基于激光扫描三维建模技术的斗轮机全自动无人值守控制系统

基于激光扫描三维建模技术的斗轮机全自动无人值守控制系统

吴一鸣

中国华电科工集团有限公司，北京 100160

摘要：针对斗轮机堆取效率低、人工操作稳定性差等问题， 基于激光扫描三维建模技术，设计了一套斗轮机自动堆取料控制系统。该系统的激光扫描技术实时获取现场堆场的信息、斗轮机的位置和悬臂俯仰角度和回转角度的实时状态，通过特定算法，自动控制斗轮机执行指定任务。所设计的智能化控制系统能够满足料场对散料管理的需求，达到降本增效的目的。

关键词：斗轮机；自动控制系统；激光；三维建模

前言

斗轮机是用于连续高效装卸大宗工业散料的新型大型机械设备，主要对码头、电厂、钢铁厂、矿山等等矿石、煤、焦碳、砂石的散料对进行堆取作业[1]。目前国内绝大部分斗轮机的堆料由斗轮机司机在现场人工操作斗轮机来完成，在取料过程中斗轮机的取料量是由肉眼来判断，通过操控斗轮机回转臂的启停来控制流量。

由于斗轮机运行作业时间长，且在堆取料过程中操作频繁，使得作业人员劳动强度非常大，容易疲劳，进而导致长时间作业效率不稳定。高强度的人工操作强度易产生易引起视觉疲劳，造成机械冲击，增加安全运行风险，甚至影响设备寿命[2]。

同时，皮带秤受斗轮机本身的影响，无法准确测量。但受现场干扰因素较多，在堆料过程中料流无法结合斗轮机的控制，容易造成料垛的不规则堆放，降低了料场存料量。在取料过程中凭人工经验判断，手动调节，取料量的不稳定降低了取料效率，同时也容易出现过载现象，影响系统的安全运行[3]。斗轮机大车行走启停、大臂回转两极过程时，容易产生设备抖动，通过降低速度来减小抖动，影响斗轮机作业效率[4]。斗轮机原有的图像监视覆盖小，存在死角，堆料作业过程中不能有效地全方位全天候监控，尤其是在夜间或雾天作业时难度更大，不利于安全运行，影响取料过程的效率[5]。

针对上述斗轮机的上述问题，本文提出了采用工业以太网专网连接，激光扫描三维建模的斗轮机精确定位系统，进行恒流取料控制和智能顺序控制，最终实现基于激光扫描建模的斗轮机全自动无人值守控制系统。

1. 系统设计方案

1.1系统整体框架设计

图1为斗轮机全自动无人值守控制系统总体框架结构图。如图所示，智能斗轮机系统按照系统布置区域划分，可以分为以下三个部分：（1）料场斗轮机就地PLC全自动控制系统；（2）远程集控电子室核心网络交换机及服务计算机系统；（3）远程集中控制室监控平台。各区域系统之间采用工业以太网专网连接来实现系统远程集中式智能化操控。

图1 系统总体框架结构图

1.2网络系统

可靠的网络通讯是系统稳定运行的关键，从底层智能设备网络通讯到远程监控系统网络都采用非常可靠的工业级网络，以下将对不同层级和类别的网络进行说明：

（1）智能设备网络

图2为就地智能设备网络结构图。如图所示，大车校准控制器、回转角度检测装置采用RS485总线（产品非标自定义协议），通过标准485双绞线接进位于斗轮机电气房内的全自动控制柜里，控制柜里配置多通道的串口服务器，将485信号转成标准ModbusTCP协议信号进控制系统以太网网络，同时全自动控制柜内部署有信号处理计算机，该计算机完成智能设备信号的处理运算并实时转发至PLC控制系统。

图2 就地智能设备网络结构图

（2）现场以太网设备

对现场斗轮机装置新增以太网通讯，采用光缆通讯，以保证现场斗轮机的信息和状态的传送和远程操控的稳定性。

对斗轮机的悬臂头部左右各安装一只左右料垛扫描装置，用于激光扫描料垛外形轮廓；对斗轮机悬臂皮带中部及尾车皮带靠近落料口附近安装悬臂/尾车流量检测装置，采用激光扫描皮带横切面料流，计算瞬时流量；斗轮机各关键监控部位安装一共9只高清数字网络摄像机。

斗轮机上悬臂设备（料垛扫描装置、悬臂流量检测装置、数字摄像机等）先接入司机室PLC控制柜内的交换机，然后再通过网线接入到尾车平台低压电气房全自动控制柜内交换机，确保所有以太网设备通讯距离不超过80m，保证系统网络通讯的稳定可靠。

