智能煤場的設計與實現
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摘要：我國許多煤場的堆取料都是通過人工來進行，工作量大，效率低，且堆取料的工作效率與司機的狀態密切相關。因此設計出一個煤場自動堆取料系統對于提高煤場堆取料的工作效率，減少人工的參與，具有巨大意義。本文的系統主要分為三部分，激光掃描實時成像、自動堆取料指令控制和中央控制管理軟件三個部分。
關鍵詞：激光掃描；煤場；自動堆取料
1.前言
懸臂式堆料機專用來散料場物料堆放大型軌道式移動設備，其是由懸臂皮帶機、俯仰結構、尾車機構、行走機構和回轉機構等組成。根據其操作方式可分為手動、半自動和全自動，在水泥場、港口、鋼廠和電廠應用廣泛。手動即人工操作，是國內堆取料機最廣泛采取的一種控制方式；半自動也需要司機的操作，但是在可以設置料堆形狀規則的端點和層高，可完成自動作業，司機在過程中進行監控和必要的干預；全自動簡而言之即機上不再配備操作人員，完全靠設備自身識別料堆，經過程序的控制，實現堆取作業。
2.論文主要研究工作
本文采用仿真設計、理論研究以及現場安裝調試相結合的手段，設計出智能煤場系統，結果達到了減少人工操作，提高工作效率，提高設備自動化程度及安全穩定運行等目的。如下：
?。?）介紹了本課題的研究意義及背景和堆料機操作模式國內外發展現狀。
?。?）介紹了智能煤場系統的總體設計，其中包括系統目標、系統功能、軟件設計、硬設計等等。
?。?）介紹了基于激光掃描的三維建模系統設計。其中包含三維可視化，軟件三維建模，硬件安裝調試。
?。?）介紹了該系統的程序設計、RSVIEW組態軟件開發、PLC硬件設計，實現了全自動作業界面、遠程手動界面、遠程上位設定界面及故障界面等功能。
3.激光掃描采集與點云數據處理
本系統實時運行的數據來源是激光掃描成像模塊，按其功能的實現可分為原始料堆電云數據的優化處理、堆料實時三維數據掃描采集和料堆實時數據的存儲更新三個模塊。LMS100型掃描儀是由德國SICK公司生產的一款激光掃描儀，使用成熟的激光時間飛行原理，非接觸式檢測，同事添加多次回撥檢測技術，從而使LMS100在糟糕的環境下工作也可以確保測量的高精度。該系統在煤場的自動堆取料的模型數據掃描使用斗輪機懸臂裝載LMS100激光掃描儀方式對料堆進行連續、快速、線性掃描。利用該激光掃描儀的測距原理，則可獲得煤堆表面上各點到掃描儀中心點的角度和距離值，綜合大車走行位置、回轉角度、俯仰角度相對于整個料場大坐標系下的三維坐標數據以及掃描儀中心點位于料堆大坐標系下的絕對坐標，再構建料堆的三維立體模型，為后面的工作打好基礎。
4.自動堆取料作業控制方案研究
該系統的無人化功能的核心是自動堆取料控制，并且本系統是否成功的關鍵是自動堆取料的實現。PLC借助編碼器與料機進行數據交互，達到控制料機工作的目的。
4.1 懸臂式斗輪堆取料機介紹
懸臂式斗輪堆取料機，常用于裝卸煤炭、礦石等大型物料，因為該機型的高效，而被廣泛運用于建筑、化工、電廠、港口等環境。在本系統中，將三維激光掃描儀固定在懸臂斗輪位置，在工作時通過激光掃描儀采集料堆的三維數據。該料機內部安裝了PLC控制系統，通過編碼器等信號檢測傳感器，料機的各個裝置可與PLC實時通訊。操作人員可依據具體情況，設計一個高效的作業策略，借助PLC與上位機的數據交互，可完成固定的任務。
4.2 PLC 網絡通訊實現
S7-300是由德國西門子公司制造的一款可編程控制器類產品，使用了模塊化的結構組成。由于其較強的抗干擾能力和過程控制能力，而被廣泛應用于工業領域中，是一款性價比非常高的產品。該系統的堆取料控制核心使用S7-300系列PLC。
4.2.1 MP協議接口
MPI也就是多點接口，適用于PLC之間通訊的一種網絡協議。德國西門子PLC的通信協議有CP243/CP343/CP443、MPI、PPI、Profibus網絡協議，MPI通常用于對速率要求不高、數據量不大的一種簡單經濟的通訊方式。
4.2.2 Prodave 程序接口
在PLC和PC的端口MPI設置成功以后，PLC和PC之間的通信管道已經完成。如果要想實現該系統上位機程序有效控制PLC，應將數據通訊中間件Prodave安裝在PC端，其中Prodave是用于S7和PC系列PLC之間數據連接通信的工具箱。Prodave可提供許多基于Windows操作系統的DLL函數，被用來處理PLC和PC間數據通訊和交換處理等問題。
4.3 自動堆取料控制指令設計
本系統采用增量式編碼器對系統大機實時工作運行狀態進行檢測和控制，根據實
際工作用途主要分為大機走行編碼器、懸臂俯仰編碼器和左右回旋編碼器。將這三
個編碼器分別安裝在大機相對應的動作轉軸上，使編碼器的轉軸與大機的各個轉軸
保持同步的轉速，當編碼器轉動時會發出與轉動的圈數嚴格對應的脈沖，通過計數
此脈沖就可以準確得知轉軸轉動的角度，并將計數器的計數值存儲到PLC中的存儲單元，上位機對該存儲單元進行讀取操作，即可明確大機的運行狀態，以進行進一步的處理和控制。本系統采用的增量式編碼器轉動一圈發送600個脈沖，一圈為360°，據關系換算可知，編碼器每發送1個脈沖，轉動角度大小為π/300。當料機轉軸轉動時，編碼器軸隨著料機轉軸一起轉動，并發出脈沖，PLC中的計數器用來接收此脈沖并計數，然后進行相應的處理。
5.總結
本系統為了改進港口煤炭裝卸工作環境及料堆裝卸業的自動化水平，設計出了一個料場堆料掃描成像和堆取料控制方案，完成了煤炭料堆自動堆取料和實時監控的目的。本文的主要研究成果和工作包括以下幾點：
?。?）設計了煤堆激光成像系統，建立了從原始掃描點距離值到料場坐標系下的三維坐標值的數學轉換關系，提出了對原始點云數據邊界提取與優化處理的算法和基于矩形分割區域更新的料堆信息更新方案。
?。?）設計和實現了料機自動作業控制系統，PLC借助固定在料機轉軸機構處的回旋、走行和俯仰編碼器，和料機進行數據傳輸，同時與掃描儀掃描數據進行融合。
（3）設計實現了中央控制管理上位機軟件，按功能實現分為三個部分，分別是掃描儀配置管理模塊、PLC 控制管理模塊和用戶管理模塊，對開發的中控管理軟件各個功能應用進行調試和檢驗，證明了中控管理軟件的可行性。
參考文獻
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[3]馬立廣，地面三維激光掃描測量技術研究：[碩士學位論文]，武漢；武漢大學，2005.
作者簡介：王卉（1996.10-），女，江西省上饒市人，哈爾濱南崗區黑龍江大學，電子與通信工程2018級，碩士，信號與檢測；
汪國強（1963.09-），男，黑龍江省哈爾濱市人，黑龍江大學電子工程學院副院長，在職教授，研究方向為智能視頻監控，圖像處理等。
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