斗轮机自动化定位系统关键技术研究.pdf

2023.7 下 EPEM 273电力装备Electric Equipment斗轮机自动化定位系统关键技术研究华能威海发电有限责任公司 史本天 王 铂 于庆伟 常 越 四川能为环保科技有限公司 李 剑摘要：基于火电厂燃煤供应市场现状与煤场智能化发展需求，燃煤的自动化精确掺配成了提高电厂市场竞争力的关键。而斗轮机作为一种对燃煤散料进行装卸、堆取的重要设备，其自动化运行不仅可提高生产效率，还可保证燃煤堆取料过程的精确性。本文针对斗轮机于煤场的自动化燃煤分层堆叠掺配方式，提出采用UWB和编码器两种定位方式，互为冗余，同时辅以RFID定位校正装置，以实现斗轮机行走、悬臂回转、悬臂仰俯过程的精确定位。关键词：火电厂；斗轮机；定位系统；燃煤掺配斗轮机是一种对散料进行连续性装卸、堆取的重要输送设备，被广泛应用于电厂、码头、港口、矿场等领域。斗轮机在初期使用中主要以手动操作为主，该操作精度低，人员劳动强度大，且粉尘环境对操作人员的身体健康有一定影响，现阶段随着科学技术的飞速发展，斗轮机通过结合监测远传、信息处理、三维成像、自动化控制等技术1-2，实现了自动化运行，具备了在堆取料过程中的自动寻址、定位、追踪、监视等功能，保证了斗轮机高效、安全运行，解决了原始手动操作精度低的问题。而实现斗轮机自动化控制的基础需保证斗轮机大车和悬臂在煤场内精确定位，以相适应的计算出大车行走方向、行走速率、行走时间、悬臂回转速率和仰俯角度等重要参数，保证斗轮机在堆料和取料过程中的精确可靠运行，为斗轮机自动化控制提供技术保障。目前，燃煤电厂为解决露天煤场扬尘污染的问题，多采取了煤场封闭改造，使得斗轮机在封闭煤场内运行，斗轮机无线定位装置也在封闭煤场中完成信号收发，并联锁斗轮机作业，但因无线定位装置易受封闭煤场内的建筑物干扰，造成信号出现偏差，导致定位精度降低，影响斗轮机各运行动作的精确度，鉴于斗轮机被用作燃煤掺配的重要设备，其精确运行决定着燃煤掺配的均匀性，影响着发电成本和锅炉设备的安全，因此定位设备的冗余设置和定位校正成了保证斗轮机精确运行的关键。1 定位方式的选择1.1 现有定位方式燃煤电厂中煤场的动态数字化管理是科技发展的必然趋势，斗轮机自动化运行是煤场数字化管理的核心技术，而斗轮机定位决定着其自动化运行的精确性，目前斗轮机定位方式包含有人工确认、GPS 无线定位、编码器装置、行走限位开关、UWB 无线定位、激光位移传感、RFID 等，具体功能原理如下。一是人工确认：人工确认主要针对斗轮机手动运行方式，其利用人眼确定斗轮机大车和悬臂的位置，该方式对操作人员的要求高，且受人为因素影响较大，精度差、效率低，无法适应智能化发展需求。二是 GPS/UWB 无线定位：无线定位技术是通过设备上的信号接收天线确定设备的空间定位信息，而后通过模拟函数、逻辑算法将设备空间位置转换为以煤场为基础的斗轮机位置参数，进而确定斗轮机位置。其中，GPS 定位设备在空旷的地方反应灵敏精度高，若在封闭煤场空间中，信号易受到墙体阻隔或反射无法进入煤场，影响定位精度；而 UWB定位技术则适于在室内使用，其一般精度为10cm，最高精度可达5cm 以内。三是编码器装置：编码器是一种将设备运行的角位移或直线位移转换成电信号的装置，该方法技术成熟，可实现长量程的直线位移检测，但对于煤274 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment场恶劣环境需进行较高的保护，且在斗轮机车轮打滑时难以克服滑差，影响测量精度。四是行走限位开关：行走限位开关是将限位开关装置预先设置于指定位置，当斗轮机运行至指定位置后则限位开关完成触点动作，实现电路切换，该技术属于点定位，对连续性位置精测存在盲区，无法满足斗轮机由起始位置行走至堆料位置的定位要求。