（3）远程通讯网络

斗轮机至远程集控平台之间采用双路以太网通讯，一路为控制网络，另外一路为视频网络，网络交换机、光缆、网线等均为独立设计，互不影响。

2. 斗轮机全自动无人值守系统结构

图3为轮机全自动控制系统结构图。如图所示，在原有斗轮机各相关部位安装检测、扫描、定位、校准、安全保护、高清视频监视等装置，在斗轮机尾车平台低压电气房内布置一面全自动控制柜（内含核心PLC控制器、交换机、各种网络接口网关、信号处理计算机等设备）。现场各检测、扫描等装置通过RS485总线、工业以太网网络及标准4～20mA等协议将信号传送至全自动控制柜内各相应的系统接口。系统完成所有现场信号的处理后，斗轮机全自动控制系统的全自动逻辑、动作顺序、恒流量取料等动作指令均由全自动控制柜内的PLC计算得出， PLC接受动作指令后完成实际的控制指令执行，从而实现斗轮机的全自动控制。以下对各分部进行详细描述：

图3为轮机全自动控制系统结构图

2.1斗轮机定位系统

运用卫星差分定位技术、高精度绝对值多圈总线编码器、智能悬臂角度检测等装置实现斗轮机空间位置的实时精确定位，斗轮机控制系统接收斗轮堆取料机的定位及控制状态信息，位置信息和机械状态信息动态监控，判断斗轮堆取料机的安全状态，进行全自动作业（堆料/取料/分流）控制和料场实时盘料。

斗轮堆取机的关键动态信息主要包括大车位置、悬臂俯仰角度和悬臂回转角度。以北斗定位技术建立一套斗轮机卫星定位系统，通过软件解算出斗轮机大车位置，悬臂回转角度，悬臂俯仰角度。

(1) 大车位置：确定斗轮机在轨道上的绝对位置，以大车后退至后限位为起点0米位置，大车前进到头部限位为最大行走距离。大车定位精度在50mm之内。

（2）悬臂俯仰角度：检测悬臂的俯仰角度，悬臂放置在水平位置时为俯仰0º，悬臂下俯为负角度，悬臂上仰为正角度，定位精度在0. 1º之内。

（3）悬臂回转角度：检测悬臂的水平转动角度，悬臂回转至地面皮带正上方时为回转0º，左侧为负角度，右侧为正角度，定位精度在0. 1º之内。

2.2料垛三维激光扫描装置

激光扫描装置应能适应大粉尘及雨雾天气且不易粘灰。在斗轮机悬臂头部左右侧各安装一套料垛激光扫描装置，斗轮机在作业过程中，自动对作业面料垛外轮廓进行三维激光扫描，扫描数据通过以太网送远程系统服务器，通过建模软件完成三维建模。图3为实时激光扫描图

图3 实时激光扫描

2.3 激光流量检测装置

图4为皮带流量检测原理。料流检测是通过扫描皮带截面积，瞬时流量 (皮带速度为固定值，p为常数)。激光扫描仪采用德国SICK公司的激光扫描仪，通过对悬臂及尾车皮带的横切面实时扫描，完成悬臂及尾车流量的实时检测（t/h）。斗轮机在恒流量取料时，悬臂瞬时流量为闭环控制的过程量（PV）；斗轮机在分流作业时，系统根据尾车瞬时来料流量自动调节分流挡板开度（0～100%），实现分流作业模式下进仓流量的自动调节。同时激光扫描仪配置了电动开闭式保护罩，减少料尘的影响，适应料场多粉尘、多振动且高温高湿度的恶劣环境，可以长期稳定运行。

图4 皮带流量扫描示意图

2.4 安全防护系统

超声波检查3m范围内的行人或者障碍物，由于超声波传感器表面的信号收发器是有一定频率振动的，因此超声波传感器适用于高粉尘环境作业。在大车前后安装4套障碍物检测装置，大车前行时前方2套障碍物检测装置起作用，在障碍物接近一定距离时，大车停止前进，后退时后面2套障碍物检测装置起作用如图5所示。

图5 大车前后行走防撞保护示意图

同时，系统将料场上各料垛根据其外形轮廓进行空间占位，被料垛占位的空间即自动设置为禁区，只有当作业选择为取料时，才可以从料垛的头部开始作业，其他位置（侧部、尾部及顶部）仍然是悬臂动作禁区，系统实时检测斗轮及悬臂在空间内的位置，一旦接近动作禁区，即可停止悬臂动作并提供报警，如图6所示。

