蔡照海

1 前言

我公司7 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線輔料堆場有5臺(tái)堆取料機(jī)，用于轉(zhuǎn)運(yùn)輸送4種水泥原料，一直采用人工調(diào)車加半遠(yuǎn)程手動(dòng)操作輸送物料，作業(yè)效率與生產(chǎn)安全完全取決于操作人員的熟練程度與操作方式。通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能化改造，建立水泥原料無人值守輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)原料的科學(xué)存儲(chǔ)、精準(zhǔn)堆取、安全供應(yīng)及原料輸送的自動(dòng)化、無人化，達(dá)到了減員增效的目的。

2 水泥原料無人值守輸送系統(tǒng)組成

水泥原料無人值守輸送系統(tǒng)主要由堆取料機(jī)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)、安全避碰防護(hù)系統(tǒng)、PLC集群控制系統(tǒng)等組成。

堆取料機(jī)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)通過準(zhǔn)確計(jì)算堆取料機(jī)作業(yè)位置和調(diào)車位置，精準(zhǔn)定位堆取料機(jī)位置，為堆取料機(jī)三維掃描提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)通過掃描計(jì)算物料體積和空間位置，實(shí)現(xiàn)物料的可視化和數(shù)字化管理，同時(shí)結(jié)合精準(zhǔn)定位系統(tǒng)保證堆取料機(jī)之間的安全距離；安全避碰防護(hù)系統(tǒng)可提前預(yù)知并規(guī)避設(shè)備的碰撞隱患，提高設(shè)備使用安全性；PLC集群控制系統(tǒng)對(duì)水泥原料堆場的設(shè)備使用進(jìn)行集中控制，達(dá)到水泥原料輸送系統(tǒng)無人值守的目標(biāo)。

2.1 堆取料機(jī)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

（1）行走定位

我公司水泥原料輸送系統(tǒng)示意見圖1。水泥原料堆場中，原煤堆料機(jī)、輔料堆料機(jī)、輔料取料機(jī)1、輔料取料機(jī)2采用倍加福RFID與編碼器融合定位技術(shù)，原煤取料機(jī)采用邁測L2激光測距傳感器和編碼器融合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)行走的精準(zhǔn)定位。

圖1 水泥原料輸送系統(tǒng)示意

堆取料機(jī)RFID行走定位基于無線射頻識(shí)別技術(shù)，沿堆取料機(jī)行走軌道方向，每隔固定測量距離安裝若干RFID定位標(biāo)簽，行走堆取料機(jī)通過安裝于車輪附近的RFID讀寫器，讀取當(dāng)前標(biāo)簽的位置信息，修正堆取料機(jī)位置編碼器數(shù)值，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的精準(zhǔn)定位。RFID定位的優(yōu)點(diǎn)在于使用簡單，穩(wěn)定可靠；定位標(biāo)簽數(shù)量越多，安裝間隔距離越小，定位精度越高。RFID定位的缺點(diǎn)在于安裝施工量大，定位標(biāo)簽數(shù)量越多，成本則越高。

（2）俯仰定位

堆取料機(jī)的俯仰定位一般采用編碼器和傾角測量儀相融合的方式，傾角測量儀較多采用基于MEMS技術(shù)的三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，測量儀安裝方便，測量精度可達(dá)0.1°。此外，亦有采用基于RTK技術(shù)及差分GPS技術(shù)進(jìn)行俯仰定位的方式，但這兩項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用成本較高，且與傾角測量儀相比，安裝部署較為不便。

我公司堆取料機(jī)俯仰角的測量采用倍加福F99-Fusion慣性測量單元和編碼器相結(jié)合的方案。

2.2 激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)

堆取料機(jī)三維掃描技術(shù)主要包括視覺識(shí)別技術(shù)和激光雷達(dá)掃描技術(shù)。堆取料機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)主要通過雙目視覺矯正方式實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)三維空間建模。該技術(shù)利用不同拍攝角度的圖片或視頻，通過立體匹配的方式獲取堆取料機(jī)三維信息，可有效利用現(xiàn)場已有監(jiān)控視頻信息進(jìn)行堆取料機(jī)三維空間建模，成本較激光雷達(dá)掃描技術(shù)低，但受限于拍攝角度定位差異，其三維空間建模精度不高。此外，由于該技術(shù)需對(duì)視頻信息展開大量的特征匹配計(jì)算，三維空間建模時(shí)間長，不能滿足堆取料自動(dòng)作業(yè)的高實(shí)時(shí)性要求。

