基于激光测距仪的汽车煤全自动采样机改造

基于激光测距仪的汽车煤全自动采样机改造
作者：王光；冯浩；






       随着国家能源政策的不断推进和电力体制改革的逐步深化， 燃料成本已占燃煤发电企业成本的70%以上， 因此妥善处理火电厂入厂燃料验收意义重大。 即使在正确进行采样、 制样和化验的情况下， 该3个方面引起的误差占检验总方差的比重分别为 80%、 16%和 4%。所以， 采样工作是入厂煤一验收的重要环节 。燃煤发电企业为了降本增效， 需使用煤炭采样机做好煤质验收的把关工作，目前国内使用的大部分采样机由于种种原因在使用过程中人员操作强度高、 人为干预性大， 从而使采得的煤样代表性低 。为了避免以上弊端， 研制能随机采样的无人操作全自动采样机已成为市场的强烈需求。

1.采样机改造前的运行情况及问题分析

        华能运河电厂共机组6台， 其总装机容量共计1 240 MW, 耗煤量 295 万t/a, 日均用煤 8100 t, 全部采用汽车运输， 日进煤量高达 2.1 万t。 作为全汽运大型燃煤发电企业共配备4台采样机。 所有采样机均为PLC控制的桥式汽车煤机械采样机， 主要由大车行走机构、 小车行走机构、 采样头、 集样器等组成。 各设备由电机驱动， 可以实现半自动 及手动控制方式。 2012 年电厂与内蒙古立信集团公司合作， 建立燃料自动监管系统。 在使用过程 中发现系统存在以下2个主要问题：

(1)采样过程人为干预因素多， 代表性差。 引入燃料自动监管系统后， 采样点位置虽由监管系统 随机给出， 但操作采样头到取样位置以及采样深度 等仍由操作人员利用操作杆或鼠标控制， 采用事后调阅视频监控的方式也难以界定采样的实际位置是否和随机给出的位置完全吻合， 该采样方式不仅劳 动强度大， 且获得的煤样代表性差。

(2) 燃料自动监管系统随机产生的采样点有效 性差。 采样点由自动监管系统根据车厢的大体尺寸给出， 经常出现采样点位千汽车厢体以外或位于车 厢拉筋位置的情况， 对工作效率带来影响；由千随 机布点是否有效需进行人工判断， 也给实现自动引 导采样带来了障碍。

2.改造方案

        根据原采样机出现的一系列问题， 决定通过控制系统硬件改造和燃料自动监管系统软件改造后再加装定位系统， 从而实现汽车煤的全自动采样。

2. 1 采样机控制系统改造

        基于DCS系统更为强大的扩展性和灵活性，保留原有采样机的机械部分， 舍弃采样机自身的PLC控制系统， 利用在主设备上广泛使用的、 成熟的DCS系统对采样机进行控制。 利用MODBUS通讯协议实现DCS系统与燃料自动监管系统的数据交互。DCS组态程序由电厂自主设计， 打破了采样机厂家的技术垄断，不仅解决了引导采样头按照自动监管系统给出的分布点进行采样的功能， 同时也为进一步丰富系统功能清除了技术壁垒。

2.2 燃料自动监管系统改造

       建立车厢厢体尺寸数据库：分别将到厂运煤车辆的车牌号、 车厢厢体尺寸、 厢底离地高度、 拉筋位置等参数存入燃料自动监管服务器的数据库中。完善随机采样点的计算算法： 当DCS系统发送车辆的车尾坐标后， 根据该车的参数计算出3个 有效的随机采样点， 从而避开车厢框体和拉筋。增加随机选瓶功能：根据车牌号、矿别、 桶号和桶中已采次数计算出随机的桶号， 然后将桶号发送给DCS系统， 从而控制集样器转到指定的采样桶处把煤样放到采样桶中。

2.3 定位系统安装

       采样机的全自动控制是基于采样头坐标、 煤车位置和煤车拉筋位置的定位， 故定位是实现采样机全自动改造的核心关键。 综合考虑各定位方式的可靠性和可实现性， 决定采用激光测距仪实现坐标定位。 在桥式采样机大车侧面安装1个三角支架， 在三角支架上安装测距仪X和测距仪Z。 在小车车厢上安装测距仪Y。  将3个测距仪读数接入DCS中。

3 定位系统原理和全自动采样流程

3. 1 定位系统工作原理

      测距仪X用来定位大车的坐标， 测距仪Z感知煤车车尾位置和定位煤车尾部车角的坐标， 测距仪Y 用来定位小车的坐标。假如a为整个采样区域宽度，b为测距仪Y的 安装位置到采样头圆心的距离， x为测距仪X的读数， y为测距仪Y的读数， z为测距仪Z的读数。 则当大车右侧原点位置向左侧移动、 测距仪Z感应到煤车尾部时， 此时煤车尾部车角的坐标为(x, z); 当大、 小车在采样区域移动时， 采样头的坐标为(x, y +b)。

3.2 全自动采样流程

        在采样区域煤车的车头处安装1个桉钮，按钮常开点接入DCS中， 当煤车停至采样区域后， 燃料自动监管系统会自动识别车辆牌号， 监管系统通过喇叭语音提示司机下车， 司机下车按下按钮以启动全自动采样。  大车带动三角支架以较慢的速度从右往左移动， 当测距仪Z测得的数据z小于a时， 说明测距仪Z感应到了煤车尾部，正与煤车尾部持平， 此时大车停下， 煤车尾部车角坐标为(x, z)。DCS把煤车尾部车角坐标传给燃料自动监管系统， 燃料自动监管系统根据识别的车辆牌号从数据库中调出该煤车的车长、 车宽、 拉筋位置， 根据接收到的煤车尾部车角坐标随机的在采 样区域中生成3个有效的采样坐标点， 然后将3个采样坐标点和计算出的采样桶号再传回给DCS系统，再由DCS系统控制大、小车移动和集样器转动，使采样头到达指定的采样坐标点进行采样，并将煤样放到指定的采样桶中。3个随机采样点采样 完毕后，大、小车自动回到原位。

4 改造成效

       基于激光测距仪的全自动采样机实现了采样全过程无人工干预， 整个采样过程实现了司机的 “一键启动”，劳动强度减少，节约了用工成本；车厢厢体数据库建成至今， 随机采样点取到车厢外或车厢拉筋位置的概率被控制在 1 次/5000 车，且仍继续降低，采样效率大幅提高；增强了所采煤样的代表性，为化验入厂煤热值提供了有效保证，且取得了供煤商的一致信任，极少发生热值争议，同时收回了个别煤矿的煤质采样权。

      运河电厂先后对4台桥式采样机进行技术改造， 改造后的采样机只需煤车司机启动按钮即可完成采样工作， 利用激光测距仪实现定位， 通过DCS系统和燃料监管系统的相互配合可有效降低工作人员的劳动强度及提高煤样的代表性， 实现了 “横向到边、 纵向到底” 的机械采样， 在国内达到了全汽运来煤全自动机械取样的优异水平。





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