基于LiDAR技術的圓形堆取料機智能化控制系統研發與應用

林錫奎，白玉峰，江 永，褚孝國，孫新佳，孫曉剛，劉先春

基于LiDAR技術的圓形堆取料機智能化控制系統研發與應用

林錫奎1，白玉峰1，江 永1，褚孝國2，孫新佳2，孫曉剛2，劉先春2

（1.華能國際電力股份有限公司海門電廠，廣東 汕頭 515100；2.北京華能新銳控制技術有限公司，北京 102209）

針對煤場自動堆取實時性差、精度差、盤煤效率低等現狀，本文設計了一套多功能控制系統。該系統基于激光雷達（LiDAR）技術，實時獲取倉庫內燃料三維分布點云數據，并根據所獲取到的全場離散點云數據，通過Delaunay算法對點云數據進行三維模型重建，計算倉庫內燃料的存儲量；同時根據現場煤料分布的點云數據，分析和計算堆料、取料控制策略，控制圓形堆取料機自動執行操作。本文設計的控制系統，能夠滿足料場對燃料管理的需求，達到降本增效的目的。

激光掃描；LiDAR；三維重建；智能電廠；智能化；煤場；無人值守

目前，燃煤電廠燃料的堆取主要由斗輪機和圓形堆取料機進行堆取管理和操作[1]。大多數設備的控制方式主要分為純手動操作和半自動操作：在純手動操作下，大機（斗輪機和堆取料機）上的所有機構都通過手工啟停來完成操作，包括大機行走、懸臂的俯仰及回旋等[2-3]，純手動操作對操作人員的要求很高，需要有很豐富的操作經驗，對設備和現場環境有很好的了解，同時監測大機的各種數據，隨時調整相應的操作；在半自動操作模式下，也需要操作人員手動輸入堆取料的回轉邊界角度，每次執行完需重新輸入回轉邊界角度，數據完全由現場操作人員根據所觀察到的情況和經驗來判斷，誤差較大。隨著技術的不斷進步，出現了很多新的控制方案[4-5]。為了解決現場操作環境惡劣問題，實現遠程控制，可在集控室對現場機械設備進行控制，實現遠程手動堆取料。

隨著激光掃描技術的不斷發展和成熟，激光掃描儀在民用市場領域有了很多應用，比如利用激光掃描儀實現對現場的燃料進行盤煤管理[6-7]，統計燃料體積。此外，激光掃描儀在防碰撞方面也有很多應用。陳里[8]介紹了激光掃描儀在機械手臂防碰撞自動控制中的應用；王洪峰[9]闡述了城市道路汽車防碰撞系統障礙物識別算法及應用研究。激光掃描儀由于其高精度的數據，可以準確地獲取現場地形情況，控制系統可以根據高精度數據，通過分析、計算、決策下一步控制動作。

本文基于激光雷達探測技術，提出一套多功能控制系統。該系統可智能控制圓形堆取料機，實現自動堆料、自動取料、自動整形等操作，最終實現無人值守，達到降本增效的目的。

1 系統架構

為了提高對料場內燃料的堆料、取料、盤存等管理，本文所設計的圓形堆取料機遠程自動化控制系統主要實現自動掃描燃料堆場、自動堆料、自動取料、自動整形以及遠程手動控制等功能。該系統主要包括各類數據的檢測系統、網絡通信系統、數據庫系統、PLC控制系統、激光掃描系統、綜合信息處理系統、三維虛擬現實交互系統。系統結構如圖1所示。旋轉編碼器、傾角儀、超聲波料位計等現場監測裝置的信號全部接入PLC控制系統中，激光掃描儀和現場視頻監控攝像頭全部通過以太網絡接入機上交換機，機上交換機和集控室交換機通過光纖連接，實現集控室與現場網絡鏈路聯通，操作站的三維仿真監控平臺和綜合信息處理系統實現對現場數據的訪問和控制。

2 激光掃描系統

激光雷達采集到的物體信息呈現一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，這些點被稱為點云。通過高度激光掃描測量的方法，可大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，為建立物體的三維實體模型提供了一種全新的技術手段。激光雷達距離測量比較準確，誤差模型簡單，在除強光直射以外的環境中均能穩定運行，點云的處理也比較容易[10-11]。

