一种大型堆取料机器人的设计与应用

一种大型堆取料机器人的设计与应用

周洪元

（浙江浙能乐清发电有限责任公司浙江温州市325609）

摘要：本文介绍了一种大型堆取料机器人的设计与应用，该机器人利用人工智能技术、自动控制技术、精确定位技术、激光三维扫描技术、安全防护技术等手段，实现了斗轮堆取料机的无人值守功能，提高了输煤作业效率和煤场利用率，经济效益显著，具有很高的应用推广价值。

关键词：堆取料机；机器人；无人值守；人工智能；激光扫描；卫星定位

一、前言

斗轮堆取料机是火力发电厂煤场中堆煤、取煤作业必不可少的设备，主要依靠司机就地操作完成作业。这种传统的作业模式需要司机紧盯现场，不停的操作手柄，不仅工作环境恶劣，劳动强度大，而且容易出现堆煤时煤垛不规则，取煤时流量波动大等情况，从而影响作业效率。[1]针对这种情况，浙江浙能乐清发电有限公司对煤场上的三台斗轮堆取料机实施智能化改造，将传动的斗轮堆取料机成功改造成为大型堆取料机器人。

二、斗轮堆取料机概况

斗轮堆取料机是一种大型的挖取和堆存煤炭、矿石、砂石等松散物料的高效机械，它广泛用于港口、矿山、煤炭、冶金等工业企业的堆料场，在当今大、中型火力发电厂输煤系统中，也广泛采用斗轮堆取料机作为其条形煤场的运煤机械。斗轮堆取料机具有连续堆料和取料双重功能，对应于卸煤和上煤双重功效，它的工况好坏直接影响整个输煤系统的正常运行。

斗轮堆取料机的操作模式一般设计为3种:“手动模式”、“联动模式”和“自动模式”。“手动模式”是指斗轮堆取料机在取消联锁保护的情况下通过司机手动操作来实现斗轮堆取料机各个机构的运作，这种方式一般用来现场检修或试验。“联动模式”是指斗轮堆取料机在投入联锁保护的情况下通过司机手动操作来实现斗轮堆取料机各个机构的运作,这是斗轮堆取料机最常用的一种操作方式，而“自动模式”方式是指斗轮堆取料机在人为设定的工作范围内自动工作。据了解，目前国内大部分的斗轮堆取料机(国产的和进口的）都没有实现全自动运行。[2]

传统的斗轮堆取料机运行依靠司机就地操作，存在如下问题：

（1）劳动强度大：在作业过程中操作人员要时刻关注皮带流量、煤堆高度、斗轮切入深度等状况，需及时调整手柄，控制悬臂机构回转、大车行走，操作频繁，劳动强度大。在恶劣天气作业，还存在一定的安全风险。

（2）设备寿命短：人工操作很难保证系统始终工作在稳定流量状态，容易发生设备过载，同时在操作过程中容易产生机械冲击，影响设备寿命。

（3）作业效率低：手动取煤时，斗轮机司机取煤量约为1100t/h,运行效率仅为设计出力的70％左右。

三、大型堆取料机器人研发

机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。[3]一个智能机器人应当具备三项基本要素：感知、决策、行动。智能机器人通过感知获得各种所需信息，经过思维、计算、分析，产生决策，并将决策付诸行动，在各种复杂的工况下自主完成任务，形成各种智能行为。

浙江浙能乐清发电有限责任公司开发的大型堆取料机器人主要有感知、思维、执行三大机构组成：

1.感知机构

感知部分负责实时检测堆取料机器人的运动及工作情况，并反馈给思维机构，为决策提供数据、信息支持。精准的感知是堆取料机器人能够正常工作的前提条件。本项目开发的大型堆取料机器人的感知机构除传统的传感器外，专门开发了以下检测装置以实现精准感知：

1）首次创新研发了一套基于激光扫描的煤流探测装置：在斗轮机悬臂上安装基于激光扫描的煤流探测系统，由激光扫描仪探头获取运行中的皮带横截面信息，通过运算获取悬臂皮带实时流量。