激光雷達(dá)掃描技術(shù)實(shí)施方式有三維激光雷達(dá)掃描和二維激光雷達(dá)掃描，三維激光雷達(dá)掃描一般基于當(dāng)前較為流行的“HDDM+升級(jí)型高分辨率距離測量”技術(shù)，是比較理想的三維空間建模技術(shù)，但價(jià)格高昂，不利于實(shí)際項(xiàng)目部署。

綜上，在水泥原料堆場物料三維空間建模應(yīng)用上，二維激光雷達(dá)掃描是目前較為適宜的選擇，其價(jià)格合理，技術(shù)成熟穩(wěn)定，被大量項(xiàng)目采用。

二維激光雷達(dá)掃描主要包括：固定云臺(tái)掃描、頂部掃描小車掃描、隨堆取料機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)行掃描等三個(gè)方面，需經(jīng)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)處理、堆取料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、時(shí)間同步、激光雷達(dá)坐標(biāo)系和堆場坐標(biāo)系坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換、三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)網(wǎng)格規(guī)格化及空間插值等，最后生成物料可視化結(jié)果。

（1）采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)同步

激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)是一組一定角度范圍內(nèi)測距數(shù)據(jù)的集合，測量角度范圍越大、角度分辨率越高，則采集數(shù)據(jù)量越大。因此，激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的傳輸一般采用以太網(wǎng)可靠性和實(shí)時(shí)性均較強(qiáng)的TCP-Socket通信傳輸技術(shù)，PLC通信一般采用Mod?bus-TCP、TCP-Socket等方式。與激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)相比，存儲(chǔ)于PLC內(nèi)的堆取料機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)量小、通信速度快，因此，激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)需與堆取料機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步匹配，同步方式較多采用數(shù)據(jù)加時(shí)間戳及緩存讀取等方式。

（2）坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換

由于激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)是一組角度數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)的集合，屬于極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，且位于雷達(dá)的局部坐標(biāo)系，需要結(jié)合堆取料機(jī)的行走、俯仰、回轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換，將局部坐標(biāo)系下的極坐標(biāo)形式雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為堆場全局坐標(biāo)系下的笛卡爾坐標(biāo)形式的數(shù)據(jù)。極坐標(biāo)數(shù)據(jù)見圖2，數(shù)據(jù)同步變換見圖3，笛卡爾坐標(biāo)變換見式（1），堆場坐標(biāo)矩陣變換見式（2），數(shù)據(jù)參數(shù)含義見表1。

表1 數(shù)據(jù)參數(shù)含義

圖2 極坐標(biāo)形式雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為堆場全局坐標(biāo)系下的笛卡爾坐標(biāo)形式數(shù)據(jù)

圖3 數(shù)據(jù)同步變換

（3）“點(diǎn)云”網(wǎng)格化及空間插值

經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及濾波處理完成后，激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)變成了三維笛卡爾坐標(biāo)系下“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。此“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)在二維平面下的投影雜亂、不均勻，不便于后續(xù)堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)算法的實(shí)施和其三維可視化的呈現(xiàn)，需進(jìn)行網(wǎng)格規(guī)格化（以右手坐標(biāo)系為例，Y方向?yàn)槲锪细叨确较颍?，即，將XOZ平面分割成等尺寸的均勻網(wǎng)格，長寬皆為dxz，初始高度皆為0（y=0），經(jīng)算法處理后，散亂的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)在XOZ平面上被放置在網(wǎng)格交點(diǎn)上，“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)網(wǎng)格化一般有反距離平均、鄰域搜索等算法。網(wǎng)格化插值計(jì)算見圖4。

圖4 網(wǎng)格化插值計(jì)算

2.3 安全避碰防護(hù)系統(tǒng)

