陳永輝，吳永朋，沈炳華

（1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609；2.杭州集益科技有限公司，杭州 310012）

斗輪機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在燃煤發(fā)電廠的應(yīng)用

陳永輝1，吳永朋1，沈炳華2

（1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609；2.杭州集益科技有限公司，杭州 310012）

介紹了一種斗輪機(jī)遠(yuǎn)程全自動控制系統(tǒng)在燃煤電廠的應(yīng)用，該系統(tǒng)結(jié)合了GPS定位、激光流量實(shí)時檢測、激光三維測控、圖像監(jiān)控以及安全防范等技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了斗輪機(jī)遠(yuǎn)程全自動控制。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：通過全自動控制可大大提高斗輪機(jī)作業(yè)效率，降低工人勞動強(qiáng)度，提高煤場利用率，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。

斗輪機(jī)；遠(yuǎn)程；控制；激光流量檢測；GPS定位

目前燃煤電廠的堆取煤主要由斗輪機(jī)司機(jī)就地操作，司機(jī)工作環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大、易疲勞，難以避免堆煤時煤垛不規(guī)則、取煤時流量波動大等情況，如遇雨霧天氣和夜間作業(yè)則影響更大。通過GPS精確定位技術(shù)、三維測控技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合有效的控制策略，將斗輪機(jī)的就地操作改為遠(yuǎn)程全自動控制，可以有效避免上述問題，同時可大大提高勞動生產(chǎn)率。浙江省某沿海發(fā)電廠已將上述技術(shù)成功應(yīng)用于其煤場3號斗輪機(jī)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

斗輪機(jī)遠(yuǎn)程全自動控制系統(tǒng)主要由各類檢測裝置、安全防護(hù)、通信網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、工程師站、操作員站、系統(tǒng)服務(wù)器、集中監(jiān)控平臺、控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 檢測系統(tǒng)

在斗輪機(jī)的相關(guān)位置安裝了定位檢測、煤垛檢測、流量檢測、煤位檢測、行人檢測、堵煤檢測、圖像檢測、出入檢測裝置。其中：

圖1 斗輪機(jī)全自動控制系統(tǒng)

定位檢測：在斗輪機(jī)上安裝衛(wèi)星定位裝置，精確地獲取斗輪的空間三維坐標(biāo)和斗輪機(jī)懸臂的俯仰角度和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)。

實(shí)時流量監(jiān)測：安裝多套實(shí)時激光流量監(jiān)測系統(tǒng)，采用基于激光掃描的煤流探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)皮帶實(shí)時流量檢測。

行人檢測：大車前后配置多套障礙物檢測裝置，大車移動時檢測到障礙物或行人，即自動停止行走，待障礙物移除后自動繼續(xù)行走。

圖像檢測：通過圖像自動跟蹤斗輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行，便于實(shí)時觀察發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)主要是行人保護(hù)和設(shè)備保護(hù)，增加了1套斗輪機(jī)前進(jìn)、后退及懸臂回轉(zhuǎn)、俯仰限位和極限軟保護(hù)系統(tǒng)，該軟保護(hù)與原有斗輪機(jī)自帶的硬保護(hù)相互獨(dú)立，起到雙重保護(hù)作用；大車前后各配置4套障礙物檢測裝置，當(dāng)大車行走時，若檢測到障礙物或行人，將自動停止，障礙物移除后自動繼續(xù)行走；斗輪機(jī)懸臂兩側(cè)配置了懸臂防撞檢測裝置，在懸臂回轉(zhuǎn)過程中若檢測到障礙物體，自動停止；在斗輪機(jī)頭部安裝了煤垛高溫檢測裝置，取煤過程中若煤溫超限，系統(tǒng)自動報警或停止取煤。

2 控制原理

2.1 系統(tǒng)定位方法

針對斗輪機(jī)系統(tǒng)的定位，在國內(nèi)首次采用了GPS+北斗雙網(wǎng)融合定位技術(shù)，提高了系統(tǒng)可靠性。采用RTK衛(wèi)星定位技術(shù)，使定位精度能夠達(dá)到±30 mm，定位系統(tǒng)通過自動準(zhǔn)確獲取斗輪大車的位置、懸臂的回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度等數(shù)據(jù)后，可根據(jù)作業(yè)指令完成自動尋跡工作。

