煤場斗輪堆取料機無人值守功能研究

莫劍

摘要：現代經濟與技術的持續發展加快了智能管控一體化新型建設，智能管理逐漸被應用于火電廠設備系統管理工作中，發揮著多種功能優勢。本文基于輸煤系統的卸煤、儲煤、供煤作業流程，進行數字化煤場管理系統研究和斗輪堆取料機控制系統研究，在斗輪堆取料機上開發一套信息管理系統，通過三維建模，實現煤場的數據計量、統計及方案演算以及斗輪堆取料機全自動無人值守功能，以供參考。

關鍵詞：煤場；斗輪堆取料機；監控系統

隨著我國經濟的增長，電力系統改革的深入，再加上“廠網分開、競價上網” “市場煤、計劃電”等情況，火力發電企業必須面對市場競爭和煤電矛盾帶來的多重挑戰和機遇。對于當前火力發電企業而言，燃料管理水平會影響電廠的經濟效益，提升煤場科學管理水平和自動化作業程度、突破常規煤場管理與生產控制分離模式、形成智能管控一體化新型精益管控模式、降低燃料成本、持續開展運行優化是電廠的必然選擇。

一、無人值守國內外研究現狀和發展趨勢

（一）國外相關產品與技術發展的概況

由互聯網信息得知，在德國、荷蘭、挪威等西方發達國家的電廠和港口中的堆取料機已有實現無人化全自動運行的先例。在荷蘭鹿特丹港，由控制中心1人便可實現6臺堆取料機的7×24全天候無人操控，且作業效率不低于人工效率。同時，充分依托精確定位技術、聲吶技術和3D掃描技術，真正實現堆取料機的智能化作業。

（二）國內相關產品與技術現狀、國內已取得的成果

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智能化數字化煤場設備和系統，減少現場人員作業，實現安全本質，并通過優化軟件，提高燃煤儲運管理效率，降低運行成本。

華能營口熱電廠圓形煤場智能化管控系統經升級改造后，系統從2016年12月投運至今，運行穩定，實現了堆取料機全自動無人值守、燃料數字化管控及分析、煤場環境在線監測等功能，提升了煤場安全管理水平，提高了設備運行效率及安全性能，也降低了人力成本，為電廠節能降耗、提質增效提供了更有力的支撐。

（三）堆取料機全自動無人值守市場需求前景

第一，堆取料機全自動無人值守完成后，建設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管理功能，滿足煤場智能管控核心業務需求。第二，建立數字化煤場管理系統，實現煤場在線監測功能，實時監控煤場存儲信息，以數據、圖形、報表形式實時展現。第三，實現斗輪堆取料機全自動無人作業功能。

二、標準內容與預期目標

（一）研究內容

結合臺山電廠露天煤場封閉改造項目的設計規劃，研究3號斗輪堆取料機控制系統，開發一套信息管理系統，通過三維建模，實現煤場的數據計量、統計及方案演算等功能，并實現斗輪堆取料機全自動無人值守功能。第一，基于卸煤、儲煤、供煤作業流程的燃料管理系統數據鏈研究。第二，數字化煤場管理系統研究及應用。第三，斗輪堆取料機無人值守功能研究及應用。

（二）預期目標和成果

第一，開發一套適用于臺山電廠斗輪堆取料機遠程監控平臺及全自動控制應用操作系統，實現3號斗輪堆取料機全天候、全自動無人值守功能。第二，在全自動遠程監控功能下，3號斗輪堆取料機連續卸煤作業效率不低于3000t/h，連續取煤作業效率不低于1600t/h。第三，在全自動遠程監控功能下，3號斗輪堆取料機在就位、堆/取料作業過程均不發生輪斗碰撞煤堆、碰撞地面皮帶或其他設備設施、堆料煤流頂住懸臂皮帶或輪斗被埋等異常事件。

（三）創新點

第一，智能管控一體化平臺：利用基于.NET平臺與JAVA平臺技術相結合，實現一個平臺完成料場可視化管理、無人化作業管理與設備狀態監控。

第二，一種具有自學習能力的智能化精準取料方法：智能化系統能自主學習斗輪堆取料機的取料電流與取料流量的關系，實現多煤種、多工況的精準取料，基本實現小超調、流量穩、誤差小、適應強的控制目標設備。