五是激光位移传感：激光位移传感是利用激光技术对斗轮机的运行位移、距离进行测量，该测量方式在运行路径不平的条件下会因斗轮机抖动使反光板靶位不准，降低位置检测精度，针对煤场煤块散落环境以及斗轮机自身运行震动情况，该技术无法进行斗轮机定位使用。六是 RFID：无线射频识别技术是通过无线电信号对设置在指定位置的定位标签进行识别，并读写储存在标签内的绝对位置坐标数据，其可完成快速扫描识别，具有较强的抗污染能力和耐久性，可适应恶劣的煤场环境，是斗轮机辅助定位的优选。1.2 定位方式的确定基于上述定位技术的研究，考虑到斗轮机本身具有的设备大、运动惯性强、振动大、设备启停硬性的特征，某种单一定位方式无法完全满足斗轮机行走、悬臂回转与仰俯位置的精确定位要求，因此采用适于室内定位的 UWB 无线定位技术、绝对值编码器和RFID 等多种技术的结合、互为冗余，构成斗轮机定位系统，以同时保证斗轮机大车由起始点行走至目标堆料点和斗轮机悬臂仰俯与回转运行作业过程的精确性。2 定位系统构架 以斗轮机自动化运行和煤场数字化管理为中心，立足于斗轮机运行路径，综合定位测量、定位校正、信息处理、逻辑计算等技术，建立斗轮机大车行走、悬臂回转与仰俯的全流程、全周期位置监控系统，全面采集斗轮机大车和悬臂的三维坐标位置参数。该系统通过结合现场层、管控层和应用层实现斗轮机的精确定位，其中现场层由斗轮机悬臂两侧的激光扫描仪、UWB 定位基站与标签、编码器和 RFID读写器与定位标签等装置组成，是煤场监测和斗轮机定位的关键；管控层主要完成现场设备的信息采集、数据处理转换和指令下发，实现斗轮机运行的控制；应用层是对现场采集的数据进行多维图表展示，为运行人员提供直观的分析数据。其中，现场设备运行和状态数据具有可追溯性，以便于优化设备运行指令或为后期的监测点完备提供依据。3 斗轮机自动定位流程斗轮机自动定位系统主要是通过激光扫描仪，对燃煤料堆的表面进行扫描并获取点云数据，形成料堆三维图像，而后控制系统根据料堆情况、煤场分区情况确定燃煤堆料位置，同时计算出包含有斗轮机运行起始时间、终止时间、起始点坐标、终止点坐标、燃煤堆料/取料厚度等参数的指令，并通过输煤程控系统将指令下发至斗轮机，斗轮机根据运行指令自动进行大车行走、悬臂回转、悬臂仰俯操作，以完成燃煤堆料/取料动作，进而完成燃煤掺配流程。但燃煤掺配的均匀性和精确性需由斗轮机行走距离与方向、悬臂回转速率与角度和悬臂仰俯高度等定位的准确性决定，因此斗轮机自动定位系统成了保证斗轮机安全运行和燃煤掺配均匀性的关键，为对斗轮机自动定位系统进行合理改造，现将该系统划分为扫描成像、行走定位、悬臂回转、悬臂仰俯流程，其装置连接如图1所示。各流程实现有益效果如下。1-激光扫描仪；2-UWB 定位标签；3-UWB 定位基站；4-行走编码器；5-射频电子标签；6-RFID 读写器；7-回转编码器；8-仰俯编码器图1 斗轮机定位系统装置连接示意图3.1 扫描成像流程扫描成像流程通过实现燃煤料堆三维图像的可视化，为斗轮机自动化运行提供数据基础。该流程主要是利用激光扫描仪对煤场内的料堆进行连续扫描测距，因该扫描设备设置于斗轮机悬臂两侧，可实现扫描仪随斗轮机的运动而运动，进而实现对燃煤料堆进行全面扫描，以最终获取较为全面的料堆的三维形状散点数据，但该散点数据是以扫描设备为基础的，需进行转换，且扫描过程易受到斗轮机运行振动、料堆表面不平整、测量点多等因素影响，造成失真，因此需对该散点数据进行处理、去噪、坐标转化等操作，以获得以煤场坐标系为基础的各点坐标值，经坐标转换后的数据通过网格化和插值处理形成三维点云数据，并形成燃煤料堆的三维仿真图。该过程保证了2023.7 下 EPEM 275电力装备Electric Equipment燃煤料堆数据采集的全面性和真实性，且通过数据转化处理技术获取了较为有效的原始数据，为后期斗轮机的运行参数的确定提供了基础数据。3.2 行走定位流程行走定位流程是通过 UWB 无线定位装置和编码器装置双定位，互为冗余，同时利用 RFID 无线射频装置作为校正，以保证斗轮机大车精确行走至指定堆料位置或指定取料点。