2.2 流量控制原理

斗輪機(jī)取煤過程如圖2所示。從圖中可以看出，斗輪機(jī)在取煤過程中的流量與斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)臂在某一層取煤時形成的2個環(huán)形有關(guān)，造成不同回轉(zhuǎn)角下的取煤深度以一定函數(shù)關(guān)系單調(diào)變化(回轉(zhuǎn)角越大，取煤深度越小)，取煤流量不僅與該取煤深度有關(guān)，還與取煤層高、回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)速度有關(guān)。

取煤流量f是單位時間內(nèi)的上煤重量；煤密度為ρ；取煤深度V是斗輪挖取下來的煤在沿斗輪運(yùn)動軌跡法線方向上的深度；取煤層高h(yuǎn)是分層取煤時每層設(shè)定的高度；回轉(zhuǎn)速度v是回轉(zhuǎn)臂末端的線速度，則：

圖2 斗輪機(jī)取煤示意

而V又與每次大車步進(jìn)長度L及懸臂回轉(zhuǎn)角θ有關(guān)，由于控制過程中步長很短，可將步進(jìn)過程中cosα視為1，則可推導(dǎo)出：

考慮到斗輪機(jī)現(xiàn)有的分層取煤工藝，設(shè)定恒定流量為f0，對于某一取煤層作業(yè)來說，ρ，h，L均固定，要保證取煤流量恒定，則回轉(zhuǎn)速度v就是θ的函數(shù)。在控制時只要根據(jù)當(dāng)前時刻的回轉(zhuǎn)角度，就可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度。理論上通過這種方式輸出一定的速度信號能夠?qū)⒚毫髁靠刂圃趂0。

2.3 流量反饋控制原理

在實(shí)際過程中由于其他因素的影響，例如取煤密度、深度和層高無法保持恒定，將導(dǎo)致實(shí)際過程中煤流量波動較大。因此將實(shí)際測量的煤流量作為反饋，通過調(diào)整斗輪取煤速度，則可以保證根據(jù)需要實(shí)時控制取煤流量。

系統(tǒng)采用了基于激光掃描的煤流探測技術(shù)，通過動態(tài)掃描皮帶運(yùn)行時煤截面積進(jìn)行積分，完成流量的實(shí)時測量。圖3中所示為流量檢測過程，可以計(jì)算初控制系統(tǒng)中的瞬時流量：

式中：k為常數(shù)；v為皮帶的運(yùn)行速度；S為皮帶運(yùn)行時煤截面積。

將實(shí)測流量和流量控制目標(biāo)作為控制偏差進(jìn)行PID計(jì)算，最終可完成取煤流量的實(shí)時控制。需要注意的是，實(shí)際控制邏輯中可根據(jù)煤垛坍塌、煤垛不規(guī)則、煤層厚度不均等特殊工況進(jìn)行PID控制參數(shù)的調(diào)整，以保證控制效果。

2.4 堆取煤控制原理

圖3 流量檢測

在自動堆煤模式下，斗輪機(jī)自動定位至堆煤起始位置，當(dāng)堆煤允許指令發(fā)出后，煤斗輪機(jī)自動啟動懸臂皮帶，開始堆煤，斗輪頭部的煤位檢測裝置檢測到一定值后，懸臂自動上升2°，持續(xù)上升直到煤堆達(dá)到設(shè)定值，斗輪機(jī)保持俯仰角度不變，懸臂自動向左回轉(zhuǎn)一定角度，再繼續(xù)堆至設(shè)定值，逐步向左回轉(zhuǎn)，直到該煤堆的左邊界，大車自動后退1個堆煤步長，同時懸臂右轉(zhuǎn)至堆煤右邊界，開始新的堆煤循環(huán)，直至堆煤完成。

在自動取煤模式下，斗輪機(jī)自動定位至取煤起始位置，當(dāng)取煤允許指令發(fā)出后，煤斗輪機(jī)自動啟動斗輪和懸臂皮帶，從軌道內(nèi)側(cè)向外側(cè)回轉(zhuǎn)取煤?；剞D(zhuǎn)速度控制是基于懸臂回轉(zhuǎn)角度，同時結(jié)合取煤量設(shè)定進(jìn)行閉環(huán)PID控制，保證取煤瞬時流量穩(wěn)定，當(dāng)回轉(zhuǎn)至取煤外角后，大車自動前進(jìn)1個步長（約700 mm），懸臂同時自動向軌道內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)，直到取煤內(nèi)角，然后大車自動前進(jìn)下1個步長，同時懸臂向外側(cè)回轉(zhuǎn)，依次循環(huán)取煤，直至取煤結(jié)束。