第三，一種貨物三維位置信息數據庫的智能構建和基于數字孿生技術的高效取料方法。

第四，貨物裝卸順序和自動連續裝卸作業智能優化方法以及基于新型定位系統和控制算法實現全流程協同智能控制的方法。

（四）煤場堆取料機無人值班系統構成

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無人值班系統軟件。煤場堆取料機智能化控制系統在總結過去各發電廠煤場燃料智能管理系統及智能化煤場系統運營問題后，對系統中堆取料機存有的數據鏈不全面、操縱難以實現自動化、系統安全性不高、職工施工環境差等難題，開發的一套自動化技術、信息化管理服務平臺，是合理采用燃料智能管理系統及智能化煤場系統軟件的重要手段。所有的系統軟件都運用了前沿的激光掃描技術、高精密的編號以及精準定位技術，可以更好的在堆取料機操作過程中獲得煤場的三維點云數據，根據精準的三維建模技術詳細再現石料場的具體情況，融合后臺管理堆取料機智能化控制系統核對堆取料機空間坐標與石料場料堆三維數據，開展煤場堆取料的每日任務。在堆取料操作過程中，運用多方位的視頻監控系統技術、紅外監控技術、超聲波及雷達探測安全防護技術、三維防撞維護技術確保系統在自動化技術、無人操縱條件下的安全運營。上位機軟件可以實現實時同步堆取料機各運行狀況和設備感應器等主要參數及聲光報警目的，并健全各主要參數數據圖，及時監控各機器設備的通信情況。

（五）料位器檢驗及防撞裝置

現階段，取料臂上安裝有6個超聲波傳感器、2個豎直往下檢驗，用于檢驗取料深層，避免取料負載；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個料位器雷達探測，避免堆料高度超過設計方案，超過擋煤墻高度；堆料臂依程序流程設置、取料臂安全性交角2個主要參數明確堆料原始位。當達到互鎖標準時，堆料傳動帶按命令運行，開始堆料。當料堆高度實現設定的取料臂與原材料安全距離時，例如2m，堆料臂可以依規定向左或向右旋轉一個設定視角。

三、技術路線研究

臺山電廠燃料區域儲煤系統共配置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有高為20m的防風抑塵網。3號斗輪堆取料機所在煤場為5、6號煤場，項目主要內容包括以下內容：

（一）斗輪堆取料機狀態監控、定位系統建設

第一，斗輪堆取料機增加在線監測設備：主要包括各機構電機電流、溫度、減速箱及轉動部件的溫度及振動傳感器、監測物料堆取流量的傳感器等，提高斗輪堆取料機設備的實時監測和防護，為全自動控制系統提供可靠的設備狀態信息。

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

第三，RTK/INS組合系統：用于慣性導航，可以確保定位的準確性。

（二）視頻監控系統建設與完善

完善斗輪堆取料機現有的視頻監控系統，對斗輪堆取料機大車行走機構、主尾車皮帶、副尾車皮帶、懸臂皮帶、回轉平臺、輪斗機構進行無死角視頻監控。

（三）建立數字化煤場管理系統

實現煤場工況在線監測，并以數據、圖形、報表形式展現實際庫存情況。實時掃描數據進入數據服務器進行三維建模，如圖1所示，對煤場管理和無人堆取作業提供直觀可視化的功能指導，改善配煤作業中滯后數據對作業效率的影響。

（四）建立煤場斗輪堆取料機無人作業系統

利用三維動態激光掃描設備的圖像識別與分析技術提供關鍵作業參數，例如取料電流、取料流量、回轉角度等參數，對這些參數的關系進行自學習，并通過多重安全防護措施，在確定安全的前提下，精準控制目標設備的單機、整機遠程半自動及全自動作業模式，如圖2所示。

（五）融合系統數據鏈

實現煤場生產管理與斗輪堆取料機無人作業控制相關聯，滿足煤場智能管控核心業務需求，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平臺技術相結合，將“HMI”與“3D虛擬交互”相結合，把“料場三維可視化管理”“自動堆取料操控”與“單機作業信號監控”技術方案融為一體，實現一個平臺監控料場可視化管理、無人化作業管理與設備狀態監控，如圖4所示。

（七）建立全自動智能煤場管控系統

與運行及燃料管理、計量等相關信息系統及自動化監控系統進行業務與數據交互，為煤場管理方案制定及作業控制提供相關數據，如圖5所示。

（八）合理規劃建網絡通訊系統

滿足生產作業操控、系統數據交互、信息交換等需求，有效避免網絡堵塞及網絡風暴等風險，保障系統、穩定、可靠和安全，如圖6所示。

四、結語

綜上所述，斗輪堆取料機無人值守完成后，能建設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管理功能，滿足煤場智能管控核心業務需求。建立數字化煤場管理系統，實現煤場在線監測功能，可以實時監控煤場存儲信息，并以數據、圖形、報表形式實時展現，由此更好的實現斗輪堆取料機全自動無人作業功能。

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