推荐单位：国电内蒙古东胜热电有限公司
本文作者：赵俊杰、杨如意、张二祥、陈亚楠、刘海波、邵戊辰、王献文、张越
摘要： 基于柔性导轨式3D激光盘煤机器人，打造智慧电厂数字化煤场和智慧燃料管控系统，动态监视煤场煤堆体积、煤量、煤质、大型设备运行状态和现场温度，并及时、自动推送异常报警，以提高储煤场的数字化状态量化感知和安全风险管控能力。结果表明对煤场煤堆体积的10次验收测试结果表明，柔性导轨式3D激光机器人盘煤的测量相对标准偏差小于千分之1.3，一次完整煤场煤堆的盘煤时间约5分钟。柔性导轨式3D激光盘煤机器人的应用效果包括盘煤时间更短、效率更高，测量精度更高；低成本、全自动、全天候、煤场全覆盖的盘点作业，不受空间限制；支持数据实时上传，实现远程监视、智能巡检和异常诊断报警功能；煤场管理智能化，指导接卸煤分煤种堆放，入炉上煤精确取煤和精细化配煤掺烧；指导燃料采购。
引言
对于燃煤火力发电厂，燃料运行和管理是重要业务，包括煤炭采购、入厂采制化、接卸、煤场存煤、上煤和配煤掺烧。如果煤场存煤发生自燃、煤堆垮塌等安全事故，将影响机组上煤，人员、运输车辆、推煤机和工程车辆安全。此外，实时了解库存煤的煤质和存量，对保证燃煤采购供应、配煤掺烧提高经济性有重要影响。目前，大部分的电厂对煤场库存的盘点，还是采用手持式盘煤仪的方式，存在耗时长、工作效率低下、测量精度差、人员劳动强度大等问题。
国电东胜公司为打造全流程智慧燃料管理，实现燃料管理极致安全和极致精细化的最高境界火电厂无人燃料系统，提出打造六大无人燃料工程，包括无人采制（包括无人采样、全自动制样、无人存取样系统）、无人机械臂化验室、输煤皮带上实时化验系统、无人斗轮机、无人盘煤系统和数字化煤场、无人输煤运行系统。因此，有必要结合智能设备、工业互联网、物联网、机器人、人工智能等技术，尝试实现无人盘煤系统，用机器人自动巡检测量和算法重构代替人的盘煤作业，实现煤场实时、快速盘煤和清点库存，指导输煤运行和配煤掺烧，提高火电厂煤场精细管理和经济掺烧的能力。
本研究基于柔性导轨式3D激光盘煤机器人，打造智慧电厂数字化煤场和智慧燃料管控系统，动态监视煤场煤堆体积、煤量、煤堆形状、大型设备运行状态和现场温度，并及时、自动推送异常报警，以提高储煤场的数字化状态量化感知和安全风险管控能力。本文的分析有助于了解一种新型的燃煤电厂煤场盘煤先进技术，通过3D激光先进探测，柔性导轨式实现低成本覆盖，降低现场工作人员的劳动强度，三维图像重构建模实现煤堆堆形和容积计算，更及时、更高效的煤场盘煤实现煤场量化管控和精细化配煤掺烧。
1 现状和存在的问题以国电内蒙古东胜热电有限公司为例进行分析，煤场已经完成了全封闭的工程建设。1号煤场长150 m、宽90 m，存煤量为5~6万吨。2号煤场长200 m、宽115 m，存煤量为15~18万吨。
传统的人工手持式盘煤仪测量耗时长，测量标准度差、重复精度差。无人机盘煤技术适用于开放式煤场，但受信号光线和天气影响较大，此外也受到封闭建筑物内GPS信号定位不准的影响，不适合封闭式煤场和全天候作业。斗轮机载激光探头进行盘煤的技术存在很大的测量盲区，测量精度差。
基于封闭式煤场和固定激光扫描仪的盘煤技术存在的问题包括：
（1）成本高昂。根据条形煤场长度和扫描仪覆盖半径确定布点数量。图1示出1号煤场长150 m、宽90 m，一台激光盘煤仪的有效覆盖半径一般为60 m，需要布置4台固定式激光盘煤仪，对整个封闭煤场进行覆盖式扫描。激光扫描仪一般为进口采购，价格高达30多万元，一个煤场的盘煤需求，仅激光探头的硬件设施采购就需要120多万元，再加上电源、数据传输通讯线路、后台操控软件、施工费用等，成本至少为160万元。同理，2号煤场尺寸大于1号煤场，也需要4台固定式激光盘煤仪，才能实现封闭煤场的覆盖式扫描。
