斗輪機(jī)邊緣取料恒流量控制研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.015

摘" 要：在火電廠條型料場(chǎng)取料作業(yè)中，恒流量取料作業(yè)是精準(zhǔn)配煤摻燒的前提條件。在實(shí)際作業(yè)中，斗輪機(jī)在左右兩側(cè)到邊時(shí)容易發(fā)生流量減小、斷流的情況。該文依托某火電廠堆取料無(wú)人值守系統(tǒng)的技術(shù)改造項(xiàng)目，通過(guò)在斗輪兩側(cè)加裝激光雷達(dá)的方式進(jìn)行激光測(cè)距，對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化分析并建模，結(jié)合實(shí)際工況統(tǒng)計(jì)個(gè)性化統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，結(jié)合客觀技術(shù)參數(shù)，運(yùn)用機(jī)理建模原理研究設(shè)計(jì)一套與控制系統(tǒng)對(duì)接的算法，通過(guò)對(duì)流量曲線的對(duì)比分析，解決到邊取料流量降低甚至斷流的問(wèn)題，提高恒流量取料的效率。

關(guān)鍵詞：斗輪機(jī)取料；機(jī)理建模；工況統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)；控制點(diǎn)分析；效果評(píng)估

中圖分類號(hào)：TH246" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）32-0058-04

Abstract： In the reclaiming operation of strip yard in thermal power plant， constant flow reclaiming operation is a prerequisite for accurate coal blending. In the actual operation， the bucket turbine is easy to reduce and cut off when it is on the left and right sides to the edge. In this paper， relying on the technical transformation project of the unmanned system of stacking and reclaiming in a thermal power plant， laser ranging is carried out by installing lidar on both sides of the bucket wheel， the equipment is digitally analyzed and modeled， and the individual statistical parameters are counted according to the actual working conditions. Combined with the objective technical parameters， a set of algorithm for docking with the control system is designed by using the principle of mechanism modeling， and through the comparative analysis of the flow curve. The problem of reducing or even cutting off the material flow at the edge of the material is solved， and the efficiency of constant flow material extraction is improved.

Keywords： bucket wheel pick-up; mechanism modeling; working condition statistical parameters; control point analysis; effect evaluation

國(guó)內(nèi)已建成或規(guī)劃建設(shè)中的火電廠智慧煤場(chǎng)，在充分考慮操作員工作環(huán)境的前提下，大多數(shù)都采用堆取料無(wú)人值守控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)斗輪機(jī)的自動(dòng)堆取料作業(yè)控制[1]。其基本原理是通過(guò)激光探測(cè)物料面變化，不斷調(diào)整斗輪取料機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程全自動(dòng)化作業(yè)[2]。

目前，在水平回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的恒流量控制相對(duì)較為成熟[3]，而問(wèn)題集中在料堆邊緣取料流量的穩(wěn)定性[4]。恒流量控制有直接法和間接法2種主要手段，直接法是通過(guò)懸掛在輸煤皮帶上方的流量計(jì)監(jiān)測(cè)輸煤皮帶中的流量，但這種方式存在較長(zhǎng)時(shí)間的滯后性，發(fā)現(xiàn)斷流時(shí)已經(jīng)沒(méi)有時(shí)間對(duì)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整[5-6]；另一種是在控制端通過(guò)斗輪機(jī)水平轉(zhuǎn)動(dòng)電流來(lái)間接監(jiān)測(cè)流量，更進(jìn)一步地可以利用PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)速度的控制[7]，此種方式可精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)速度的控制，但在回轉(zhuǎn)到料堆邊緣時(shí)的判斷仍會(huì)出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象。

本研究提出基于精準(zhǔn)回轉(zhuǎn)取料邊緣檢測(cè)的方法，采用在斗輪兩側(cè)安裝2個(gè)激光雷達(dá)，在取料作業(yè)中實(shí)時(shí)對(duì)料堆表面進(jìn)行測(cè)距，結(jié)合數(shù)據(jù)建模及算法提高左右回轉(zhuǎn)至料堆邊界的到邊檢測(cè)精準(zhǔn)度。

1" 機(jī)理建模方案

方案設(shè)計(jì)中考慮掃描方式設(shè)計(jì)、激光雷達(dá)設(shè)備選型、數(shù)字建模和算法設(shè)計(jì)等4個(gè)步驟。邏輯上這4個(gè)步驟不是線性關(guān)系，而是在研究過(guò)程中反復(fù)摸索修正得到的最終結(jié)論。

1.1" 安裝位置、掃描方式設(shè)計(jì)

激光測(cè)距雷達(dá)安裝位置如圖1所示。由于安裝位置位于都輪左右兩側(cè)，盡量與斗輪旋轉(zhuǎn)軸心平行相對(duì)，便于后續(xù)數(shù)學(xué)建模。

