單邊智能取料防塌控制方案研究

王海群，高 靜，劉 健

（國(guó)能數(shù)智科技開發(fā)（北京）有限公司，北京 100011）

近些年，由于圓形煤場(chǎng)在安全、環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)[1]，在火電廠建設(shè)中逐漸成為了首選方案[2]。區(qū)別于條型煤場(chǎng)的分區(qū)域堆料的靈活性，圓形煤場(chǎng)大多數(shù)情況使用交叉堆疊的方法進(jìn)行多煤種的存儲(chǔ)。此方法在取料時(shí)存在一定的工藝難點(diǎn)，很容易因無(wú)法判斷邊界進(jìn)而無(wú)法確定回轉(zhuǎn)角度及俯仰步進(jìn)角度[3]，導(dǎo)致大面積混料和塌垛的情況出現(xiàn)。本文以某火電廠圓形煤場(chǎng)為研究對(duì)象，在其現(xiàn)場(chǎng)部署的堆取料自動(dòng)控制系統(tǒng)已有軟硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)開發(fā)特定的取料控制邏輯程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)取料。

1 交叉堆疊的基本特征

圓形料場(chǎng)堆料區(qū)域的劃分一般依照廠內(nèi)使用煤種的多少，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行分區(qū)堆放，但受到調(diào)運(yùn)環(huán)節(jié)的影響，某煤種的一次性來(lái)煤數(shù)量可能超出預(yù)期，為其預(yù)留的堆放位置不足，這時(shí)可能出現(xiàn)交叉堆疊的情況。按照作業(yè)規(guī)程，堆疊前沒(méi)有強(qiáng)制要求進(jìn)行盤煤作業(yè)，智能作業(yè)系統(tǒng)可能無(wú)法獲取堆疊后2 煤種交叉堆疊面形成的內(nèi)部交界面，故需要在取料時(shí)通過(guò)調(diào)用歷史庫(kù)中的盤煤作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉面的擬合計(jì)算。

一般情況下，晚入場(chǎng)的煤種覆蓋在已經(jīng)完成堆料的煤種上，且工人在安排堆疊時(shí)，優(yōu)先會(huì)將晚入場(chǎng)的煤種堆放在未進(jìn)行開層取料的一側(cè)，即晚入場(chǎng)的煤種堆放在另一煤種形成的自然安息角一側(cè)，如圖1 所示，圖1（b）為后入場(chǎng)煤種，其堆疊位置安排在左側(cè)煤種未取料的一側(cè)。

圖1 交叉堆疊區(qū)示意圖

后入場(chǎng)煤種的堆料高度不超過(guò)已完成堆料的煤種高度，無(wú)論其是否已達(dá)到最高高度。如圖2 所示。

圖2 交叉堆疊區(qū)示意圖

在交叉堆疊的情況出現(xiàn)后，取料作業(yè)就變成了單邊作業(yè)，即只在作業(yè)煤種的范圍側(cè)進(jìn)行取料，故稱為單邊取料作業(yè)。由圖3 可知，根據(jù)刮板機(jī)回轉(zhuǎn)取料特性，僅需分析交叉堆疊區(qū)的環(huán)形剖切面的取料臨界情況，即可作為整體取料的工藝特征最終落實(shí)。圖3（a）頂視圖為從圓罐頂部觀察煤堆形成，落料點(diǎn)為從堆料臂拋出落到料堆表面的位置，由于外側(cè)擋墻的限制，以落料點(diǎn)為堆料最高點(diǎn)的剖切面位置靠近外擋墻，形成如圖3（b）所示的“外窄內(nèi)寬”的料堆形狀，此種形狀為后續(xù)取料數(shù)字建模提供了基礎(chǔ)模型。

