基于模型自學(xué)習(xí)的智能斗輪堆取料機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

王曉斌

華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電分公司 鎮(zhèn)江 212413

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各行業(yè)對(duì)操作人員作業(yè)環(huán)境和環(huán)境保護(hù)的要求更高，同時(shí)企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)也要求企業(yè)提高信息化、自動(dòng)化水平，以減少勞動(dòng)力降低成本，提高作業(yè)效率。在這種需求背景下，對(duì)工作環(huán)境惡劣，存在危害人身健康甚至生命安全的設(shè)備，采用信息化、無(wú)人值守作業(yè)的要求日益突出。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的檢測(cè)方法更加多樣、精度更高，使生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化、設(shè)備的自動(dòng)化無(wú)人值守成為可能。

物料輸送行業(yè)近年來(lái)對(duì)堆場(chǎng)的信息化、無(wú)人化有迫切的需求，近期的新上堆場(chǎng)項(xiàng)目都對(duì)堆場(chǎng)設(shè)備的智能化、數(shù)字化提出更高要求，已建成的港口、電廠等也對(duì)堆場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)備有強(qiáng)烈的改造升級(jí)要求，基于堆取料機(jī)無(wú)人值守的數(shù)字化煤場(chǎng)系統(tǒng)具有很大的推廣基礎(chǔ)和市場(chǎng)前景。

1 目標(biāo)用途

本文所述項(xiàng)目可有效提升斗輪堆取料機(jī)（以下簡(jiǎn)稱堆取料機(jī)）的運(yùn)行可靠性、作業(yè)效率和改善人員作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)燃料的精確堆取。科學(xué)地調(diào)度煤場(chǎng)，降低燃料的熱值損耗，從而降低燃料的使用成本，具體用途為

1）可對(duì)三維煤場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)煤垛統(tǒng)一管控，通過(guò)先入先出的管理調(diào)度模式，減少燃煤的熱值損耗。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)的實(shí)時(shí)盤煤功能，方便相關(guān)人員實(shí)時(shí)了解煤場(chǎng)內(nèi)的燃煤信息，提高用戶的堆場(chǎng)自動(dòng)化程度和信息化水平，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中管理，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2）采用多種控制手段對(duì)堆取料機(jī)進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)堆取機(jī)操作的遠(yuǎn)程化和無(wú)人化，使得堆取料機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，流量平穩(wěn)，降低堆取料機(jī)故障率，從而提高堆取料機(jī)的作業(yè)效率。

3）堆場(chǎng)的智能無(wú)人化可以為用戶減少操作人員數(shù)量，降低堆取料機(jī)的操作難度，減輕人員工作強(qiáng)度，改善操作人員工作環(huán)境，有效保護(hù)人員的人身健康和安全。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)原理

2.1 主要子系統(tǒng)選用與介紹

1）大車行走精準(zhǔn)定位 采用編碼器定位和RFID 校準(zhǔn)。RFID 的標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，靠感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽Passive Tag），或是由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽Active Tag）。閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。RFID 位置校準(zhǔn)裝置包含1 個(gè)RFID 讀頭和多個(gè)RFID 載碼體，其中RFID 讀頭安裝于靠近行走編碼器的車輪處，RFID 載碼體沿軌道每10 m 安裝1 個(gè)，且配備專用的安裝底座及安裝支架。RFID 讀頭與機(jī)上PLC 間采用Modbus-Tcp 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。RFID 系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)高頻讀卡器（13.56 MHz 非微波射頻），讀卡距離為0 ～100 mm，支持多種工業(yè)協(xié)議與機(jī)上PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2）采用以流程算法預(yù)防為主、傳感器檢測(cè)為輔的技術(shù)手段，構(gòu)建完整的大機(jī)設(shè)備防碰撞系統(tǒng) 結(jié)合三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置防撞算法，流程控制上避免設(shè)備與煤堆碰撞，確保不經(jīng)常性因?yàn)榉雷惨饒?bào)警或故障，造成全自動(dòng)作業(yè)流程的暫停或中斷。利用激光雷達(dá)防撞傳感器，配置其預(yù)警區(qū)或報(bào)警區(qū)，當(dāng)障礙物出現(xiàn)在其預(yù)警區(qū)與報(bào)警區(qū)時(shí)，即給PLC 提供信號(hào)。利用機(jī)械防撞裝置及其傳感器，作為該防撞系統(tǒng)的最后一級(jí)防護(hù)，該防撞系統(tǒng)能夠有效地保障運(yùn)行安全。