图1 封闭煤场的全自动激光盘煤仪布置图
（2）存在扫描盲区，部分情况下产生较大的测量误差。如果只布置2台固定式激光盘煤仪，也能够完成全场煤体积量的盘点，但是煤垛0~25米和125~150米体型端部可能会产生扫描死角。尤其是当存煤量比较大的时候，端部堆型复杂，激光无法拐弯。若端部有不规则凹陷，激光是无法扫描到的，软件模拟只能根据煤炭的自然堆积特性和角度进行模拟纠正，无法模拟出现凹陷的部分。因此，软件模拟补偿后，端部会理想处理为完整的梯形，存煤量会比实际偏高，产生较大的误差。
数字化煤场和燃料智能管理要求煤场实时盘煤数据高度准确，因此布置两个激光扫描仪测点是无法满足实际需求的。采用四台固定式激光盘煤仪基本满足各种复杂情况的实时盘煤需求，但在相邻两台激光盘煤仪的扫描重叠中央区域，受到斗轮机作业干扰时，仍会有少量测量盲区和误差。
2 结构设计和技术应用柔性导轨式3D激光盘煤机器人的组成包括柔性导轨系统、三维动态激光扫描仪、定位模块、通信模块、防尘供电模块、驱动电机、后台监控分析软件，采用的技术包括：
（1）柔性导轨式运动技术。图2示出在煤场条形煤剁上方中间位置安置一条平行轨道及柔性缆绳，将三维动态激光扫描设备挂载在机器人上。机器人本体没有电机驱动，通过煤场两侧上方的电机拖动柔性缆绳往复运动，从而驱动机器人在煤场上方行走。设备测量作业中运行速度0.5~1m/s，巡检速度1~3m/s。
相比传统盘煤设备，柔性导轨式盘煤机器人携带激光扫描仪沿着煤棚顶部中央的柔性轨道行走，煤场盘点作业时，不受限于工作面和工作地点，工作域区可任意划定。柔性轨道系统及设备轻巧，安装灵活轻便，不会对煤棚结构造成影响。
图2 柔性导轨式3D激光盘煤机器人对煤场和斗轮机状态的监控
（2）机器人远程控制技术。机器人可按预先设计好的程序执行工作任务，实现全程无需人工干预的智能盘煤和自动巡护。每隔一段固定的时间自动盘煤并记录数据，也可远程半自动或全手动控制盘煤机器人。
（3）三维动态激光扫描技术。3D激光盘煤机器人技术采用导轨上的机器人携带三维动态激光扫描仪作为检测装置，对煤堆场的目标料堆进行实时扫描，获得高精度的料堆表面点云位置信息。测量精度高，确保料堆形状三维重构模型精准可靠。测量用时短，可实现实时盘煤。原装进口的三维动态激光传感器，设备自身具有定位功能，保证发射位空间坐标的精准，确保测量数据皆为绝对值，以达到最终测量数据的精准。
（4）基于凸包划分和三角剖分算法的煤堆三维结构图像重构技术。基于凸包划分和三角剖分算法等建模技术，对3D激光传感器扫描获得的实时料堆表面点云位置数据，进行三维图像重构建模，可获得图3所示的几乎真实的三维煤场煤堆立体结构图。图3示出的三维煤堆数字模型可做到360度全方位旋转。
（5）数字化煤场。图4示出基于激光盘煤和图像重构得到煤堆的三维立体图形，进而可计算出煤堆的体积、存煤量，并通过数字化煤场软件标签技术，动态关联矿点、煤种、煤质、煤价等信息。基于无人盘煤技术的数字化煤场，以三维图形全面直观动态展示煤场状态，包括不同煤场和同一煤场不同区域的存煤体积（图4）、煤库存量、煤炭密度、热值、全水分、硫分、煤场温度、斗轮机位置及运行状态、分层分区域展示的来煤种类、来煤批次、堆存时间、接卸煤的入场历史、入炉煤上煤的出场历史、收耗存统计等相关数据。
图3 煤堆三维结构的图像重构
图4 柔性导轨式3D激光盘煤机器人后台软件展示的盘煤结果