圖1 系統網絡拓撲圖

為了獲取到煤倉內燃料堆存情況，可通過激光掃描系統對煤倉內堆存的燃料進行掃描。本文主要針對電廠內圓形堆取料場，設計和開發激光雷達掃描系統。圓形燃料倉庫常見于電廠內，不同于露天煤場，這種封閉圓形煤場不僅解決了露天煤場存在的問題，而且帶來了顯著的經濟和社會效益。圓形堆取料場如圖2所示。

圖2 圓形堆取料場

物料由堆取料機頂部進料，通過旋轉堆料機向煤場堆煤，由刮板取料機旋轉取料到煤場中心地下煤斗，并通過煤斗下的給煤機和輸煤皮帶機從底部出料。煤場內堆取料作業的運行原則為“先進先出”，這可以有效控制煤場的煤堆存放時間。取料機沿煤堆面俯仰、回轉取煤，能將煤場內的煤基本取凈，無死角余煤。煤場內中心柱下的固定煤斗供正常出煤時用，在煤場內另設1臺緊急煤斗，在取料機故障或維護期間，由推煤機作業，繼續向系統供煤。

圖3為本文設計的激光掃描系統激光掃描儀安裝示意。1臺高精度的激光掃描儀安裝在圓形堆取料機的堆料臂上，垂直向下掃描切面；在刮板中間位置處的兩側分別安裝2臺激光掃描儀，對刮板兩側旋轉過的區域進行掃描，獲取現場燃料分布的點云數據。再通過服務器端的數據采集程序對點云數據進行濾波、坐標轉換等處理寫入數據庫中。通過激光掃描系統，可以準確獲知倉內燃料分布情況，為PLC控制系統執行操作提供數據基礎。

圖3 激光掃描儀安裝示意

3 綜合信息處理系統

綜合信息處理系統主要任務是與PLC控制系統和激光掃描系統進行數據通訊，對相關的檢測點數據進行監測，通過邏輯判斷執行不同的任務。

1）激光掃描功能 綜合信息處理系統檢測圓形堆取料機堆料臂和取料臂的水平旋轉狀態。當堆料臂或取料臂進行水平旋轉的時候，啟動激光掃描程序對旋轉過的堆場進行激光掃描，并將點云數據處理后存儲到數據庫中。

2）防碰撞功能 在管板的兩側分別安裝2臺激光掃描儀，掃描方向與刮板平行。當刮板水平旋轉時，激光掃描儀對兩側進行掃描，獲取兩側的點云數據，同時計算兩側點云數據和刮板旋轉中心的連線與水平面的夾角。如果夾角大于刮板此時的俯仰角度，那么就存在刮板水平旋轉碰撞的風險。當存在碰撞風險時，立即報警，并控制刮板停止旋轉。

3）自動堆料功能 當上位機下發自動堆料操作時，綜合信息處理系統自動控制堆料臂旋轉到堆料起始區域開始堆料，系統檢測到堆料位置已達到堆料上限時，自動控制堆料臂向堆料終止位置旋轉一定角度繼續堆料，反復執行此操作直到堆料終止。

4）自動取料功能 當上位機下發自動取料操作時，綜合信息處理系統接收到下發的指令數據，并開始計算包括每層取料的起始角度和終止角度的取料策略（表1），將取料任務下發到PLC控制系統，同時監測每層取料的執行情況。圖4為分層取料模擬，其中，深色為取料區域，淺色為待取料區域。由圖4可見，隨著刮板俯仰角度下降，取料回轉角度越來越大。

表1 取料策略

Tab.1 The reclaiming strategy (°)

5）自動整形功能 為了提高取煤系統的上料效率，綜合信息處理系統包含自動整形計算功能，主要是為了將堆存好的煤堆進行整形，填補取料路徑中的空缺區域，減少取料時間，提升取煤系統的取料效率，降低成本。

6）三維重建系統 三維重建系統主要任務為基于激光掃描系統獲得現場燃料分布的離散點云圖（圖5），通過Delaunay算法計算三角網格，生成三維模型（圖6），同時可以計算料場內堆存燃料的體積，并將其展示在上位機三維顯示軟件里。料場的三維模型能夠直觀展示燃料現場的分布情況，以便用戶決定下一步堆取料操作。

