1、2023 年 32 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application斗轮机边缘取料恒流量控制研究高静，王海群，刘健（国能数智科技开发（北京）有限公司，北京 100011）国内已建成或规划建设中的火电厂智慧煤场，在充分考虑操作员工作环境的前提下，大多数都采用堆取料无人值守控制系统实现对斗轮机的自动堆取料作业控制1。其基本原理是通过激光探测物料面变化，不断调整斗轮取料机的行走、回转、俯仰等动作，从而实现远程全自动化作业2。目前，在水平回转范围内的恒流量控制相对较为成熟3，而问题集中在料堆边缘取料流量的稳定性4。恒流量控制有直接法和间接法 2 种主要
2、手段，直接法是通过悬挂在输煤皮带上方的流量计监测输煤皮带中的流量，但这种方式存在较长时间的滞后性，发现断流时已经没有时间对问题进行调整5-6；另一种是在控制端通过斗轮机水平转动电流来间接监测流量，更进一步地可以利用PID 控制来实现斗轮机回转速度的控制7，此种方式可精准地实现对回转速度的控制，但在回转到料堆边缘时的判断仍会出现断流的现象。本研究提出基于精准回转取料边缘检测的方法，采用在斗轮两侧安装 2 个激光雷达，在取料作业中实时对料堆表面进行测距，结合数据建模及算法提高左右回转至料堆边界的到边检测精准度。1机理建模方案方案设计中考虑扫描方式设计、激光雷达设备选型、数字建模和算法设计等 4 个
3、步骤。逻辑上这 4 个步骤不是线性关系，而是在研究过程中反复摸索修正得到的最终结论。1.1安装位置尧扫描方式设计激光测距雷达安装位置如图 1 所示。由于安装位置位于都轮左右两侧，尽量与斗轮旋转轴心平行相对，便于后续数学建模。如图 2 所示，将激光扫描面设定为与斗轮取料旋第一作者简介：高静（1984-），女，硕士，工程师。研究方向为自动化控制系统的实施、产品设计和项目管理。摘要：在火电厂条型料场取料作业中，恒流量取料作业是精准配煤掺烧的前提条件。在实际作业中，斗轮机在左右两侧到边时容易发生流量减小、断流的情况。该文依托某火电厂堆取料无人值守系统的技术改造项目，通过在斗轮两侧加装激光雷达的方式进行
4、激光测距，对设备进行数字化分析并建模，结合实际工况统计个性化统计学参数，结合客观技术参数，运用机理建模原理研究设计一套与控制系统对接的算法，通过对流量曲线的对比分析，解决到边取料流量降低甚至断流的问题，提高恒流量取料的效率。关键词：斗轮机取料；机理建模；工况统计学参数；控制点分析；效果评估中图分类号院TH246文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0058-04Abstract:In the reclaiming operation of strip yard in thermal power plant,constant flow reclaiming operatio
5、n is a prerequisitefor accurate coal blending.In the actual operation,the bucket turbine is easy to reduce and cut off when it is on the left and rightsides to the edge.In this paper,relying on the technical transformation project of the unmanned system of stacking and reclaimingin a thermal power p
6、lant,laser ranging is carried out by installing lidar on both sides of the bucket wheel,the equipment isdigitally analyzed and modeled,and the individual statistical parameters are counted according to the actual working conditions.Combined with the objective technical parameters,a set of algorithm
7、for docking with the control system is designed by using theprinciple of mechanism modeling,and through the comparative analysis of the flow curve.The problem of reducing or even cuttingoff the material flow at the edge of the material is solved,and the efficiency of constant flow material extractio
