火电机组管理的卸煤抓斗卸船机智能开发与控制

火电机组管理的卸煤抓斗卸船机智能开发与控制

张笑 姚洪照

大唐南京发电厂 江苏南京 210059

摘 要：本文针对火电机组管理的卸煤码头抓斗卸船机，利用作业流程、运行模式等优化策略和方法，相比传统作业模式，该智能系统工作效率明显提升，人员工作强度明显下降，不仅提高了自动卸煤的智能水平，也提高了燃料效益和管理效率，并且每年能大幅节约燃料、人工、维护、运行等成本。

关键词：火电机；抓斗；卸船机；智能；自动

引言

近几年，船舶加快了向巨型化发展的步伐，运输能力正日益增长，为了响应此变化，桥式抓斗卸船机应向智能化方向发展。因为抓斗卸船机具有营运成本低、对船舶和物料适应性好、机动灵活等优势，是应用普遍也是其他卸船工具不易取代的散货卸船机械。当前，火电机组的燃料费用约占运营费用的70%，船运码头上用的卸煤抓斗机，是人工操作手动就地作业，存在工作强度大、作业效率低、自动化水平低等诸多不足。如何减小工人操作强度、增加电煤码头的自动化水平减少人工、实现经济效益提升是一项重要课题。通过技术研发及在电厂卸煤码头试验，对卸煤抓斗卸船机进行智能升级，实现卸煤效率提高，提高电煤码头的数字化管理水平。本文从卸船机智能化出发，根据作业经验，运用煤垛检测、智能防摇、精确定位、自动控制、数字监控、人工智能等技术，创建码头数字化信息，达到卸船机卸煤作业运行状态的全方位监控。

1卸煤抓斗卸船机智能转型必要性

目前多数电厂煤场的卸船机仍是人工操作，司机在距地面30米高的位置工作，作业时需完成升抓斗、抓料、抓斗防摇等手动动作，劳动时间长、工作强度大、自动化水平低，由于主要靠人眼判断，容易导致位置不准，出现卸船安全风险。通过自动控制与多点定位、三维测控、数字监控等技术，为卸煤抓斗卸船机采用智能技术奠定了基础。探讨卸船机智能系统应用，对提高码头卸煤效率、减少卸煤时间、降低作业单耗和运营成本有重要意义；利用智能程序远程对抓料进行监控，司机只要在办公室远程操控卸船系统即可，可大幅减小司机工作强度，改善司机工作环境，并能完成自动裁人目标；利用自动卸煤信息，能有效分析、统计电厂卸船的时间，实现码头卸煤的智能化、数字化、无人化，实现电厂燃料智能管理的目标。

2 抓斗卸船机国内技术发展情况

我国桥式抓斗卸船机的发展大致有三个阶段：第一阶段在20世纪90年代以前，卸船机国产的主要是小型机，大型机主要靠进口，由国外企业供应主要技术、电气部件和控制系统，国内企业只负责安装、制作；第二阶段在1990-2000年间，国产卸船机开始向着大型化生产，制造技术水平明显提升，买方越来越认可大型国产卸船机的功能和技术，并有与进口机竞争的态势，很多大型卸船机都是国内自行制造的；第三阶段在21世纪之后，国内外大型卸船机的制造技术水平差距已经不大了，由于性能完全符合用户要求，大部分用户支持国产卸船机，同时也

有大量卸船机销往海外，我国已成为最大的卸船机生产国和出口国。作为卸料主要设备，控制抓斗卸船机的技术尚未实现全自动，以手动、半自动为主，烟台、太仓港务等个别码头的卸船机已实现了智能控制。国外汉堡港的铁矿石、煤炭的卸船作业，已采用自动化系统，舱口、船只、散料的识别采用激光扫描仪，是全球首个实现卸料操作全自动化的码头。

3 项目难点和创新

一是三维实时建模方法。因为卸船工作具有实时特点，舱内的煤堆是时时在变化，同时由于自然原因及煤的强流动性，亟需建立相应的卸船实时模型。卸船中也会带来扬尘，煤垛发生塌方的情况较为常见。这些均将影响实时扫描的稳定性和准确性，所以云数据（X, Y, Z）的误差不能大于15 cm。二是选择卸船时的智能抓料算法。受煤种和船型不同影响，建立合理的抓料方式尚无可参考的模型，应当根据运行情况设置。三是卸船机空间精确定位，包括抓斗开闭、起升定位和大车定位，大车行驶的位置、抓斗升降高度及小车水平方向的精度难以控制，各精度要求是大车位置＜50 mm、抓斗位置＜50 mm、小车位置＜40 mm，需要结合编码定位、卫星定位，建立卸船机各机构空间的精确定位。四是卸船机抓斗精确防摆。结合各机构定位、抓斗位置等精准数据，利用符合常规的抓斗控制摇摆算法，实现智能操作中对抓斗摇摆的控制，确保抓斗抓料和放料时能控制的精确，确保抓斗运行稳定。五是智能抓煤算法。研究煤堆智能检测和定位技术，实现自动抓料效率的提高。通过投用智能卸料系统，优化卸船流程，减少卸船时间，降低吨煤卸煤单耗，降低转动的磨损。