（6）煤场动态监视和安全分析诊断技术。针对煤场中作业的大型机械设备，盘煤机器人支持智能巡护功能，可跟踪盘点作业，提供煤场安全防护预警。图2示出盘煤机器人可通过搭载的高清摄像头及三维图像重构技术，清晰地监控斗轮机的位置和运行状态。基于红外测温仪，测量料堆表面温度，结合三维模型塑造温度场，对煤炭自燃及超温进行预警。
3 实施效果分析柔性导轨式3D激光盘煤机器人是在煤场网络、数据库平台和控制系统基础上，利用自动控制技术、物联网技术、三维动态激光扫描技术、Web技术、无线通讯技术，结合火电厂先进的管理思想对煤场的运行和管理进行数字化和智能化提升。将信息技术、工业技术全面融合，实现煤场三维动态显示和精细化智能管理，以提高盘煤作业效率，降低成本，为电厂配煤掺烧提供数字化基础。柔性导轨式3D激光盘煤机器人的应用效果包括：
（1）盘煤时间更短、效率更高，测量精度更高。机器人盘煤技术的设计测量相对误差小于千分之5，确保实时盘煤的测量精度。设备运行速度快，采集数据时间短，一次完整煤场煤堆的盘煤时间约5分钟。导轨式激光盘煤测量相比固定式激光盘煤测量，消除了测量过程中的盲区和死角，测量结果更精准。图5示出采用柔性导轨式3D激光盘煤机器人对煤场煤堆体积的10次实际验收测试结果表明，相对标准偏差小于千分之1.3。
（2）低成本、全自动、全天候、煤场全覆盖的盘点作业，不受空间限制。通过巡航参数的设定，系统可实现24小时不间断、全自动盘点作业。动态扫描过程中无盲区、无死角，完全覆盖煤场内整个料堆，可实现任意指定区域范围内的无障碍动态测量作业。全部测量数据由三维动态激光器自动采集，无需人工干预，不受工作面和工作地点限制，工作域区可任意划定。一台柔性导轨式3D激光盘煤机器人可完全满足单个煤场的盘煤工作，一个煤场的工程造价约60~70万元，相比固定激光盘煤技术一个煤场造价160万元，降低约100万元，成本降幅巨大。成本和性能的巨大优势，柔性导轨式3D激光盘煤机器人技术必将成为封闭式煤场智能盘煤的优先选择。
图5 柔性导轨式3D激光盘煤的测试结果
（3）支持数据实时上传和分析，实现远程监视、智能巡检和异常诊断报警功能。测量得到的数据，可实时上传至后台燃料自动监管软件（一体化燃料智慧管理平台），通过服务器处理计算，生成反映煤场整体存煤状况的三维煤堆数字化模型，并同时更新煤场信息化管理系统中相应数据报表。
此外，盘煤机器人搭载的可见光和红外摄像头，可对煤场中煤粉自燃，斗轮机、卸煤车、铲车等设备的运行状态进行远程监视。结合煤堆盘煤得到的三维图形，判断是否有煤堆塌垛、超温等异常情况，并及时提供安全预警，避免煤堆自燃和斗轮机碰撞等事故发生。同时，盘煤机器人可根据斗轮机作业状态，调整自身空间位置，动态扫描、计算、分析和监控斗轮机的装卸工作量，实时提供当前料堆数字模型及三维空间坐标，指导斗轮机精准对位、开层等作业。
（4）煤场管理智能化，指导接卸煤分煤种堆放，入炉上煤精确取煤和精细化配煤掺烧。通过盘煤机器人和数字化煤场，科学规划煤场分类堆放，实时监测煤场储煤的位置、形态和储量，关联煤质和价格信息，智能指导入炉上煤。结合无人斗轮机技术，可实现基于配煤掺烧智能算法的机器人盘煤、斗轮机取煤、入炉上煤掺烧的全流程煤场智能化管理。
（5）指导燃料采购。根据动态、精确、直观的煤场储煤分布，按照煤质变化、储存时间、自燃情况，以及锅炉设计参数、发电负荷计划、煤场储煤实际情况，智能制定掺配方案。基于掺配方案和锅炉燃烧效果的实时量化评估，可推算出最佳的来煤量和煤种需求信息，进而科学指导燃煤采购。