圖5 離散點云圖

圖6 三維模型

4 PLC控制系統

PLC控制系統主要任務是監測現場各種監測設備的信號，包括獲得料位計信號，接受上位機下發的指令，并控制現場設備執行自動堆取料任務[12-13]。當執行自動堆料任務時，PLC控制堆料臂旋轉到起始堆料位置并開始堆料。當堆料臂前端檢測到此處已經達到堆料上限時，PLC自動控制堆料臂旋轉一定角度繼續執行堆料操作；當執行自動取料任務時，PLC控制系統首先控制取料臂抬升最大俯仰角度，水平旋轉到起始取料角度，向下俯仰至第1層取料俯仰角度處，開始進行刮料操作，同時向第1層取料終止角度方向旋轉，實現自動取料操作。

同時，PLC控制系統也提供遠程手動控制功能，操作員可在集控室通過上位機監控軟件實現對圓形堆取料機手動控制。

PLC控制系統負責采集設備上所有的傳感器數據，并監測數據的變化?？刂瞥绦蛐枳龊冒踩雷o，一旦某些監測點的數據變化超出范圍，PLC控制系統自動實現報警，并執行相應的動作，保證設備安全和生產安全。

5 三維仿真監控系統

三維仿真監控系統主要為用戶提供友好的、高效的三維仿真監控交互平臺。監控平臺實時采集PLC控制系統中監測的數據點，并在前端通過圖形、動畫、曲線、三維模擬等方式形象地向用戶展示現場設備的運行狀態和數據變化情況（圖7）。

圖7 監控軟件畫面

用戶可通過指令窗口向綜合信息處理系統和PLC控制系統下發指令，實現交互。圖8為堆取料任務畫面。用戶可通過畫面監測某些數據點在一段時間內的變化情況（圖9），通過數據曲線變換分析設備的運行狀態并不斷優化系統設計。

圖8 堆取料任務畫面

圖9 數據監測曲線畫面

6 結 語

本文基于LiDAR技術，設計實施一套圓形堆取料機智能化控制系統，通過LiDAR掃描技術實現煤場的自動堆料、自動取料、自動整形、自動盤煤等功能，滿足了電廠燃料管理人員對燃煤高效的管理需求。同時在上位機交互界面上，為用戶提供全過程的三維虛擬現實場景，更真實地模擬現場環境，反映各種監測設備的運行情況。

本文所設計的智能化控制系統目前在華能國際電力股份有限公司海門電廠進行設計調試，相關技術難點已取得突破，并實現了良好的控制效果。

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Development and application of intelligent control system in stacker-reclaimer with circular coal storage based on LiDAR technology

LIN Xikui1, BAI Yufeng1, JIANG Yong1, CHU Xiaoguo2, SUN Xinjia2, SUN Xiaogang2, LIU Xianchun2

(1. Haimen Power Plant, Huaneng Power International Inc., Shantou 515100, China; 2. Beijing Huaneng Xinrui Control Technology Co., Ltd., Beijing 102209, China)

To solve the problems occur in coal yard management, such as bad real time capabilities, low precision, and low efficient management of coal-yard volume, a novel multifunctional control system is designed in this paper. Based on the LiDAR technology, this system can scan the coal in the yard automatically to obtain field point cloud data and reconstruct three dimensional model through Delaunay algorithm according to the field point cloud data. Then, it calculates the coal volume automatically. Meanwhile, according to all the point-cloud data, it determines the strategy of stocking and reclaiming, and can control the machine to work following the orders. The proposed system can meet the demand of fuel management in coal yard and achieve the purpose of reducing cost and increasing efficiency.

laser scan, LiDAR, 3D restructure, smart power plant, intelligentialization, coal yard, unattended control

TP273

B

10.19666/j.rlfd.201906109

2019-06-05

林錫奎(1969—)，男，高級工程師，主要研究方向電氣控制及燃料管理，45700527@qq.com。

林錫奎, 白玉峰, 江永, 等. 基于LiDAR技術的圓形堆取料機智能化控制系統研發與應用[J]. 熱力發電, 2019, 48(9): 129-133. LIN Xikui, BAI Yufeng, JIANG Yong, et al. Development and application of intelligent control system in stacker-reclaimer with circular coal storage based on LiDAR technology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 129-133.

（責任編輯 劉永強）