精準(zhǔn)取料方法：智能化系統(tǒng)能自主學(xué)習(xí)斗輪堆取料機(jī)的取料電流與取料流量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多煤種、多工況的精準(zhǔn)取料，基本實(shí)現(xiàn)小超調(diào)、流量穩(wěn)、誤差小、適應(yīng)強(qiáng)的控制目標(biāo)設(shè)備。

第三，一種貨物三維位置信息數(shù)據(jù)庫的智能構(gòu)建和基于數(shù)字孿生技術(shù)的高效取料方法。

第四，貨物裝卸順序和自動連續(xù)裝卸作業(yè)智能優(yōu)化方法以及基于新型定位系統(tǒng)和控制算法實(shí)現(xiàn)全流程協(xié)同智能控制的方法。

（四）煤場堆取料機(jī)無人值班系統(tǒng)構(gòu)成

為解決煤場堆取料全過程中存在的問題，制定了煤場堆取料機(jī)無人值班系統(tǒng)軟件。煤場堆取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)在總結(jié)過去各發(fā)電廠煤場燃料智能管理系統(tǒng)及智能化煤場系統(tǒng)運(yùn)營問題后，對系統(tǒng)中堆取料機(jī)存有的數(shù)據(jù)鏈不全面、操縱難以實(shí)現(xiàn)自動化、系統(tǒng)安全性不高、職工施工環(huán)境差等難題，開發(fā)的一套自動化技術(shù)、信息化管理服務(wù)平臺，是合理采用燃料智能管理系統(tǒng)及智能化煤場系統(tǒng)軟件的重要手段。所有的系統(tǒng)軟件都運(yùn)用了前沿的激光掃描技術(shù)、高精密的編號以及精準(zhǔn)定位技術(shù)，可以更好的在堆取料機(jī)操作過程中獲得煤場的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)精準(zhǔn)的三維建模技術(shù)詳細(xì)再現(xiàn)石料場的具體情況，融合后臺管理堆取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)核對堆取料機(jī)空間坐標(biāo)與石料場料堆三維數(shù)據(jù)，開展煤場堆取料的每日任務(wù)。在堆取料操作過程中，運(yùn)用多方位的視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)、紅外監(jiān)控技術(shù)、超聲波及雷達(dá)探測安全防護(hù)技術(shù)、三維防撞維護(hù)技術(shù)確保系統(tǒng)在自動化技術(shù)、無人操縱條件下的安全運(yùn)營。上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時同步堆取料機(jī)各運(yùn)行狀況和設(shè)備感應(yīng)器等主要參數(shù)及聲光報(bào)警目的，并健全各主要參數(shù)數(shù)據(jù)圖，及時監(jiān)控各機(jī)器設(shè)備的通信情況。

（五）料位器檢驗(yàn)及防撞裝置

現(xiàn)階段，取料臂上安裝有6個超聲波傳感器、2個豎直往下檢驗(yàn)，用于檢驗(yàn)取料深層，避免取料負(fù)載；4個超聲波傳感器安裝方位與取煤面成45°交角，主要作用是避免取料臂與料堆撞擊；在堆料臂頭頂部安裝1個料位器雷達(dá)探測，避免堆料高度超過設(shè)計(jì)方案，超過擋煤墻高度；堆料臂依程序流程設(shè)置、取料臂安全性交角2個主要參數(shù)明確堆料原始位。當(dāng)達(dá)到互鎖標(biāo)準(zhǔn)時，堆料傳動帶按命令運(yùn)行，開始堆料。當(dāng)料堆高度實(shí)現(xiàn)設(shè)定的取料臂與原材料安全距離時，例如2m，堆料臂可以依規(guī)定向左或向右旋轉(zhuǎn)一個設(shè)定視角。

三、技術(shù)路線研究

臺山電廠燃料區(qū)域儲煤系統(tǒng)共配置1～10號露天煤場，每個煤場為111×450m的長方形，整個煤場的四周建設(shè)有高為20m的防風(fēng)抑塵網(wǎng)。3號斗輪堆取料機(jī)所在煤場為5、6號煤場，項(xiàng)目主要內(nèi)容包括以下內(nèi)容：

