智能煤场的设计与实现
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摘要：我国许多煤场的堆取料都是通过人工来进行，工作量大，效率低，且堆取料的工作效率与司机的状态密切相关。因此设计出一个煤场自动堆取料系统对于提高煤场堆取料的工作效率，减少人工的参与，具有巨大意义。本文的系统主要分为三部分，激光扫描实时成像、自动堆取料指令控制和中央控制管理软件三个部分。
关键词：激光扫描；煤场；自动堆取料
1.前言
悬臂式堆料机专用来散料场物料堆放大型轨道式移动设备，其是由悬臂皮带机、俯仰结构、尾车机构、行走机构和回转机构等组成。根据其操作方式可分为手动、半自动和全自动，在水泥场、港口、钢厂和电厂应用广泛。手动即人工操作，是国内堆取料机最广泛采取的一种控制方式；半自动也需要司机的操作，但是在可以设置料堆形状规则的端点和层高，可完成自动作业，司机在过程中进行监控和必要的干预；全自动简而言之即机上不再配备操作人员，完全靠设备自身识别料堆，经过程序的控制，实现堆取作业。
2.论文主要研究工作
本文采用仿真设计、理论研究以及现场安装调试相结合的手段，设计出智能煤场系统，结果达到了减少人工操作，提高工作效率，提高设备自动化程度及安全稳定运行等目的。如下：
（1）介绍了本课题的研究意义及背景和堆料机操作模式国内外发展现状。
（2）介绍了智能煤场系统的总体设计，其中包括系统目标、系统功能、软件设计、硬设计等等。
（3）介绍了基于激光扫描的三维建模系统设计。其中包含三维可视化，软件三维建模，硬件安装调试。
（4）介绍了该系统的程序设计、RSVIEW组态软件开发、PLC硬件设计，实现了全自动作业界面、远程手动界面、远程上位设定界面及故障界面等功能。
3.激光扫描采集与点云数据处理
本系统实时运行的数据来源是激光扫描成像模块，按其功能的实现可分为原始料堆电云数据的优化处理、堆料实时三维数据扫描采集和料堆实时数据的存储更新三个模块。LMS100型扫描仪是由德国SICK公司生产的一款激光扫描仪，使用成熟的激光时间飞行原理，非接触式检测，同事添加多次回拨检测技术，从而使LMS100在糟糕的环境下工作也可以确保测量的高精度。该系统在煤场的自动堆取料的模型数据扫描使用斗轮机悬臂装载LMS100激光扫描仪方式对料堆进行连续、快速、线性扫描。利用该激光扫描仪的测距原理，则可获得煤堆表面上各点到扫描仪中心点的角度和距离值，综合大车走行位置、回转角度、俯仰角度相对于整个料场大坐标系下的三维坐标数据以及扫描仪中心点位于料堆大坐标系下的绝对坐标，再构建料堆的三维立体模型，为后面的工作打好基础。
4.自动堆取料作业控制方案研究
该系统的无人化功能的核心是自动堆取料控制，并且本系统是否成功的关键是自动堆取料的实现。PLC借助编码器与料机进行数据交互，达到控制料机工作的目的。
4.1 悬臂式斗轮堆取料机介绍
悬臂式斗轮堆取料机，常用于装卸煤炭、矿石等大型物料，因为该机型的高效，而被广泛运用于建筑、化工、电厂、港口等环境。在本系统中，将三维激光扫描仪固定在悬臂斗轮位置，在工作时通过激光扫描仪采集料堆的三维数据。该料机内部安装了PLC控制系统，通过编码器等信号检测传感器，料机的各个装置可与PLC实时通讯。操作人员可依据具体情况，设计一个高效的作业策略，借助PLC与上位机的数据交互，可完成固定的任务。
4.2 PLC 网络通讯实现
S7-300是由德国西门子公司制造的一款可编程控制器类产品，使用了模块化的结构组成。由于其较强的抗干扰能力和过程控制能力，而被广泛应用于工业领域中，是一款性价比非常高的产品。该系统的堆取料控制核心使用S7-300系列PLC。
4.2.1 MP协议接口
MPI也就是多点接口，适用于PLC之间通讯的一种网络协议。德国西门子PLC的通信协议有CP243/CP343/CP443、MPI、PPI、Profibus网络协议，MPI通常用于对速率要求不高、数据量不大的一种简单经济的通讯方式。
4.2.2 Prodave 程序接口
在PLC和PC的端口MPI设置成功以后，PLC和PC之间的通信管道已经完成。如果要想实现该系统上位机程序有效控制PLC，应将数据通讯中间件Prodave安装在PC端，其中Prodave是用于S7和PC系列PLC之间数据连接通信的工具箱。Prodave可提供许多基于Windows操作系统的DLL函数，被用來处理PLC和PC间数据通讯和交换处理等问题。
4.3 自动堆取料控制指令设计
本系统采用增量式编码器对系统大机实时工作运行状态进行检测和控制，根据实
际工作用途主要分为大机走行编码器、悬臂俯仰编码器和左右回旋编码器。将这三
个编码器分别安装在大机相对应的动作转轴上，使编码器的转轴与大机的各个转轴
保持同步的转速，当编码器转动时会发出与转动的圈数严格对应的脉冲，通过计数
此脉冲就可以准确得知转轴转动的角度，并将计数器的计数值存储到PLC中的存储单元，上位机对该存储单元进行读取操作，即可明确大机的运行状态，以进行进一步的处理和控制。本系统采用的增量式编码器转动一圈发送600个脉冲，一圈为360°，据关系换算可知，编码器每发送1个脉冲，转动角度大小为π/300。当料机转轴转动时，编码器轴随着料机转轴一起转动，并发出脉冲，PLC中的计数器用来接收此脉冲并计数，然后进行相应的处理。
5.总结
本系统为了改进港口煤炭装卸工作环境及料堆装卸业的自动化水平，设计出了一个料场堆料扫描成像和堆取料控制方案，完成了煤炭料堆自动堆取料和实时监控的目的。本文的主要研究成果和工作包括以下几点：
（1）设计了煤堆激光成像系统，建立了从原始扫描点距离值到料场坐标系下的三维坐标值的数学转换关系，提出了对原始点云数据边界提取与优化处理的算法和基于矩形分割区域更新的料堆信息更新方案。
（2）设计和实现了料机自动作业控制系统，PLC借助固定在料机转轴机构处的回旋、走行和俯仰编码器，和料机进行数据传输，同时与扫描仪扫描数据进行融合。
（3）设计实现了中央控制管理上位机软件，按功能实现分为三个部分，分别是扫描仪配置管理模块、PLC 控制管理模块和用户管理模块，对开发的中控管理软件各个功能应用进行调试和检验，证明了中控管理软件的可行性。
参考文献
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[2]Vila?a J L，Fonseca J C，Pinho A M.Calibration procedure for 3D measurement systems using two cameras and a laser line[J].Optics & Laser Technology，2009，41（2）：112-119.
[3]马立广，地面三维激光扫描测量技术研究：[硕士学位论文]，武汉；武汉大学，2005.
作者简介：王卉（1996.10-），女，江西省上饶市人，哈尔滨南岗区黑龙江大学，电子与通信工程2018级，硕士，信号与检测；
汪国强（1963.09-），男，黑龙江省哈尔滨市人，黑龙江大学电子工程学院副院长，在职教授，研究方向为智能视频监控，图像处理等。
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