3 應(yīng)用效果

3號斗輪機(jī)遠(yuǎn)程全自動控制系統(tǒng)經(jīng)過連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，操作人員在煤控室通過上位機(jī)對斗輪機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程全自動操控，斗輪機(jī)就地實(shí)現(xiàn)無人值守。斗輪機(jī)自動工作模式有：全自動循跡定位、自動取煤、自動堆煤、自動分流。

斗輪機(jī)的遠(yuǎn)程全自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，大大提高了取煤效率，自動取煤時流量波動小，接近額定流量，平均流量比手動取煤高出24%以上。取煤工作每班可縮短約1 h，輸煤系統(tǒng)作業(yè)能力和效率明顯提升，節(jié)約電耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

手動堆取煤易造成缺角或超限現(xiàn)象，影響煤場的庫容和設(shè)備安全。自動堆取煤則完全沒有上述現(xiàn)象，大大提高了煤場庫容率和設(shè)備的安全性。

手動操作需要斗輪機(jī)司機(jī)在現(xiàn)場人工操作，而遠(yuǎn)程全自動控制系統(tǒng)投運(yùn)后，操作員在煤控室通過上位機(jī)發(fā)出斗輪機(jī)啟動命令后即可完成堆取煤任務(wù)，勞動強(qiáng)度大幅度減輕，工作環(huán)境大為改善。

4 結(jié)語

利用自動控制技術(shù)、激光三維掃描技術(shù)、GPS精確定位技術(shù)、圖像監(jiān)控技術(shù)、安全防范技術(shù)等手段，建立數(shù)字化堆場信息，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)由現(xiàn)場人工手動操作到遠(yuǎn)程全自動控制模式的轉(zhuǎn)變，不但降低人員勞動強(qiáng)度和維護(hù)成本，而且提高設(shè)備運(yùn)行可靠性和整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，從而實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)運(yùn)行操控由司機(jī)室到煤控室的轉(zhuǎn)變，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效益明顯。

在現(xiàn)有斗輪機(jī)全自動集中控制平臺基礎(chǔ)上，下一步的研究可結(jié)合輸煤程控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸煤程控與斗輪機(jī)聯(lián)動，達(dá)到斗輪機(jī)的操作完全與輸煤程控一體化。

[1]柳日勇.基于插值的高斯投影算法在煤場斗輪機(jī)GPS定位中的應(yīng)用[J].科技傳播，2014（11）∶111-112.

[2]羅春民，魏小剛，劉千波.基于精準(zhǔn)定位的散料場設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J].中國水運(yùn)，2013,13（12）∶134-136.

[3]顧奕華，張子才.散料場堆取料機(jī)防碰撞控制[J].冶金自動化，2010，34（1）∶6-9.

[4]王蒙，孫良環(huán).基于圖像分析的上煤流量自動控制系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].節(jié)能，2011（5）∶8-10.

[5]閆軍，周志霞.基于PLC的斗輪堆取料機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2009（1）∶42-44.

[6]莫劍.輸煤系統(tǒng)斗輪堆取料機(jī)電氣改造[J].華東電力，2001（7）∶47-48.

[7]雷斌.斗輪堆取料機(jī)單機(jī)全自動化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[8]李建君，于洪濤，薛士龍.新型斗輪堆取料機(jī)自動作業(yè)控制系統(tǒng)研究[G]//第12屆全國測控、計(jì)量、儀器儀表學(xué)術(shù)年會論文集.

（本文編輯：徐 晗）

Application of Remote Control System of Bucket Wheel Machine in Coal-fired Power Plant

CHEN Yonghui1，WU Yongpeng1，SHEN Binhua2

（1.Zhejiang Zheneng Yueqing Power Generation Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325609，China；2.Hangzhou Jiyi Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

This paper introduces the application of a full-automatic remote control system of bucket wheel in coal-fired power plant.The control system integrates GPS positioning，laser-based real-time flow detection, three-dimensional laser measurement，image monitoring and safety precautions，enabling full-automatic remote control of bucket wheel machine.The real operation shows that the full-automatic control can improve the operation efficiency of bucket wheel machine，lower the labor intensity of workers，enhance the utilization of coal yard and the operation safety of equipment，bringing remarkable economic returns to power plants.

bucket wheel machine；remote；control；laser-based real-time flow detection；GPS positioning

TK39

B

1007-1881（2016）08-0053-03

2016-04-25

陳永輝（1966），男，高級工程師，長期從事發(fā)電廠技術(shù)及管理工作。