某公司7500t/d水泥熟料生產線輔料堆場有5臺堆取料機，用于轉運輸送4種水泥原料，一直采用人工調車加半遠程手動操作輸送物料，作業效率與生產安全完全取決于操作人員的熟練程度與操作方式。通過對設備進行智能化改造，建立水泥原料無人值守輸送系統，實現了水泥生產原料的科學存儲、精準堆取、安全供應及原料輸送的自動化、無人化，達到了減員增效的目的。

水泥原料無人值守輸送系統主要由堆取料機精準定位系統、激光雷達掃描系統、安全避碰防護系統、PLC集群控制系統等組成。

堆取料機精準定位系統通過準確計算堆取料機作業位置和調車位置，精準定位堆取料機位置，為堆取料機三維掃描提供數據基礎；激光雷達掃描系統通過掃描計算物料體積和空間位置，實現物料的可視化和數字化管理，同時結合精準定位系統保證堆取料機之間的安全距離；安全避碰防護系統可提前預知并規避設備的碰撞隱患，提高設備使用安全性；PLC集群控制系統對水泥原料堆場的設備使用進行集中控制，達到水泥原料輸送系統無人值守的目標。

2.1 堆取料機精準定位系統

（1）行走定位

某公司水泥原料輸送系統示意見圖1。水泥原料堆場中，原煤堆料機、輔料堆料機、輔料取料機1、輔料取料機2采用倍加福RFID與編碼器融合定位技術，原煤取料機采用邁測L2激光測距傳感器和編碼器融合定位技術，實現堆取料機行走的精準定位。

圖1 水泥原料輸送系統示意

堆取料機RFID行走定位基于無線射頻識別技術，沿堆取料機行走軌道方向，每隔固定測量距離安裝若干RFID定位標簽，行走堆取料機通過安裝于車輪附近的RFID讀寫器，讀取當前標簽的位置信息，修正堆取料機位置編碼器數值，實現堆取料機的精準定位。RFID定位的優點在于使用簡單，穩定可靠；定位標簽數量越多，安裝間隔距離越小，定位精度越高。RFID定位的缺點在于安裝施工量大，定位標簽數量越多，成本則越高。

（2）俯仰定位

堆取料機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技術的三軸加速度計和三軸陀螺儀，測量儀安裝方便，測量精度可達0.1°。此外，亦有采用基于RTK技術及差分GPS技術進行俯仰定位的方式，但這兩項技術的工程應用成本較高，且與傾角測量儀相比，安裝部署較為不便。

該公司堆取料機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合的方案。

2.2 激光雷達掃描系統

堆取料機三維掃描技術主要包括視覺識別技術和激光雷達掃描技術。堆取料機視覺識別技術主要通過雙目視覺矯正方式實現堆取料機三維空間建模。該技術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三維信息，可有效利用現場已有監控視頻信息進行堆取料機三維空間建模，成本較激光雷達掃描技術低，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，由于該技術需對視頻信息展開大量的特征匹配計算，三維空間建模時間長，不能滿足堆取料自動作業的高實時性要求。

激光雷達掃描技術實施方式有三維激光雷達掃描和二維激光雷達掃描，三維激光雷達掃描一般基于當前較為流行的“HDDM+升級型高分辨率距離測量”技術，是比較理想的三維空間建模技術，但價格高昂，不利于實際項目部署。

綜上，在水泥原料堆場物料三維空間建模應用上，二維激光雷達掃描是目前較為適宜的選擇，其價格合理，技術成熟穩定，被大量項目采用。

二維激光雷達掃描主要包括：固定云臺掃描、頂部掃描小車掃描、隨堆取料機機構運行掃描等三個方面，需經激光雷達掃描數據處理、堆取料機運行數據采集、時間同步、激光雷達坐標系和堆場坐標系坐標矩陣轉換、三維坐標數據網格規格化及空間插值等，最后生成物料可視化結果。

（1）采集數據和數據同步

激光雷達掃描數據是一組一定角度范圍內測距數據的集合，測量角度范圍越大、角度分辨率越高，則采集數據量越大。因此，激光雷達掃描數據的傳輸一般采用以太網可靠性和實時性均較強的TCP-Socket通信傳輸技術，PLC通信一般采用Mod⁃bus-TCP、TCP-Socket等方式。與激光雷達掃描數據相比，存儲于PLC內的堆取料機運行數據量小、通信速度快，因此，激光雷達掃描數據需與堆取料機的運行數據進行時間同步匹配，同步方式較多采用數據加時間戳及緩存讀取等方式。