3）堆型掃描系統(tǒng)與堆取料機(jī)PLC 之間通過(guò)用于過(guò)程控制的OLE（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）方式進(jìn)行穩(wěn)定的通訊。OPC 接口適用于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為數(shù)據(jù)的使用者(OPC 應(yīng)用程序)的HMI(硬件監(jiān)督接口)/SCADA(監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集)、批處理等自動(dòng)化程序，以至更上層的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等應(yīng)用程序，也適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接。OPC 為基于Windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁，從而使項(xiàng)目目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

4）采用激光掃描儀對(duì)煤垛進(jìn)行掃描 此掃描儀實(shí)際屬于激光測(cè)距儀，其一般采用脈沖法和相位法2 種方式來(lái)測(cè)量距離。測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)距儀接收，測(cè)距儀記錄激光往返的時(shí)間。光速和往返時(shí)間的乘積的一半為測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離。激光掃描儀掃描如圖1 所示。

圖1 激光掃描儀掃描圖

通過(guò)對(duì)堆取料機(jī)、網(wǎng)架、軌道和地面基礎(chǔ)進(jìn)行精準(zhǔn)建模，并賦予堆取料機(jī)模型三姿參數(shù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)的全景三維仿真，堆場(chǎng)三維仿真如圖2 所示。

圖2 堆場(chǎng)三維仿真圖

5）采用對(duì)懸臂回轉(zhuǎn)速度進(jìn)行PID 控制（控制目標(biāo)為目標(biāo)流量對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電流，反饋值為斗輪電流，控制對(duì)象為回轉(zhuǎn)速度）的方法實(shí)現(xiàn)料流穩(wěn)定。PID 控制器是最早出現(xiàn)的控制器類型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)控制器參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

如圖3 所示，數(shù)字煤場(chǎng)系統(tǒng)由煤場(chǎng)管理及調(diào)度和無(wú)人值守2 部分組成，其中煤場(chǎng)管理及調(diào)度由盤煤儀+管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用成熟不再展開描述。無(wú)人值守主要由檢測(cè)、算法、控制和保護(hù)子系統(tǒng)組成，其中算法和控制屬于核心技術(shù)，如何依靠PID 控制實(shí)恒流取料是其難點(diǎn)。分析斗輪電流和取料流量關(guān)系將斗輪電流作為給定值，后級(jí)皮帶秤的瞬時(shí)流量作為輸出值，算出偏差后轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)作為反饋值，進(jìn)一步改變輸出值，即取料瞬時(shí)流量。

圖3 數(shù)字煤場(chǎng)系統(tǒng)圖

為了實(shí)現(xiàn)恒流并穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確地響應(yīng)調(diào)節(jié)指令，根據(jù)計(jì)算公式及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐反復(fù)實(shí)驗(yàn)，選定比例系數(shù)0.3、積分系數(shù)1 s 和微分系數(shù)1 s?；剞D(zhuǎn)過(guò)程始末端采用補(bǔ)償手段，從而實(shí)現(xiàn)全取料過(guò)程的恒流控制。

1）信息交互技術(shù)

如圖4 所示，機(jī)上激光掃描儀、機(jī)上PLC、機(jī)上RFID、程控PLC 和上位服務(wù)器間均采用以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。其中機(jī)上激光掃描儀用激光雷達(dá)LD-LRS3611測(cè)量煤垛單個(gè)截面；機(jī)上PLC 通過(guò)編碼器、傾角傳感器等測(cè)量堆取料機(jī)當(dāng)前的回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度和行走位置3 姿數(shù)據(jù)，并通過(guò)ProFinet 協(xié)議與RFID 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而校驗(yàn)3 姿數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。上位服務(wù)器負(fù)責(zé)將煤垛測(cè)量系統(tǒng)掃描回的數(shù)據(jù)與機(jī)上PLC 測(cè)量回的3姿數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，加以快速有效的算法，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確更新上位服務(wù)器顯示的煤垛形狀。

圖4 信息交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定增強(qiáng)及異常處理方案

鑒于堆取料機(jī)與程控室之間有較長(zhǎng)的光電纜路由，為了確保整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定與流暢，其間采用單模光纖進(jìn)行通訊，盡量減少光纖跳線，采用光纖直接對(duì)熔，并且采用光信號(hào)中繼進(jìn)行信號(hào)加強(qiáng)。為防止由于帶寬問(wèn)題，造成信號(hào)傳輸質(zhì)量不佳，在選用千兆光纖發(fā)送器、高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，將控制網(wǎng)絡(luò)與圖像點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)物理隔離開，分別傳輸。

3）堆場(chǎng)全景仿真技術(shù)