4 结论基于柔性导轨式3D激光盘煤机器人，打造智慧电厂数字化煤场和智慧燃料管控系统，动态监视煤场煤堆体积、煤量、煤质、大型设备运行状态和现场温度，并及时、自动推送异常报警，以提高储煤场的数字化状态量化感知和安全风险管控能力。结果表明：
（1）柔性导轨式3D激光盘煤机器人基于安装在煤棚顶部中间位置的柔性导轨式机器人搭载的激光扫描设备作为检测装置，对堆场的目标料堆进行实时扫描，利用凸包划分和三角剖分算法等建模技术，对扫描获得的实时数据进行三维图像重构建模。基于盘煤机器人实时盘煤技术的数字化煤场，以三维图形直观动态展示煤场状态，包括不同煤场和同一煤场不同区域的煤种、煤量、热值、全水分、硫分、堆存时间等数据。
（2）柔性导轨式3D激光盘煤机器人的组成包括柔性导轨系统、三维动态激光扫描仪、定位模块、通信模块、防尘供电模块、驱动电机、后台监控分析软件。
（3）柔性导轨式3D激光盘煤机器人采用的技术包括柔性导轨式运动技术、机器人远程控制技术、三维动态激光扫描技术、基于凸包划分和三角剖分算法的煤堆三维结构图像重构技术、数字化煤场、煤场动态监视和安全分析诊断技术。
（4）柔性导轨式3D激光盘煤机器人的应用效果包括盘煤时间更短、效率更高，测量精度更高；低成本、全自动、全天候、煤场全覆盖的盘点作业，不受空间限制；支持数据实时上传，实现远程监视、智能巡检和异常诊断报警功能；煤场管理智能化，指导接卸煤分煤种堆放，入炉上煤精确取煤和精细化配煤掺烧；指导燃料采购。
（5）对煤场煤堆体积的10次验收测试结果表明，柔性导轨式3D激光机器人盘煤的测量相对标准偏差小于千分之1.3。一次完整煤场煤堆的盘煤时间约5分钟。
参考文献
[1] 韩华锋， 马玉娟， 黄一志， 杨萌萌， 郭滔， 刘然， 张伟， 孙亚飞. 1000 MW 级火电机组智慧电厂建设研究[J]. 中国电力， 2018， 51(10): 49-55.
[2] 沈跃军， 马克， 崔畅元， 周健， 兰俊生， 赵俊杰. 大数据与逻辑故障树在火电厂故障诊断中应用[J]. 电力设备， 2018， (10): 62-63.
[3] 刘吉臻， 胡勇， 曾德良， 夏明， 崔青汝. 智能发电厂的架构及特征[J]. 中国电机工程学报， 2017， 37(22): 6463-6470.
[4] 赵俊杰， 陆海涛， 吴豪， 杨如意， 王利敏， 王献文， 刘强， 胡勇. 基于人工智能算法的智能视频识别燃煤火电厂跑冒滴漏[J]. 神华科技， 2019， 17(9): 40-44.
[5] 华志刚， 郭荣， 汪勇. 燃煤智能发电的关键技术[J]. 中国电力， 2018， 51(10): 8-16.
[6] 赵俊杰， 陆海涛， 包海斌， 吴豪， 赵思嘉， 张继东， 周健. 基于锅炉四管可视化的防磨防爆监测和智能泄漏预警[J]. 神华科技， 2019， 17(8): 47-50.
[7] 华志刚， 郭荣， 崔希， 汪勇. 火电智慧电厂技术路线探讨与研究[J]. 热力发电， 2019， 48(10): 8-14.
[8] 赵俊杰， 马克， 陆海涛， 胡勇， 刘强， 杨如意， 吴豪， 沈跃军. 燃煤火电机组全新一代智能控制系统ICS的架构与应用[J]. 能源科技， 2020， 18(1): 46-51.
[9] 陈世和， 张曦. 基于工业4.0的智能电站控制技术[J]. 自动化博览， 2015， (9): 42-50.
[10] 赵俊杰， 吴豪， 周健， 孙奇辉， 罗立权， 陈笔， 俞路军. 基于煤质与燃烧特性优化火力电站配煤掺烧方法[J]. 神华科技， 2019， 17(5): 89-93， 96.