2）实时定位监测：采用多种定位技术（高精度编码技术和北斗GPS高精度定位技术），实时高精度定位堆取料机器人的空间位置和角度。其中北斗/GPS采用最新的RTK载波相位差分技术，基于基站和移动站，使检测精度达到厘米级。

3）首次创新研发了一套基于激光扫描煤垛检测装置：激光扫描仪实时检测出装置位置与煤面之间的距离，反馈给思维机构，返回的数据经过计算与存储，结合空间定位数据，形成煤垛三维数据模型。

4）多重智能安全保护装置：系统配置一系列堆取料机器人前进、后退及悬臂回转以及俯仰上下的软硬件安全防护装置，该系列保护装置与原有斗轮机自带的保护机构相互独立，起到双重保护作用。

2.思维机构

堆取料机器人通过思维机构，对感知到的各种工作、环境等状态及时作出适当的判断、推理、预测，给出相应的决策，使堆取料机器人能够按照预定目标实现堆取料作业。思维机构主要由PLC、各种服务器、交换机等设备构成，主要实现以下功能：

1）堆取料机器人姿态识别：根据感知机构提供的GPS/北斗定位信息、光电编码器数值，经过计算，识别堆取料机器人本身的跟踪姿态，包括：行走速度、大车位置、回转位置、俯仰角度等；

2）煤场状态识别：根据感知机构提供的煤垛侧面激光扫描数据、煤层高度雷达检测数据，结合堆取料机器人本身工作姿态，经过计算分析处理，形成包含煤堆几何形状及分布位置的三维数据模型。

3）全自动作业：在精确识别堆取料机、煤场煤堆和作业环境障碍等情况的基础上，

在自动作业模式下，堆取料机器人在接到指令后，自动判断作业煤堆，调整姿势姿态，并行进至作业起始位置，当外部条件允许作业后，堆取料机器人自行启动斗轮和悬臂皮带等执行机构，按照设定流程进行自动堆取料作业，直至完成作业任务。

3.执行机构

堆取料机器人执行机构及斗轮堆取料机本体，包括斗轮机机构、俯仰机构、悬臂机构、大车行走机构等，辅助执行思维机构发出的指令。

四、改造效果

1.提高运行效率

斗轮堆取料机改造成为堆取料机器人后，由于实现了取煤流量的均衡控制，大大提高了取煤的工作效率，由原来的1100t/h提高到1400t/h。

2.降低工作强度

改造的成果实施，大大降低了作业人员的劳动强度，仅需一名操作人员在远方集控室下达操作指令即可完成多台堆取料机器人的作业，现场实现了无人值守。

3.提高安全性

全自动斗轮机控制可以实现：取煤过程防止斗轮冲击和上煤皮带过载，以及煤垛坍塌，压停斗轮，堆煤过程可防止煤堆过高磨损悬臂皮带，从而提高斗轮机运行的安全性。

4.经济效益

由于现场实现了无人值守，可大量减少原斗轮堆取料机的司机配置，按六班三倒运转工作制，每台斗轮机需要配备6人，加上备班人员，乐电公司三台斗轮机需配备司机19人，堆取料机器人改造成功后可每班仅需配备一名司机进行巡检及应急操作，可减少司机13人。按人工成本平均25万元/年人，每年可节约人工成本325万元左右。

五、结束语

本项目利用人工智能技术、自动控制技术、精确定位技术、激光三维扫描技术、安全防护技术等手段，将传统的斗轮堆取料机改造为大型堆取料机器人，实现了堆取料机的无人值守功能，彻底改变了目前普遍实行的一机一司机现场作业模式，提高了输煤作业效率和煤场利用率，具有显著的经济效益，有利于电厂的安全经济运行，具有很高的应用推广价值。

参考文献

[1]陈永辉，吴永朋，沈炳华.斗轮机远程全自动控制系统在燃煤电厂的应用[J].浙江电力，2016（8）.

[2]林凯.斗轮堆取料机全自动功能的PLC设计[J].电工技术，2003（10）.

[3]百度百科.机器人[DB/OL]https://baike.baidu.com/item/机器人/888？fr=aladdin，2018-03-22.