（一）斗輪堆取料機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、定位系統(tǒng)建設(shè)

第一，斗輪堆取料機(jī)增加在線監(jiān)測設(shè)備：主要包括各機(jī)構(gòu)電機(jī)電流、溫度、減速箱及轉(zhuǎn)動部件的溫度及振動傳感器、監(jiān)測物料堆取流量的傳感器等，提高斗輪堆取料機(jī)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測和防護(hù)，為全自動控制系統(tǒng)提供可靠的設(shè)備狀態(tài)信息。

第二，在斗輪堆取料機(jī)機(jī)上安裝多天線定位測姿系統(tǒng)：用于定位機(jī)器位置及姿態(tài)，為數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)提供精確的斗輪堆取料機(jī)位置信號，提高堆取煤全自動工作效率。

第三，RTK/INS組合系統(tǒng)：用于慣性導(dǎo)航，可以確保定位的準(zhǔn)確性。

（二）視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與完善

完善斗輪堆取料機(jī)現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對斗輪堆取料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)、主尾車皮帶、副尾車皮帶、懸臂皮帶、回轉(zhuǎn)平臺、輪斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行無死角視頻監(jiān)控。

（三）建立數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)煤場工況在線監(jiān)測，并以數(shù)據(jù)、圖形、報(bào)表形式展現(xiàn)實(shí)際庫存情況。實(shí)時掃描數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行三維建模，如圖1所示，對煤場管理和無人堆取作業(yè)提供直觀可視化的功能指導(dǎo)，改善配煤作業(yè)中滯后數(shù)據(jù)對作業(yè)效率的影響。

（四）建立煤場斗輪堆取料機(jī)無人作業(yè)系統(tǒng)

利用三維動態(tài)激光掃描設(shè)備的圖像識別與分析技術(shù)提供關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)，例如取料電流、取料流量、回轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，對這些參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行自學(xué)習(xí)，并通過多重安全防護(hù)措施，在確定安全的前提下，精準(zhǔn)控制目標(biāo)設(shè)備的單機(jī)、整機(jī)遠(yuǎn)程半自動及全自動作業(yè)模式，如圖2所示。

（五）融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈

實(shí)現(xiàn)煤場生產(chǎn)管理與斗輪堆取料機(jī)無人作業(yè)控制相關(guān)聯(lián)，滿足煤場智能管控核心業(yè)務(wù)需求，如圖3所示。

（六）建立智能管控一體化平臺

利用基于.NET平臺與JAVA平臺技術(shù)相結(jié)合，將“HMI”與“3D虛擬交互”相結(jié)合，把“料場三維可視化管理”“自動堆取料操控”與“單機(jī)作業(yè)信號監(jiān)控”技術(shù)方案融為一體，實(shí)現(xiàn)一個平臺監(jiān)控料場可視化管理、無人化作業(yè)管理與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，如圖4所示。

（七）建立全自動智能煤場管控系統(tǒng)

與運(yùn)行及燃料管理、計(jì)量等相關(guān)信息系統(tǒng)及自動化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)交互，為煤場管理方案制定及作業(yè)控制提供相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

（八）合理規(guī)劃建網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

滿足生產(chǎn)作業(yè)操控、系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、信息交換等需求，有效避免網(wǎng)絡(luò)堵塞及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等風(fēng)險(xiǎn)，保障系統(tǒng)、穩(wěn)定、可靠和安全，如圖6所示。

四、結(jié)語

綜上所述，斗輪堆取料機(jī)無人值守完成后，能建設(shè)一體化智能管控平臺，兼顧煤場管理與自動堆取料無人作業(yè)管理功能，滿足煤場智能管控核心業(yè)務(wù)需求。建立數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤場在線監(jiān)測功能，可以實(shí)時監(jiān)控煤場存儲信息，并以數(shù)據(jù)、圖形、報(bào)表形式實(shí)時展現(xiàn)，由此更好的實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)全自動無人作業(yè)功能。

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