圖3 交叉堆疊區(qū)示意圖

2 數(shù)字建模

設(shè)計(jì)如圖4 所示為硬件拓?fù)浼軜?gòu)[4]。其中激光掃描設(shè)備用于盤煤，計(jì)算分析服務(wù)器及智能作業(yè)流程控制服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算，如煤堆的三維建模、作業(yè)任務(wù)分解、執(zhí)行過(guò)程防塌防撞預(yù)警等，通過(guò)機(jī)載PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)取料作業(yè)的執(zhí)行過(guò)程。

圖4 自動(dòng)堆取料控制系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

2.1 確定變量

2.1.1 簡(jiǎn)化擬合交界線

根據(jù)圖3（b）簡(jiǎn)化交界面，以取料刮板機(jī)水平回轉(zhuǎn)與料堆的接觸線為視角，可將接觸面簡(jiǎn)化成交界線，即刮板機(jī)如果越過(guò)交界線進(jìn)行取料，則會(huì)形成2 個(gè)煤種的混取。

由圖5 可知，無(wú)論是A 煤種從左到右回轉(zhuǎn)取料還是B 煤種從右到左取料，都需要考慮臨界斜面防止取料過(guò)界，同時(shí)考慮在取料后另一側(cè)煤堆的防塌情況。臨界情況，需要利用盤煤數(shù)據(jù)進(jìn)一步根據(jù)堆疊情況進(jìn)行分塊分析，計(jì)算出單邊取料時(shí)到邊回轉(zhuǎn)角度值；防塌情況，需要考慮2 煤種的安息角，設(shè)計(jì)合理的取料方式，通過(guò)數(shù)學(xué)建模計(jì)算每層的俯仰步進(jìn)值。

圖5 交叉堆疊區(qū)環(huán)形剖切面示意圖

2.1.2 安息角

A 煤種的安息角為α，B 煤種的安息角為β，易得α，β∈（0°，90°）。在自動(dòng)取料控制程序中可初始化各煤種的靜態(tài)安息角。

2.1.3 安全距離

煤種入廠時(shí)，為保證其在堆場(chǎng)內(nèi)能夠長(zhǎng)時(shí)間存放、安全存放（不自燃），在輸煤皮帶上會(huì)進(jìn)行噴淋，以增加含水量，含水量又會(huì)增加堆料的粘黏性，即可能出現(xiàn)取料時(shí)超出刮板范圍的取料情況，故需要在2 煤種的堆疊面增加安全距離的設(shè)定，保證存放時(shí)間較長(zhǎng)的料堆不會(huì)因取料引起小范圍安息角變化導(dǎo)致的塌垛。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析獲得，設(shè)定2 煤種需保持的水平安全距離，一方面可避免上述情況引起的塌垛，另一方面，此距離可避免連續(xù)取料情況下，因編碼器累積誤差等產(chǎn)生的定位偏離引起的混合取料。安全距離的計(jì)算需要結(jié)合盤煤數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面計(jì)算，以確定每層的到邊回轉(zhuǎn)角度絕對(duì)值。

2.2 單邊取上方煤種

2.2.1 第一種情況

假定B 煤種在下，A 煤種在上的堆疊方式，且α＞β，取料為左側(cè)A 煤種。由于A 煤種的安息角大于B 煤種的，即如果沿著以B 煤種安息角形成的交叉堆疊斜線進(jìn)行取料，不會(huì)引起A 煤種的塌垛，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)锽 煤種的塌垛引起上方A 煤種的塌垛，此種取料方式是安全的。

最終形成的取料斷線如圖6 所示，邊緣階梯狀邊緣擬合直線斜率與交叉堆疊斜面斜率相同。水平方向上，規(guī)定階梯邊緣距離交叉堆疊面需保持的安全距離Ls=2 m，每層俯仰步進(jìn)深度△h=Ls×tanβ，即安全取料的自動(dòng)程序?yàn)?，?dāng)刮板機(jī)從左至右回轉(zhuǎn)至距離擬合堆疊交叉面水平距離Ls時(shí)，執(zhí)行△h 俯仰步進(jìn)，然后反向向左繼續(xù)取料，直至下一次從左到右回轉(zhuǎn)至距離擬合堆疊交叉面水平距離Ls，循環(huán)重復(fù)上述取料動(dòng)作。