如圖2所示，將激光掃描面設(shè)定為與斗輪取料旋轉(zhuǎn)面垂直，即在取料作業(yè)中，激光束形成的掃描面與斗輪懸臂立面垂直。安裝時(shí)，需保證激光雷達(dá)掃描扇面的角平分線到料堆表面的距離最短。

針對(duì)料場(chǎng)堆料工藝，此種安裝方式的設(shè)計(jì)可保證斗輪兩側(cè)的激光雷達(dá)無(wú)論以何種角度照射到煤堆表面，扇面在料堆表面所形成的直線與有效測(cè)距角兩側(cè)直線可形成近似等腰三角形，如圖2陰影區(qū)域所示。

1.2" 設(shè)備選擇

為盡量減少激光雷達(dá)本身帶來(lái)的檢測(cè)誤差，經(jīng)計(jì)算需滿足掃描頻率小于等于25 Hz，掃描分辨率小于等于0.25°。故本方案采用SICK的2D LiDAR LMS511 PRO型號(hào)激光雷達(dá)，其激光核心參數(shù)見(jiàn)表1（只列舉已選取的工況數(shù)據(jù)）。

1.3" 數(shù)字建模分析

數(shù)字建模階段主要確定有效激光掃描范圍，并為后續(xù)的到邊檢測(cè)算法提供理論支持。

如圖3所示，計(jì)算確定激光掃描有效角度α。經(jīng)研究，方案中將測(cè)量高度b的垂線作為α的角平分線可滿足實(shí)際測(cè)量需要，即在左右兩側(cè)保留相同的α/2為有效掃描角度。斗輪機(jī)作業(yè)機(jī)械參數(shù)見(jiàn)表2。

通過(guò)測(cè)量可以得到雷達(dá)安裝位置距離斗輪旋轉(zhuǎn)面垂直距離a，雷達(dá)安裝位置距斗輪下沿（斗輪與煤面接觸位置）的垂直距離b，易得

α=2arctan， （1）

經(jīng)測(cè)量，a=3.92 m，b=4.86 m（推薦安裝位置b=r），計(jì)算可得α=2×38.89°=77.78°。

如圖4所示，結(jié)合激光掃描儀內(nèi)部對(duì)激光束的角度定義可知，有效測(cè)量范圍應(yīng)為

[95°-α/2，95°+α/2]。" " " "（2）

代入數(shù)值可得研究對(duì)象的有效測(cè)量范圍為[56.11°，133.89°]。

計(jì)算當(dāng)懸臂俯仰角度為0°時(shí)，水平每回轉(zhuǎn)1°，斗輪遠(yuǎn)端近似直線位移為

式中：R為斗輪懸臂長(zhǎng)度；r為斗輪半徑；懸臂水平每回轉(zhuǎn)1°所需時(shí)間在如下區(qū)間范圍內(nèi)≤t0≤，即在最低、最高回轉(zhuǎn)速度下每回轉(zhuǎn)1°的時(shí)間區(qū)間為

8.1 s≤t0≤26.2 s。 （4）

1.4" 結(jié)合工況設(shè)計(jì)取料到邊控制邏輯

到邊檢測(cè)算法依據(jù)激光雷達(dá)在有效掃描角度內(nèi)的測(cè)距數(shù)值形成公式，在給定參數(shù)的前提下計(jì)算到邊時(shí)間，進(jìn)而為懸臂回轉(zhuǎn)的控制提供依據(jù)，結(jié)合實(shí)際作業(yè)工藝，形成控制邏輯。

任意激光測(cè)距值L，易知在任意工況下L的最小值Lmin應(yīng)為有效測(cè)距范圍三角形的α角平分線；未到邊緣時(shí)，L的最大值Lmax應(yīng)為雷達(dá)安裝位置到圖5所示的P點(diǎn)位置，易得=cos，故對(duì)任意激光未射出煤堆邊緣位置范圍內(nèi)的L′，均滿足≤cos。

反之，超出煤堆邊緣位置（圖5中深色陰影部分）的測(cè)距距離L″滿足gt;cos。

定義事件A為有效掃描角度內(nèi)所有激光束測(cè)距長(zhǎng)度與最小長(zhǎng)度比值大于cos，則P（A）為事件A發(fā)生的概率。結(jié)合圖5所示，P（A）計(jì)算的概率為掃描區(qū)域深色陰影部分對(duì)應(yīng)的掃描角度占有效掃描角度的百分比。后續(xù)利用P（A）為控制邏輯提供計(jì)算依據(jù)。

根據(jù)表3得到的特定斗輪機(jī)在取料作業(yè)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上相關(guān)參數(shù)。故本文研究的方法遷移至其他設(shè)備時(shí)，表3所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)需要根據(jù)其工作數(shù)據(jù)再次統(tǒng)計(jì)。

結(jié)合表3確認(rèn)是否滿足測(cè)量范圍大于控制范圍。如圖3所示情況，結(jié)合表2斗輪機(jī)作業(yè)機(jī)械參數(shù)計(jì)算及計(jì)算結(jié)果（4）可知，a＞2.6 s0，即可實(shí)現(xiàn)在斗輪1/4半徑尺寸沒(méi)入料堆取料的極端工況下，激光雷達(dá)測(cè)量范圍仍可覆蓋控制范圍。