4 技术方案

4.1 空间精确定位。控制设备实现无人值守是研究的目标，对设备定位的位置精度要求很高，如抓斗＜50mm，大车＜50 mm，小车＜40 mm。所以绝对值编码器协作配合，控制卸船机需要利用PLC程序优化启停环节，降低惯性导致的偏差，从而实现定位精确目标。小车、升降、大车定位，使用多圈绝对值编码器，安装在机房减速箱和大车的从动轮上，利用自动装置精确校准大车的定位，并需增加大车绝对值编码器来辅助校验定位，主PLC与定位系统通过光纤进行通讯，主PLC与绝对值编码器均通过协议通讯。卸船机在行走时，编码器数据不在射频系统定位数据的误差区间时马上根据来对编码器校核。检测小车起升速度采用卸船机的原增量型编码器，并另加绝对值编码器确保定位数据准确。

4.2 建立船舱及舱内散料的实时模型。卸船机的前大梁安装有激光设备，用于扫描物料分布和船舱位置，扫描仪选择一台360度全角度的，为了对舱内物料及船舱实现三维扫描应在现场配备高精度云台，得到云数据，后台建模、分析后再得出物料的当前状态。对煤堆等反射率低的物体，此扫描仪能达到80 m的激光测距，有效精度±38 mm，能满足测量误差10 cm的要求；角度分辨率能达到0.0625度，受环境光影响很小，受物料扫描的反射率影响较大。计算机处理后得到物料及舱口数据，具体包括识别舱口和物料的三维数据、货船相对位置的码头数据。

4.3抓斗防摆技术。卸船机在运行中，小车受加减速影响，载荷因惯性会出现摇摆动作。载荷摇摆不仅降低了起重机效率，也使抓斗不能精确定位，载荷摇摆对船舱及载荷自身也造成安全问题。起重机在物料搬运时出现载荷摇摆是常见现象，自从起重机发明以后，消除和防止载荷摇摆是一直未解决的技术难点。负载减小摇摆对其准确定位意义重大，不仅能防止摇摆引起的碰撞事故、减少摇摆负载调整的时间，还能提高安全性和工作效率。

4.4卸船机根据目标位置智能减速。卸船机利用精确定位各机构位置，根据多年生产、设计、调试经验，可在智能功能中增加基于目标位置的减速选项，即通过智能计算的目标位置，算出向前或往后的加速度，以达到抓斗等机构平稳停止及启动的效果，降低抓斗的冲击和摇摆。

4.5智能抓取点的路径选择和抓取策略。利用3D激光算法系统分析和识别扫描的舱内数据，构建物料有效分布区域的矩阵模型。选择抓取点时要从船舱中心开始，小车采用步进方式，网格为列逐渐移向海陆侧，按分层顺序抓取。在作业中扫描系统用激光扫描物料状态，实时确保智能作业稳定可靠。

4.6物料分层数据处理。对船舱物料分层且残余层排除在智能作业范围之外，先从残余层向上算起，每层高度定义为抓斗抓取高度的最大值，该高度取决于抓斗的参数，表层高度的最大值或许是任意的，但应小于抓斗抓取高度的最大值。

4.7选择抓取点的原则。第一，选择时根据物料分层，首选表层物料，自上至下。第二，在物料选择的对应层上，沿小车方位，按照抓斗尺寸预设相应抓取点，抓取时先取当前层高点部分，当物料分布高度平均值低于相应阈值时，该列完成抓取，安装移动的大车继续换列抓斗，如此往复循环，直到该层轮廓的所有高度都低于初始阀值高度，表示该层完成抓取，开始下层的抓取，直到所有层完成抓取，残余层忽略不作业。

4.8预测码头设备健康状态的算法。确定该算法的前提是利用物联网的网关获取必要的卸船机数据，具体包括：第一，起重机港口作业数据，如起重机运行地点、现场风速、起重吨位、主要位置（开闭、起升、大车等）数据、运行电流、温升、电压、振动、转速、起重机作业量、起重机电气故障信息。第二，港口起重过程数据，如货船出港进港计划、卸船时间、货物数量、装卸流程、卸工时间、码头生产计划等。第三，起重机核心部件数据指标，如机械钢疲劳度、钢丝绳制动寿命、制动力等；电气上如开闭、起升、变频器、编码器、接触器、断路器等数据。根据以上监控数据，研究数据库设计平台，实时分析数据异常，提前故障诊断；同时分析机械机构运转时间，判断准确的设备保养周期，实现现场优化的保养维护。

5项目效益分析

本项目可用于海运、河运卸煤码头的电厂，提高电厂燃料效益和管理效率。抓斗大型卸船机在机器人实现智能工业控制后，卸船机能实现自动作业，数字接卸信息（船型、卸煤量等）能动态实时显示，码头接卸能优化计划及流程，为码头提供智能化手段，并提升卸船效率和设备使用率，降低卸船工的工作强度，项目经济效益显著。另外，智能卸船机的运用，可降低职业损害，减少人工操作。

6 结语

通过开发和应用桥式抓斗卸船机智能系统，基本实现了卸船的无人作业，一名操作员在中控室就能同时控制多台卸船机，因而能大幅提高卸船机智能系统的智能程度，减小操作工人的工作强度，降低人力资源成本，并能有效防止人工的错误操作、过载等多种可能对卸船机导致损伤的情况，在卸船能力和效率大幅提高的前提下，也对设备实现了有效保护。上述智能系统的研发，对于燃煤电厂来说具有很强的可复制性，系统开发完成后可应用至同类电厂，能切实提高公司其他电厂的智能水平，社会效益十分明显。

参考文献

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