設(shè)備安全避碰一般包括基于硬件的被動(dòng)避碰和基于軟件的主動(dòng)避碰兩種方式。

2.3.1 被動(dòng)式避碰

設(shè)備的被動(dòng)式避碰，主要是指利用安裝在設(shè)備上的限位開關(guān)、碰撞開關(guān)、超聲波測距儀等檢測設(shè)備碰撞狀態(tài)，被動(dòng)執(zhí)行報(bào)警、停機(jī)及退回等操作，屬于較低級(jí)的安全避碰措施。我公司原料堆場輸送系統(tǒng)采用超聲波和拉繩開關(guān)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)與物料、堆取料機(jī)與堆取料機(jī)間的被動(dòng)式避碰。

2.3.2 主動(dòng)式避碰

在被動(dòng)式避碰的基礎(chǔ)上，設(shè)備的主動(dòng)式避碰是指利用精準(zhǔn)定位技術(shù)、三維空間建模信息、設(shè)備空間尺寸信息等，計(jì)算設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與物料將要發(fā)生碰撞的特征點(diǎn)位置，并給出設(shè)備避碰策略控制指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在自動(dòng)作業(yè)過程的安全避碰。主動(dòng)式避碰主要包括以下幾種實(shí)施方法：

（1）平面投影法

對(duì)堆取料機(jī)進(jìn)行地面投影，將三維避碰問題轉(zhuǎn)化為二維避碰問題。該方法計(jì)算簡單，在避碰精度要求不高的情況下，具有一定的實(shí)用性，但不適用于我公司輸送系統(tǒng)的高精度避碰要求。

（2）空間機(jī)構(gòu)學(xué)計(jì)算法

將堆取料機(jī)簡化為近似空間線段，計(jì)算此空間線段的位置數(shù)據(jù)。一般情況下，該技術(shù)的避碰準(zhǔn)確性高于平面投影法，但由于其忽略了堆取料機(jī)的外形、厚度、尺寸和不規(guī)則特性，在某種情況下，避碰效果較差。

（3）包圍盒檢測法

相比于前兩種方法，包圍盒檢測法（特別是矩形包圍盒檢測法）較好地考慮了堆取料機(jī)的厚度、寬度等尺寸信息，一定程度提高了堆取料機(jī)避碰效果，但該方法同樣未考慮堆取料機(jī)外形的不規(guī)則性，在某種特定工況下，其避碰效果不佳。

綜上分析，本系統(tǒng)采用了對(duì)堆取料機(jī)大臂進(jìn)行網(wǎng)格化的創(chuàng)新方法，并對(duì)堆取料機(jī)進(jìn)行了完整的空間數(shù)學(xué)建模，采用預(yù)先測算堆取料機(jī)與堆取料機(jī)、堆取料機(jī)與物料間的三維距離信息的方式，提前預(yù)知并規(guī)避碰撞隱患，屬于比較超前且智能的安全避碰措施，極大地提高了設(shè)備使用的安全性。設(shè)備之間及設(shè)備與物料避碰示意見圖5。

圖5 設(shè)備之間及設(shè)備與物料避碰示意

2.4 PLC集群控制系統(tǒng)

PLC集群控制系統(tǒng)是指通過計(jì)算機(jī)調(diào)度算法對(duì)PLC進(jìn)行集中控制，將原料堆場所有設(shè)備看作是一個(gè)集群，從而將5臺(tái)堆取料機(jī)設(shè)備的20多種調(diào)車方式從手動(dòng)控制變?yōu)樽詣?dòng)控制。本公司原料輸送PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200系列產(chǎn)品，通過現(xiàn)場的無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)連接到中控S7-1500 PLC系統(tǒng)。PLC集群控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。

圖6 PLC集群控制系統(tǒng)架構(gòu)

3 應(yīng)用效果

水泥原料輸送無人值守系統(tǒng)是一種全自動(dòng)、智能堆取料系統(tǒng)，該系統(tǒng)在我公司水泥生產(chǎn)線成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了堆取料機(jī)自動(dòng)識(shí)別料堆、自動(dòng)尋址定位、自動(dòng)作業(yè)，操作員僅需在中控室監(jiān)控整個(gè)料場的設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行情況即可。

本文以三維掃描數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，建立了水泥原料輸送系統(tǒng)模型，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測試,實(shí)現(xiàn)了大型水泥廠生產(chǎn)工藝中水泥原料輸送的自動(dòng)化、無人化，提高了水泥生產(chǎn)的智能化水平和生產(chǎn)效率。