其中，UWB 定位是通过安装于煤棚顶部的定位基站，接收设置于斗轮机上的定位标签发射的超宽带信号，信号完成接收后经由网络传输将斗轮机的定位信息数据发送至服务器，进而确定斗轮机于煤场的相对位置；编码器定位是利用安装于斗轮机行走轮上的绝对值编码器实时采集斗轮机行走位移数据，并将数据传输至控制系统，以完成斗轮机大车的定位。上述两种冗余配置的定位装置，以 UWB 定位方式作为主定位，以编码器定位方式作为辅助定位，当主定位模件发生故障，系统自动以无扰方式快速切换至与其冗余的编码器定位方式，并在操作员站报警；当主定位模件修复并插入系统后，系统则自动对辅助定位的数据进行状态拷贝并使其处于冗余运行方式。因 UWB 定位技术易受无线通信技术的多径效应、非视距传输等因素影响，降低其定位精度，编码器定位技术又无法解决斗轮机滑轮误差问题，故而采用 RFID 技术在斗轮机运行轨道上均匀布置储存有绝对位置坐标数据的射频电子标签，同时在斗轮机大车底部安装读写器，以确保斗轮机行走至电子标签处自动识别并接收其发射信号，实现对大车位置的校正，保证斗轮机行走过程中的安全精确性。3.3 悬臂回转定位流程悬臂回转定位流程是通过回转编码器对悬臂的回转位移和回转角度进行实时采集，并将数据传输至控制系统，完成悬臂回转流程的定位，其中为防止出现丢转现象，避免造成斗轮机悬臂回转数据偏差过大的问题，将编码器安装于相应齿轮的副齿轮上。鉴于燃煤在指定位置、指定堆积面积的条件下进行分层堆叠掺配，斗轮机悬臂需进行频繁的左右回转来完成燃煤的堆积，其中回转速率的快慢决定着单位堆积面积的燃煤下落量，进一步决定着燃煤在单位堆积面积中的堆料厚度，因此悬臂回转定位的精确性是保证燃煤料堆表面平整，掺配均匀的关键。但皮带输送来的燃煤流量存在波动，现通过在旋转机构增设变频系统，以保证悬臂的回转速率与燃煤瞬时流量相适应，进而保证燃煤料堆后的均匀性。3.4 悬臂仰俯定位流程悬臂仰俯定位流程是通过仰俯编码器对悬臂的仰俯角度进行实时采集，并将数据传输至控制系统，完成悬臂仰俯流程的定位，该设备设置与悬臂回转相同，设置于相应齿轮的副齿轮上。其仰俯角度与燃煤的堆料厚度有关，当斗轮机完成某一水平横截面的燃煤堆料后，需上仰一定距离进行下一水平截面的堆料，若仰俯程度小，则在进行左右回转时易与煤堆发生碰撞危险；若仰俯程度大，则悬臂距离堆料位置远，燃煤下落时扬尘大，影响煤场内部分设备的运行，因此悬臂的仰俯定位需得到精确保证。3.5 软件控制流程软件控制是完成斗轮机自动化定位的关键，其功能为接收现场采集到的燃煤料堆三维点云数据、斗轮机大车和悬臂的位置信息，依据模型算法完成对数据的处理、去噪、转化与传输，建立煤堆三维图像，记录斗轮机运行参数，结合煤场内煤堆三维坐标、预堆料位置信息、煤场内其他人员或设备信息，制定斗轮机运行路线和参数，通过控制系统向斗轮机执行机构下发作业指令，以控制斗轮机的精确性、自动化作业。该作业状态可实时反馈至控制系统，实现了斗轮机自动定位的全周期、全流程可视化，同时设备运行故障时可远程急停或自动联锁急停，保证斗轮机运行安全的基础上实现精确定位。综上，燃煤电厂实现煤场数字化是发展的必然趋势，而煤场数字化的实现旨在完成斗轮机及煤场其他设备的自动化运行，斗轮机自动化运行改造的关键又取决于斗轮机的精确定位。鉴于燃煤掺配现状，依据“3D 打印”式分层堆叠方法，通过设置扫描装置完成燃煤料堆的扫描与成像，为斗轮机堆取料提供基础参数，而后采用 UWB 与编码器双定位装置，互为冗余，并辅以 RFID 校正装置对斗轮机行走、回转、仰俯动作进行定位监测，以保证斗轮机运行的精确性；同时增设回转变频装置，保证回转速率与燃煤瞬时流量相适应，以降低燃煤堆料过程中料堆表面的波峰与波谷，进而保证燃煤掺配的均匀性。参考文献1王纪纲,唐士奇,等.封闭煤场智能燃料管控系统设计研究 J.自动化应用,2021,11.2 徐万鑫.臂式斗轮堆取料机关键技术现状探讨J.矿山机械,2020,12.