（2）坐標矩陣轉換

由于激光雷達掃描數據是一組角度數據和距離數據的集合，屬于極坐標數據，且位于雷達的局部坐標系，需要結合堆取料機的行走、俯仰、回轉等數據進行坐標矩陣轉換，將局部坐標系下的極坐標形式雷達數據轉換為堆場全局坐標系下的笛卡爾坐標形式的數據。極坐標數據見圖2，數據同步變換見圖3，笛卡爾坐標變換見式（1），堆場坐標矩陣變換見式（2），數據參數含義見表1。

表1 數據參數含義

（3）“點云”網格化及空間插值

經坐標轉換及濾波處理完成后，激光雷達掃描數據變成了三維笛卡爾坐標系下“點云”數據。此“點云”數據在二維平面下的投影雜亂、不均勻，不便于后續堆取料機自動作業算法的實施和其三維可視化的呈現，需進行網格規格化（以右手坐標系為例，Y方向為物料高度方向），即，將XOZ平面分割成等尺寸的均勻網格，長寬皆為dxz，初始高度皆為0（y=0），經算法處理后，散亂的“點云”數據在XOZ平面上被放置在網格交點上，“點云”數據網格化一般有反距離平均、鄰域搜索等算法。網格化插值計算見圖4。

圖4 網格化插值計算

2.3 安全避碰防護系統

設備安全避碰一般包括基于硬件的被動避碰和基于軟件的主動避碰兩種方式。

2.3.1被動式避碰

設備的被動式避碰，主要是指利用安裝在設備上的限位開關、碰撞開關、超聲波測距儀等檢測設備碰撞狀態，被動執行報警、停機及退回等操作，屬于較低級的安全避碰措施。我公司原料堆場輸送系統采用超聲波和拉繩開關等設備，實現堆取料機與物料、堆取料機與堆取料機間的被動式避碰。

2.3.2主動式避碰

在被動式避碰的基礎上，設備的主動式避碰是指利用精準定位技術、三維空間建模信息、設備空間尺寸信息等，計算設備與設備、設備與物料將要發生碰撞的特征點位置，并給出設備避碰策略控制指令，實現設備在自動作業過程的安全避碰。主動式避碰主要包括以下幾種實施方法：

（1）平面投影法

對堆取料機進行地面投影，將三維避碰問題轉化為二維避碰問題。該方法計算簡單，在避碰精度要求不高的情況下，具有一定的實用性，但不適用于公司輸送系統的高精度避碰要求。

（2）空間機構學計算法

將堆取料機簡化為近似空間線段，計算此空間線段的位置數據。一般情況下，該技術的避碰準確性高于平面投影法，但由于其忽略了堆取料機的外形、厚度、尺寸和不規則特性，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的厚度、寬度等尺寸信息，一定程度提高了堆取料機避碰效果，但該方法同樣未考慮堆取料機外形的不規則性，在某種特定工況下，其避碰效果不佳。

綜上分析，本系統采用了對堆取料機大臂進行網格化的創新方法，并對堆取料機進行了完整的空間數學建模，采用預先測算堆取料機與堆取料機、堆取料機與物料間的三維距離信息的方式，提前預知并規避碰撞隱患，屬于比較超前且智能的安全避碰措施，極大地提高了設備使用的安全性。設備之間及設備與物料避碰示意見圖5。

2.4 PLC集群控制系統

PLC集群控制系統是指通過計算機調度算法對PLC進行集中控制，將原料堆場所有設備看作是一個集群，從而將5臺堆取料機設備的20多種調車方式從手動控制變為自動控制。本公司原料輸送PLC控制系統采用西門子S7-1200系列產品，通過現場的無線網絡，經網關連接到中控S7-1500PLC系統。PLC集群控制系統架構見圖6。

水泥原料輸送無人值守系統是一種全自動、智能堆取料系統，該系統在我公司水泥生產線成功應用，實現了堆取料機自動識別料堆、自動尋址定位、自動作業，操作員僅需在中控室監控整個料場的設備自動運行情況即可。

本文以三維掃描數據流為基礎，建立了水泥原料輸送系統模型，經過現場實際測試,實現了大型水泥廠生產工藝中水泥原料輸送的自動化、無人化，提高了水泥生產的智能化水平和生產效率。

作者：蔡照海

來源：《湖州槐坎南方水泥有限公司》

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