图6 悬臂防撞禁区图

2.5 实时三维扫描建模及盘料系统

（1）现场测绘及位置标定

系统调试时，使用便携式定位仪对整个料场进行测量（含各基准点的标定，底层基准标高等），斗轮机的外形尺寸测量（悬臂长度、回转中心点、俯仰支点高度等）以及左右激光扫描仪的安装位置和激光扫描方向测量，作为三维建模的基础配置数据，数据保存在三维建模服务器里。

（2）数据处理及建模

建模软件首先对激光扫描仪送过来的扫描数据进行过滤，主动剔除废点，同时结合当前PLC控制系统送过来的斗轮机姿态（大车位置及悬臂俯仰/回转角度）、斗轮机的作业模式（堆料、取料、分流）和悬臂皮带的运转方向等信息进行三维建模。实时扫描数据结合自动化信号转化成相应的点云数据，对料场数据进行实时替换，生成新的实时料场三维模型，按照分层取料高度，计算各层的包围线和起止取料位置。

（3）三维模型信号输出

将各料垛的ID、料垛堆放实际位置、给实时盘料系统送出各料垛体积信号，盘料系统关联料种密度输送给控制系统，计算机通过计算模型数据后显示实时的料场三维信息，如图7显示。

图7 料场三维动态展示图

3. 全自动无人值守控制系统效果

3.1 全自动取料

全自动取料是最常规的取料方式，适合于堆场空间大，料种相对简单的场合。系统确定某个料垛取料并确定了取料层次，启动取料作业，直至取料完毕，遇到当前料层取完还未完成加仓任务，则需要自动定位到下层，大车后退到位，继续取料，直至取料任务结束。

图8为全自动取料的流程步序。如图所示斗轮机在自动取料模式下，斗轮机自动定位至取料起始位置，等待料控取料允许指令，料控启动地面皮带，当允许取料指令发出后，斗轮机自动启动斗轮和悬臂皮带，悬臂自动从轨道内侧向外侧回转取料，回转速度控制是基于悬臂回转角度，同时结合取料量设定进行闭环PID控制，使取料瞬时流量稳定，当回转至取料外角度后，大车自动前进一个步长，悬臂同时自动向轨道内侧回转，直到取料内角，然后大车自动前进下一个步长，同时悬臂向外侧回转，依次循环取料，直至取料结束。外角料层薄，为了提高取料效率，系统设计了外角两长一短取料方式，提高取料效率。

图8全自动取料步序图

3.2全自动堆料

图9为自动堆料的步序流程。在自动堆料模式下，斗轮机自动定位至堆料起始位置，等待料控堆料允许指令，当允许堆料指令发出后，斗轮机自动启动悬臂皮带，料控启动地面皮带，斗轮头部料位检测到一定值后，悬臂自动上升2°，再继续堆料到一定值，悬臂再自动上升2°，直到悬臂上升到堆料设定高度，料堆达到设定值，保持俯仰角度不变，悬臂自动向左回转一定角度，再继续堆至设定值，逐步向左回转，直到该料堆的左边界，大车自动后退一个堆料步长，同时悬臂右转至堆料右边界，开始新的堆料循环，直至堆料完成。

图9 全自动堆料控制流程

4结论

本文基于激光三维建模技术，设计了一套堆取料机全自动无人值守控制系统。该系统的激光扫描技术实时获取现场堆场的信息、斗轮机的位置和悬臂俯仰角度和回转角度的实时状态，通过特定算法，自动控制斗轮机执行指定任务。通过该系统实现了对堆场内的散料自动堆料和取料，加强了对厂内散料的管理，提高了运行效率。本文结果为斗轮机的技术改造提供一定的借鉴和参考。

参考文献

[1] 邵明亮,于国飞,耿华,等.斗轮堆取料机[M].北京:化学工业出版社,2007:30-36

[2]刘勤国,张起伟,任改运.斗轮堆取料机使用、维护与检修[M].北京:化学工业出版社,2010:102-120.

[3] 吴颖昕. 斗轮堆取料机堆取料工艺与控制方法的研究[D]. 东北大学, 2009.

[4 ] 许见春, 赵立峰. 斗轮机的结构组成及工作工艺研究[J]. 科技资讯, 2008(05):91.

[5] 李斌. 斗轮机远程控制系统在燃煤发电厂的应用[J]. 科研, 2016(11):00005-00005.