綜上，將取料到邊檢測(cè)算法與控制策略相融合，根據(jù)斗輪取料深入料堆后實(shí)際激光測(cè)距的最小值L與安裝理論值Lmin，形成如圖6所示的2條控制線，點(diǎn)劃線為加速指令控制線，該線表明斗輪邊緣到達(dá)此線時(shí)，懸臂開始切換至最高轉(zhuǎn)速；虛線為制動(dòng)指令控制線，該線表明斗輪邊緣到達(dá)此線時(shí)，懸臂開始制動(dòng)，依靠慣性回轉(zhuǎn)至最終的邊界位置。

將2個(gè)控制線的計(jì)算轉(zhuǎn)換為有效掃描區(qū)域?qū)?yīng)的角度α0、α1與各測(cè)量值之間的函數(shù)關(guān)系，可表達(dá)為

式中：θ為懸臂俯仰角度絕對(duì)值；R為懸臂長(zhǎng)度；φ0為懸臂回轉(zhuǎn)最高速度時(shí)制動(dòng)慣性回轉(zhuǎn)角度。

考慮系統(tǒng)控制指令的傳遞時(shí)差，及在人工控制時(shí)人工反應(yīng)時(shí)差，設(shè)置t′=2 s，根據(jù)計(jì)算結(jié)果（4）可知，t′內(nèi)斗輪回轉(zhuǎn)約為0.24°，則上述2個(gè)表達(dá)式可修正為

根據(jù)公式（8）中所得的α1實(shí)時(shí)計(jì)算P（A），當(dāng)P（A）≥×100%時(shí)，下達(dá)斗輪回轉(zhuǎn)調(diào)整至最高檔指令；根據(jù)公式（7）中所得的α0實(shí)時(shí)計(jì)算P（A），當(dāng)P（A）≥×100%時(shí)，下達(dá)回轉(zhuǎn)制動(dòng)控制指令。

2" 效果驗(yàn)證

將數(shù)字化建模結(jié)果、測(cè)量數(shù)值、控制邏輯模型等研究成果，在堆取料無(wú)人值守控制系統(tǒng)中進(jìn)行部署并初始化參數(shù)設(shè)置后，對(duì)比部署前后自動(dòng)控制作業(yè)的流量檢測(cè)數(shù)據(jù)，圖7為相同恒流量取料作業(yè)條件下，同一臺(tái)斗輪機(jī)取料流量波動(dòng)曲線圖。

可以直觀看出，在控制模型下的自動(dòng)取料作業(yè)在流量控制下明顯優(yōu)于原有系統(tǒng)中的對(duì)于恒流量的控制，但在控制模型下的自動(dòng)取料作業(yè)中，在料堆邊緣取料中仍有明顯的流量降低的情況。

將圖7折算成1 h內(nèi)的作業(yè)量，則原控制系統(tǒng)中的取料作業(yè)流量為2 254 t/h，在控制模型下的取料作業(yè)流量2 581 t/h，流量效率提升了約12.67%。

3" 結(jié)束語(yǔ)

從宏觀角度看，恒流量取料作業(yè)一直都是火電廠智能化運(yùn)行的必備條件，但在不同的工況下均需要針對(duì)性的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，構(gòu)建個(gè)性化控制模型，這就給模型的產(chǎn)品化帶來(lái)了難題。正因如此，在本領(lǐng)域大多采用小數(shù)據(jù)-機(jī)理建模，無(wú)法邁向大數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)建模。

從微觀角度看，P（A）值受到工作中機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的誤差、安裝位置誤差、測(cè)量誤差等多方面因素影響（根據(jù)表1可知在1～10 m范圍內(nèi)的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計(jì)誤差遠(yuǎn)小于測(cè)量值，可忽略不計(jì)），在后續(xù)的模型中可根據(jù)更多的作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)影響范圍，進(jìn)一步修正該機(jī)理模型。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 包起帆.港口散貨全自動(dòng)裝卸設(shè)備的研究與開發(fā)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（5）：1-8.

[3] 潘泉洪，沈文忠.斗輪堆取料機(jī)取料流量控制方式的比較研究[J].自動(dòng)化儀表，2011，32（2）：40-42.

[4] 周昆.斗輪機(jī)取料效率制約因素分析與改進(jìn)措施[J].港口科技，2018（9）：36-40.

[5] 李響初，張微.基于PLC的礦山堆取料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].世界有色金屬，2017（18）：45-46.

[6] 金云英，和玉貴.淺談電子皮帶秤恒流量的精細(xì)化控制[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（5）：32-35.

[7] 黃波.基于PID的恒流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015（9）：86-87.

第一作者簡(jiǎn)介：高靜（1984-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)施、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理。