关于圆形堆取料机无人值守系统的关键技术研究

李亚东

（华电莱州发电有限公司，山东 莱州 261400）

华电莱州发电有限公司（以下简称：莱州公司）圆形堆取料机是结构复杂的大型设备，操作规程及安全注意事项多，为解决堆取料机运行过程中遇到的取料效率受操作人员水平限制、工作环境恶劣影响人身健康、作业过程煤场信息化程度低等难题，莱州公司圆形煤场堆取料机的智能管控和远程运维为目标，开展系列科研攻关和应用研究，在具有自学习能力的智能化精准取料方法、煤场三维位置信息数据库的智能构建、基于数字孪生技术的高效取料方法、堆取顺序和自动连续作业智能优化方法、基于新型定位系统和控制算法实现全流程协同智能控制方法等关键核心技术上，取得重要突破，实现了1#、2#圆形堆取料机的无人值守作业功能。

1 运行现状及必要性分析

莱州公司堆取料机以堆取全手动、堆料半自动取料手动，堆取全部半自动三种方式，智能化尝试很少。为实现料场管理、设备管理、装卸输送系统一体化的智能料场堆取料系统，提高所有设备的自动化和智能化水平，全自动无人化作业，提高堆取料作业效率，改善劳动环境和降低劳动强度，势在必行。

目前，在煤场内堆取料机操作绝大多数仍然在采用人工就地或远程手动操作方式完成堆取料操作，这种操作方式自动化程度低、设备可管理性较低，严重影响料场数据的准确性。同时，堆取料司机劳动强度大，作业效率根据司机的疲劳程度、操作水平起伏较大，遇到新手往往就会造成作业效率较低，甚至会引发事故。

2 关键技术研究

2.1 圆形煤场及堆取料机的矢量三维建模

对整个料场包括附属建筑物和圆形堆取料机进行三维建模，通过安装在堆取料机上的三套激光扫描设备，结合CPU控制单元、各机构编码器、RFID设备以及数据通讯设备等，实现多种数据的实时采集、高速计算、数据交换与融合，实时感知设备在堆、取料运行过程中设备姿态的变化和料堆形状的变化。这套系统可以获取料堆表面数据信息、绘制料堆三维图形，查看料堆任一点的高度、剖面图、计算料场储料量；同时，可以比较确定堆取料机与料堆的相对关系，为设备作业提供依据。数据交换主要是建立激光测量系统数据与料场自动化系统及设备本身交换共享的平台，交换共享的数据包含：料堆表面高程数据、煤种信息、三维图形数据、体积数据、调度指令等。

图1 料场模型与信息数据库

2.2 圆形堆取料机的三维高精度定位

圆形堆取料机的高精度定位通过RFID技术实现。无线射频识别（RFID=无线射频识别）以其坚固抗化学腐蚀的载体在恶劣的工业环境显现其优势。与一维或二维条码技术相比，RFID无线射频技术可以录入数据，这一功能更加突显了其产品优势。RFID无线射频系统包括连接上层总线的识别控制器以及读写头和载体。读写头，控制器以及总线接口集成到一起的设备被称为读写工作站，设备防护等级达到IP67，适用于恶劣的封闭煤场工业环境。

射频标签具有固定数据或含有与过程有关的可读写数据，这些数据通过读/写头采集，读/写头与控制器连接，将数据发送到上层总线系统。对于读写距离较近的场合，RFID识别系统可使用的频率范围有125kHz、250kHz和13.56MHz，本项目通信频率为250kHz。

2.3 圆形堆取料机的防撞保护

防撞系统是实现圆形煤场智能化无人值守的关键技术之一。料场设备多，存在各种碰撞的可能，主要可以分为三类：（1）共轨双机防撞；（2）相邻轨道大机防撞；（3）大机与地面设施防撞。为了保证绝对的安全，我们采用多种安全措施来保证设备和人员的安全。对于圆形煤场，主要是防止取料刮板与煤堆防撞，防止取料门架与堆料悬臂防撞。通过刮板两侧的新型弹性防撞检测开关，实现防止刮板机与煤堆的碰撞。通过RFID高精度定位，实时获取取料门架与堆料悬臂的回转角度，并通过相应的防撞程序算法处理，实现两者的防撞保护。

图2 新型弹性防撞检测开关

2.4 智能控制系统与全自动作业算法

要实现智能化无人堆、取料功能，需确定严格的无人化堆、取作业工艺，根据作业工艺编写相应检测、控制和保护程序。根据多年的项目经验，并且与不同堆场的有丰富工作经验的堆取料机司机交流，经过总结，本项目堆料机、取料机的堆取料工艺都会给出多种控制工艺供选择。根据不同的实际工况，实现多种模式的自动堆取料工艺由司机选择，每种模式下的自动运行都可以实现稳定的恒料流取料，提高整个堆场的作业效率，降低设备无效运行时间，延长堆取料机的使用寿命。

实现设备运行无人化，在程控室设置远程监控台，所有监控与应急操作在程控室实现，实现堆取料机机上无人运行，减少操作人员数量，减轻人员工作强度，避免操作人员进入环境恶劣的封闭煤场，有效提高操作人员的人身健康与人身安全。

本项目RCMS系统，精准记录设备操作运行信息，启停命令发出时间与位置信息，实现设备的精确管理，提高用户的堆场自动化程度和信息化水平。

图3 RCMS监控画面

该系统通过合理分配各级的管理和操控权限，实现在程序控制模式下的自动化运行和精确化作业。结合智能煤场管理系统的强大功能，为电厂配煤掺烧提供精确有效数据，提升生产效率，实现节能降耗。

3 项目实施收益

本研究成果已经成功应用于莱州公司2台1000MW机组，效果良好。2019年莱州电厂一期圆形煤场堆取料机智能化无人值守系统投用，截至2020年12月，智能化无人值守系统运行稳定，减员增效，一人监控2台堆取料机，平均取料效率提高约18%，提高了设备运行安全性与稳定性，有效改善了司机的安全生产水平和工作环境。通过对莱州公司圆形煤场堆取料机智能化无人值守系统的研发，为今后各电厂燃料系统提供了经验借鉴。可在集团所属燃煤电厂燃料系统中推广应用，具有很大的推广应用价值。