8、n is improved.Keywords:bucket wheel pick-up;mechanism modeling;working condition statistical parameters;control point analysis;effectevaluationDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.01558-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期转面垂直，即在取料作业中，激光束形成的扫描面与斗轮悬臂立面垂直。安装时，需保证激光雷达扫描扇面的角平分线到料堆表
9、面的距离最短。针对料场堆料工艺，此种安装方式的设计可保证斗轮两侧的激光雷达无论以何种角度照射到煤堆表面，扇面在料堆表面所形成的直线与有效测距角两侧直线可形成近似等腰三角形，如图 2 阴影区域所示。图 1激光雷达安装位置实物图图 2激光扫描面设定示意图1.2设备选择为尽量减少激光雷达本身带来的检测误差，经计算需满足扫描频率小于等于 25 Hz，扫描分辨率小于等于 0.25毅。故本方案采用 SICK 的 2D LiDAR LMS511PRO 型号激光雷达，其激光核心参数见表 1（只列举已选取的工况数据）。表 1 激光扫描设备核心参数1.3数字建模分析数字建模阶段主要确定有效激光扫描范围，并为后续的
10、到边检测算法提供理论支持。如图 3 所示，计算确定激光扫描有效角度 琢。经研究，方案中将测量高度 b 的垂线作为 琢 的角平分线可满足实际测量需要，即在左右两侧保留相同的 琢/2 为有效扫描角度。斗轮机作业机械参数见表 2。通过测量可以得到雷达安装位置距离斗轮旋转面垂直距离 a，雷达安装位置距斗轮下沿（斗轮与煤面接触位置）的垂直距离 b，易得琢=2arctanab，（1）经测量，a=3.92 m，b=4.86 m（推荐安装位置 b=r），计算可得 琢=2伊38.89毅=77.78毅。图 3激光扫描安装数字建模表 2斗轮机作业机械参数如图 4 所示，结合激光扫描仪内部对激光束的角度定义可知，有效
11、测量范围应为95毅-琢/2，95毅+琢/2。（2）代入数值可得研究对象的有效测量范围为56.11毅，133.89毅。图 4有效扫描区域计算数字建模计算当悬臂俯仰角度为 0毅时，水平每回转 1毅，斗轮远端近似直线位移为参数名 值 光源 红外线（905 nm，10 nm）开启角度 190 角度分辨率 0.25 扫描频率 25 Hz 工作区域 0.280 m 响应时间 10 ms 系统误差 25 mm(110 m)统计误差 6 mm(110 m)参数名 值 悬臂最小回转角速度 0.04 r/min 悬臂最大回转角速度 0.13 r/min 斗轮半径r 4.9 m 斗轮悬臂长度R 55 m 012()
12、cos00.97 m360sRr，（3）安装角度不同的激光扫描最近距离斗轮取料旋转立面的法线近似等腰三角形激光雷达扫描面煤堆斗轮旋转面激光雷达安装位置斗轮轴心垂直旋转面延长线有效扫描角度 琢激光雷达有效扫描范围料堆表面水平线扫描激光束有效扫描角度 琢测距长度/m59-2023 年 32 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application式中：R 为斗轮悬臂长度；r 为斗轮半径；悬臂水平每回转 1毅所需时间在如下区间范围内1毅0.13 r/min臆t0臆1毅0.04 r/min，即在最低、最高回转速度下每回转 1毅的时间区间为8.1 s臆t0臆26
13、.2 s。（4）1.4结合工况设计取料到边控制逻辑到边检测算法依据激光雷达在有效扫描角度内的测距数值形成公式，在给定参数的前提下计算到边时间，进而为悬臂回转的控制提供依据，结合实际作业工艺，形成控制逻辑。任意激光测距值 L，易知在任意工况下 L 的最小值 Lmin应为有效测距范围三角形的 琢 角平分线；未到边缘时，L 的最大值 Lmax应为雷达安装位置到图 5 所示的 P点位置，易得LminLmax=cos琢2，故对任意激光未射出煤堆边缘位置范围内的 L忆，均满足LminL忆臆cos琢2。反之，超出煤堆边缘位置（图 5 中深色阴影部分）的测距距离 L义满足LminL义cos琢2。图 5激光扫描
14、区域部分超出料堆边界示意图定义事件 A 为有效扫描角度内所有激光束测距长度与最小长度比值大于 cos琢2，则 P（A）为事件 A 发生的概率。结合图 5 所示，P（A）计算的概率为扫描区域深色阴影部分对应的扫描角度占有效扫描角度的百分比。后续利用 P（A）为控制逻辑提供计算依据。根据表 3 得到的特定斗轮机在取料作业过程中的统计学意义上相关参数。故本文研究的方法迁移至其他设备时，表 3 所呈现的数据需要根据其工作数据再次统计。表 3斗轮机作业统计参数结合表 3 确认是否满足测量范围大于控制范围。如图 3 所示情况，结合表 2 斗轮机作业机械参数计算及计算结果（4）可知，a跃2.6 s0，即可实