項(xiàng)目單個(gè)條形煤場(chǎng)對(duì)應(yīng)1 臺(tái)堆取料機(jī)，單個(gè)煤場(chǎng)長(zhǎng)350 m，寬125 m，按照5 cm×5 cm 的精度采集一個(gè)點(diǎn)計(jì)算，堆場(chǎng)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)量近900 萬(wàn)個(gè)。激光掃描儀單次掃面采集數(shù)據(jù)點(diǎn)將近2 000 個(gè)。如何在保證堆場(chǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)又滿足本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求是系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。本項(xiàng)目通過(guò)OPC 對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行秒級(jí)采集，同時(shí)結(jié)合激光掃描儀的數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)煤場(chǎng)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行秒級(jí)更新。三維掃描全景呈現(xiàn)如圖5 所示。

圖5 三維掃描全景呈現(xiàn)圖

4）精準(zhǔn)定位技術(shù)

堆取料機(jī)三姿數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響了堆取料機(jī)全自動(dòng)的安全性與實(shí)用性。其中回轉(zhuǎn)角度由采用齒輪傳動(dòng)安裝形式的編碼器測(cè)得；俯仰角度由采用開式齒輪傳動(dòng)安裝形式的編碼器測(cè)得，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的可能性小。由于編碼器存在聯(lián)軸器松動(dòng)、校正開關(guān)誤動(dòng)作等不確定因素，為此在原有PLC 程序中增加機(jī)構(gòu)單位時(shí)間內(nèi)速度積分與單位時(shí)間內(nèi)位置變化量的比對(duì)程序，在編碼器故障或編碼器聯(lián)軸器松動(dòng)時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警提醒，通知相關(guān)人員維護(hù)。優(yōu)化原有校準(zhǔn)程序，實(shí)現(xiàn)小角度誤差自動(dòng)校準(zhǔn)、大角度誤差報(bào)警停機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)機(jī)制，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)為回轉(zhuǎn)、行走和俯仰機(jī)構(gòu)增加1 套相同的檢測(cè)裝置，進(jìn)行冗余測(cè)量，2 組數(shù)據(jù)互相進(jìn)行比對(duì)，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性。

5）基于斗輪電流與帶式輸送機(jī)流量關(guān)系自學(xué)習(xí)算法

本項(xiàng)目提出了一種斗輪電流與帶式輸送機(jī)流量關(guān)系自學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)取料方法，實(shí)現(xiàn)了不同煤種、不同工況的精準(zhǔn)取料，基本達(dá)到了小超調(diào)、流量穩(wěn)、誤差小和范圍廣的控制目標(biāo)。在電壓恒定（非變頻）的情況下，取料瞬時(shí)流量與斗輪電動(dòng)機(jī)電流正相關(guān)。在已知斗輪空載電流的情況下，先將堆取料機(jī)取料目標(biāo)流量轉(zhuǎn)化為目標(biāo)電流，再將取料目標(biāo)電流與取料實(shí)際電流進(jìn)行歸一化處理后，對(duì)懸臂回轉(zhuǎn)速度進(jìn)行PID 控制（控制目標(biāo)是目標(biāo)流量對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電流，反饋值是斗輪電流，控制對(duì)象是回轉(zhuǎn)速度）。通過(guò)算法匹配的方式，將取料實(shí)時(shí)流量與取料實(shí)時(shí)電流進(jìn)行配對(duì)，采用波動(dòng)均方根的計(jì)算方法，對(duì)取料流量的波動(dòng)性進(jìn)行量化，并且通過(guò)波動(dòng)標(biāo)志判斷算法為后續(xù)計(jì)算提供準(zhǔn)確及時(shí)的波動(dòng)標(biāo)志符。在波動(dòng)較小的時(shí)候，采用去舊存新、數(shù)據(jù)加權(quán)的方式，對(duì)取料瞬時(shí)流量與斗輪電動(dòng)機(jī)電流增量（電動(dòng)機(jī)電流與電動(dòng)機(jī)空載電流的差值）的比例系數(shù)進(jìn)行更新，完成斗輪電流與帶式輸送機(jī)流量關(guān)系的自學(xué)習(xí)。實(shí)際反復(fù)測(cè)量后得出，該算法最大超調(diào)量為10%，快速穩(wěn)定時(shí)間為3 s，穩(wěn)定誤差隨著自學(xué)習(xí)的進(jìn)行幾乎為零，流量波動(dòng)值控制在±3%以內(nèi)。斗輪電流與帶式輸送機(jī)流量關(guān)系自學(xué)習(xí)算法方框圖如圖6 所示。