圖6 單邊取料階梯示意圖（1）

在電廠所有燃燒煤種中，自然安息角在37～41°，計(jì)算可得每層俯仰步進(jìn)高度△h 范圍為0.75～0.87 m，符合堆取料機(jī)的設(shè)計(jì)取料技術(shù)參數(shù)范圍。

2.2.2 第二種情況

如果α＜β，上述取料方法會(huì)引起因安全距離預(yù)留的A 煤種的“溜坡”，故需要規(guī)定一個(gè)新的取料方式。此時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)上方煤種選取如圖7 所示的留煤方式，即忽略事實(shí)交叉堆疊面重新擬合一條新的交叉面斜線，選取斜率為tanα 的直線，既可保證留煤A 不產(chǎn)生塌垛，又可以避免混合取料的情況出現(xiàn)，每層俯仰步進(jìn)深度此時(shí)變?yōu)椤鱤=Ls×tanα。

圖7 單邊取料階梯示意圖（2）

2.3 單邊取下方煤種

假定B 煤種在下，A 煤種在上的堆疊方式，且α＞β，取料為右側(cè)B 煤種。由上述思路推知，此時(shí)安全取料的關(guān)鍵在于留煤B 的防止“溜坡”，同樣需要使用虛擬的交叉堆疊斜面預(yù)留安全距離，虛擬的直線斜率為tanβ。在安全距離Ls=2 m 的前提下，每層俯仰步進(jìn)深度△h=Ls×tanβ，如圖8 所示。

圖8 單邊取料階梯示意圖（3）

同理，在此種取料方式下如果α＜β，按照實(shí)際的交叉堆疊斜面進(jìn)行取料即可，直線斜率為tanα，即每層俯仰步進(jìn)深度△h=Ls×tanα，如圖9 所示。

圖9 單邊取料階梯示意圖（4）

上述討論過(guò)程包含A 煤種堆疊在B 煤種上的情況，推理易得，B 煤種堆疊在A 煤種上的情況亦然，不再贅述。

2.4 小結(jié)

單邊取料時(shí)需判斷2 煤種安息角的大小情況，在保持一定的安全距離Ls情況下做出合理的取料控制策略。由上述討論內(nèi)容可以看出，首先需要選取合理的防“溜坡”直線斜率，表示為tanθ=min{tanα，tanβ}，在選出的控制斜線一側(cè)留出合理的安全空間，為定位設(shè)備的誤差、煤堆內(nèi)部的粘黏情況做出提前的預(yù)判，控制每層俯仰步進(jìn)值△h=Ls×tanθ=Ls×min{tanα，tanβ}，完成取料后形成邊緣階梯狀。

3 結(jié)論

控制程序圓形堆場(chǎng)完成軟件調(diào)試后，經(jīng)試驗(yàn)，效果如圖10 所示，可以看出，基本滿足了單邊取料的防塌控制要求，沒(méi)有出現(xiàn)溜料“溜坡”或塌垛的情況。由于預(yù)留了安全距離，也沒(méi)有發(fā)生取料過(guò)界的情況。取料邊界呈現(xiàn)明顯的階梯狀，符合預(yù)期。

圖10 交叉堆疊單邊智能取料實(shí)際效果圖

另外，由于取料時(shí)預(yù)留的安全距離所產(chǎn)生的余料的情況，目前堆場(chǎng)內(nèi)是在另一側(cè)取料時(shí)會(huì)將余料取盡，即使用非單邊取料模式進(jìn)行回轉(zhuǎn)、俯仰自動(dòng)控制，目前需要人工進(jìn)行判斷作業(yè)是否使用單邊階梯取料控制，可結(jié)合不同取料俯仰角度范圍的寸動(dòng)分解方法，進(jìn)一步提高堆取料作業(yè)的智能化。