15、现在斗轮 1/4 半径尺寸没入料堆取料的极端工况下，激光雷达测量范围仍可覆盖控制范围。综上，将取料到边检测算法与控制策略相融合，根据斗轮取料深入料堆后实际激光测距的最小值 Lmin实际与安装理论值 Lmin，形成如图 6 所示的 2 条控制线，点划线为加速指令控制线，该线表明斗轮边缘到达此线时，悬臂开始切换至最高转速；虚线为制动指令控制线，该线表明斗轮边缘到达此线时，悬臂开始制动，依靠惯性回转至最终的边界位置。将 2 个控制线的计算转换为有效扫描区域对应的角度 琢0、琢1与各测量值之间的函数关系，可表达为式中：兹 为悬臂俯仰角度绝对值；R 为悬臂长度；渍0为悬臂回转最高速度时制动惯性回转角度。
16、考虑系统控制指令的传递时差，及在人工控制时人工反应时差，设置 t忆=2 s，根据计算结果（4）可知，t忆内斗轮回转约为 0.24毅，则上述 2 个表达式可修正为根据公式（8）中所得的 琢1实时计算 P（A），当 P（A）逸琢0琢伊100%时，下达斗轮回转调整至最高档指令；根据公式（7）中所得的 琢0实时计算 P（A），当 P（A）逸琢0琢伊100%时，下达回转制动控制指令。2效果验证将数字化建模结果、测量数值、控制逻辑模型等研参数名 统计平均值 回转最高速制动惯性回转角度0j 1.1 回转最高速制动惯性回转时间0T 3.37 s 回转从低速加速至最高转速所需角度1j 1.5 回转从低速加速至最
17、高转速所需时间1T 2.84 s 斗轮旋转面激光雷达安装位置煤种堆积角 茁悬臂回转方向悬臂水平回转理论最佳变向位置斗轮边缘 P料堆边缘 Q0min001min10.242costantan360220.242costantan36022RLRLjaaqajjaaqa 实际实际，（7）。（8）0min001min12costantan360222costantan36022RLRLjaaqajjaaqa 实际实际，（5）（6）加速指令控制线60-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期究成果，在堆取料无人值守控制系统中
18、进行部署并初始化参数设置后，对比部署前后自动控制作业的流量检测数据，图 7 为相同恒流量取料作业条件下，同一台斗轮机取料流量波动曲线图。图 62 个控制线位置数字建模示意图渊a冤无人值守原有控制逻辑自动作业流量波动渊b冤控制模型下自动作业流量波动图 7自动取料流量波动曲线图可以直观看出，在控制模型下的自动取料作业在流量控制下明显优于原有系统中的对于恒流量的控制，但在控制模型下的自动取料作业中，在料堆边缘取料中仍有明显的流量降低的情况。将图 7 折算成 1 h 内的作业量，则原控制系统中的取料作业流量为 2 254 t/h，在控制模型下的取料作业流量 2 581 t/h，流量效率提升了约 12.
19、67%。3结束语从宏观角度看，恒流量取料作业一直都是火电厂智能化运行的必备条件，但在不同的工况下均需要针对性的数据统计及分析，构建个性化控制模型，这就给模型的产品化带来了难题。正因如此，在本领域大多采用小数据-机理建模，无法迈向大数据-数据建模。从微观角度看，P（A）值受到工作中机械振动带来的误差、安装位置误差、测量误差等多方面因素影响（根据表 1 可知在 110 m 范围内的系统误差和统计误差远小于测量值，可忽略不计），在后续的模型中可根据更多的作业数据统计影响范围，进一步修正该机理模型。参考文献院1 袁航，曹晏杰，杨多兵.干散码头智能化取料系统的研究与开发J.水运工程，2013（10）：2
20、55-258.2 包起帆.港口散货全自动装卸设备的研究与开发J.起重运输机械，2009（5）：1-8.3 潘泉洪，沈文忠.斗轮堆取料机取料流量控制方式的比较研究J.自动化仪表，2011，32（2）：40-42.4 周昆.斗轮机取料效率制约因素分析与改进措施J.港口科技，2018（9）：36-40.5 李响初，张微.基于 PLC 的矿山堆取料机自动控制系统研究与设计J.世界有色金属，2017（18）：45-46.6 金云英，和玉贵.浅谈电子皮带秤恒流量的精细化控制J.自动化技术与应用，2021，40（5）：32-35.7 黄波.基于 PID 的恒流量控制系统的设计J.机电工程技术，2015（9）：86-87.未取料一侧激光雷达照射的料堆表面悬臂回转方向激光雷达安装位置斗轮旋转面悬臂回转轴心位置斗轮到边控制点斗轮深入料堆尺寸斗轮与料堆切面制动指令控制线加速指令控制线作业时间作业时间渍0渍1琢0琢1Lmin 实际61-