圖6 斗輪電流與帶式輸送機(jī)流量關(guān)系自學(xué)習(xí)算法方框圖

6）全自動(dòng)取煤及自動(dòng)換層方案

通過(guò)模型自學(xué)習(xí)的PID 控制算法，在單次回轉(zhuǎn)取料過(guò)程中能夠確保取料料流的恒定。但由于取料月牙面及物料自然斜坡的存在，會(huì)導(dǎo)致在外邊界處，即使回轉(zhuǎn)滿速運(yùn)行，料流依然不夠設(shè)定值。為在這種工況下，仍能獲得足夠的流量，提高取料作業(yè)效率，本項(xiàng)目采用取料扇區(qū)回轉(zhuǎn)速度最大時(shí)間占比及其閾值，量化取料扇區(qū)外邊界取料流量小的程度，從而自動(dòng)設(shè)置取料行走步進(jìn)值。在步進(jìn)值達(dá)到限定值且取料扇區(qū)回轉(zhuǎn)速度最大時(shí)間占比仍超其閾值時(shí)，采用兩刀并一刀的取料作業(yè)工藝，即在單次回轉(zhuǎn)外邊界，取料深度不足設(shè)定值一半時(shí) ，即進(jìn)行進(jìn)刀（大車前進(jìn)）操作，保留外邊界部分物料，以便下次回轉(zhuǎn)至外邊界時(shí)，物料長(zhǎng)度能夠彌補(bǔ)物料深度的不足，保證料流恒定。

當(dāng)取料至單層的較前位置時(shí)，尤其是當(dāng)取到前一個(gè)工作面消失時(shí)，繼續(xù)往前取料時(shí)，取料深度逐漸下降，漸漸無(wú)法獲得足夠的取料量。于此工況下為確保安全、最大程度地保證效率，本項(xiàng)目采用兩層并一層的取料作業(yè)工藝，即在前方吃煤深度不足設(shè)定值一半時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行換層操作，將當(dāng)前層剩余物料留給下個(gè)取料作業(yè)面處理，既保證了當(dāng)前位置的作業(yè)效率，也避免了取料層過(guò)高導(dǎo)致煤堆坍塌。

3 項(xiàng)目實(shí)施效果

項(xiàng)目實(shí)施后恒流量運(yùn)行趨勢(shì)如圖7 所示，可以看出，目標(biāo)流量設(shè)置1 000 t/h，實(shí)際流量基本穩(wěn)定在目標(biāo)流量的±3%以內(nèi)?；剞D(zhuǎn)邊界的料流沖峰得到了優(yōu)化，消除了因流量峰值導(dǎo)致堵煤的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了料流穩(wěn)定目的，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖7 恒流量運(yùn)行趨勢(shì)圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目對(duì)基于取料流量模型自學(xué)習(xí)的高效精準(zhǔn)作業(yè)的斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究：1）提出1 種基于斗輪電流與帶式輸送機(jī)流量關(guān)系自學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)取料方法。2）提出1 種基于煤場(chǎng)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高效取料的方法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)對(duì)比得出，全自動(dòng)取料效率較機(jī)上手動(dòng)取料效率提高了12%。3）提出1 種基于新型定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的方法。研發(fā)了1 種具備自調(diào)節(jié)功能的俯仰編碼器精度優(yōu)化裝置。本裝置2 組壓縮彈簧調(diào)節(jié)部件可隨機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)調(diào)整編碼器回轉(zhuǎn)支座過(guò)緊或松弛度，保證角度測(cè)量過(guò)程中編碼器回轉(zhuǎn)支座始終處于合適的松緊狀態(tài)，解決了因?yàn)榫幋a器旋轉(zhuǎn)中心與懸臂俯仰鉸點(diǎn)中心不同軸導(dǎo)致角度變化不平滑的問(wèn)題，降低了安裝難度，減少了編碼器故障。該裝置通過(guò)大小開式齒輪的嚙合傳動(dòng)，有效的放大了俯仰角度變化量對(duì)應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)量，從而提高了俯仰角度的精度。將目標(biāo)位置與實(shí)時(shí)位置歸一化處理后，通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)）速度進(jìn)行PID 閉環(huán)控制（控制目標(biāo)是目標(biāo)位置，反饋值是當(dāng)前位置，控制對(duì)象是機(jī)構(gòu)速度），實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)定位。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目自主開發(fā)了智能化堆取料機(jī)及其系統(tǒng)。研制了適應(yīng)散料貨物數(shù)字化管理的智能堆取料機(jī)，研發(fā)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程通信嵌入式智能模塊，建立了堆取料機(jī)及其料場(chǎng)全流程智能化協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，構(gòu)建了基于全生命周期管理的物料輸送成套設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維可視化平臺(tái)。成功應(yīng)用于電力、石化等行業(yè)的多個(gè)項(xiàng)目。