一種鍋爐爐內檢修人員安全監控系統

趙重陽，丁永三，黃 俊，張 禹，周黎輝

（1.國家能源集團諫壁發電廠，江蘇 鎮江 212006；2.上海迅見自動化有限公司，上海 200125）

0 引言

燃煤鍋爐是火電廠最重要的大型設備之一，電廠鍋爐內部的檢修主要分為兩類，一類是定期進行全面的檢修，另一類是發生爐膛事故時的檢修[1-3]。鍋爐爐膛內檢修的工作環境非常復雜而且條件惡劣：首先，鍋爐爐膛是一個大型、全金屬、基本密閉的空間；其次，其上層區域密布大量受熱管排，檢修人員要在狹窄的管排之間行走，有時甚至需要半蹲通過，而鍋爐下部空間空曠，需要在受限空間搭設腳手架或吊裝平臺。此外，鍋爐爐膛內空氣不流通，煤灰粉塵濃度高，缺乏照明等情況，都增加了檢修人員的安全風險。在這樣的環境中工作，檢修人員容易發生磕碰、跌落等人身傷亡事故。近年來，鍋爐爐膛檢修時人員傷亡時有發生，其中有多起墜落傷亡的事故，也有因為作業環境惡劣引起的人員高血壓突發情況，至于未上報的磕碰等輕微傷害事故應該更多。

圖1 鍋爐爐內人員安全監控系統結構示意圖Fig.1 Diagram of personnel safety monitoring system in boiler furnace

本文開發和應用了一種鍋爐爐內檢修人員安全監控系統，可以實時監控爐內人員的精確位置和活動狀態。通過該系統，安全生產管理人員可以實時掌握鍋爐檢修現場所有人員的精確位置，同時在線監測人員的生命體征，監測人員高空跌落情況。當發生人員傷害事故、高空墜落事故，或者人員走錯工作位置時，系統自動發出報警。此外，現場人員遇險或被困時，可以發出求救信號。通過該系統的應用，可以實現對生產人員安全的實時、精準管理，從而預防和減少人員傷害事故的發生。

1 系統結構

鍋爐爐內人員安全監控系統的基本構成由人員安全手環、定位基站、監控平臺三層構成，監控平臺上可以接入數據服務器、監控計算機、手機等移動設備，如圖1 所示。安全手環與定位基站之間采用超寬帶（UWB）方式進行通信[4,5]，定位基站與監控平臺之間采用標準的TCP/IP 局域網進行通信。

2 安全手環

安全手環如圖2 所示，一般佩戴在現場工作人員的手腕上。安全手環中集成了多種傳感器和控制、顯示元件，主要元件和電路包括：超寬帶（UWB）信號收發器、心率傳感器、跌落傳感器、微型震動馬達、觸控按鈕、液晶顯示屏、電池和電源回路、微控制單元（MCU）和控制回路。

UWB 信號收發器的功能一方面是作為定位基站進行定位偵測的信號標簽，另一方面是實現與定位基站之間的數據傳輸，并由定位基站進行協議轉換，實現與監控平臺之間的數據傳輸。UWB 信號收發器內置全向天線，數據傳輸速率為6800 Kbit/s[6]。

圖2 安全手環Fig.2 Safety bracelet

心率傳感器位于安全手環背面，佩戴時緊貼人體腕部皮膚，功能是監測心率，當發生心率異常時，發出心率報警信號，心率異常的條件包括心率過低、心率過高、心率突變。

跌落傳感器的功能是監測位置移動變化，當發生位置以自由落體方式下落超過2m 時，判定為意外跌落事故，發出跌落報警信號。

微型震動馬達的功能是向佩戴者發出信息提醒。由于電廠噪音比較大，安全手環如果采用聲音提示的話，很難聽見。因此，采用微型震動馬達的方式，佩戴者感覺到震動，可以從液晶屏看到具體信息。

觸控按鈕的功能主要是長按2s，即可發出緊急求救信號。另外，觸控按鈕也可用于工程調試或者強制關機。

液晶顯示屏在一般情況下，顯示時間、日期、心率值、電量、ID 號等信息，或者顯示監控平臺發來的信息，佩戴者觸發按鈕求救報警時，顯示“SOS”信息。

電池和電源回路具有智能電量管理功能，在打開心率監測的情況下，充電一次可以連續工作5 天。

3 定位基站

定位基站布設于現場，其功能是偵測并精確定位附近的手環，并實現監控平臺與安全手環之間的信息傳遞。

定位基站與安全手環之間采用UWB 信號傳輸，基于到達時間方法（TOA）監測附近安全手環的精確距離。每3個基站基于3 點定位法計算出安全手環在平面中的精確位置，如果要監測三維立體空間的精確位置，則至少需要4個定位基站，并采用四點定位法計算。

本系統的單個定位基站的監測半徑可以達到50m，缺省監測采樣時間1s，最小監測采樣時間0.1s。在電廠多金屬環境下，對安全手環的實際定位精度可以達到30cm。定位基站采用內置全向天線，無需對時同步機，一般機械振動不會產生明顯誤差。

圖3 定位基站Fig.3 Positioning base station

圖4 典型實時監控界面示例Fig.4 Typical example of real-time monitoring interface

4 定位基站的布設

在機組正常運行的時候，爐膛內部不能安裝布設定位基站。因此，只能在機組停運檢修期間，臨時布設定位基站。而且由于爐膛內部管道密布，每次臨時布設電纜工作量很大。因此，定位基站采用完全無線的布設方式，既沒有通信電纜也沒有供電電纜。定位基站內置WIFI 功能，與監控平臺之間通過無線路由器等連接。同時，定位基站不適用外接電源，依靠內置的可充電鋰電池，可持續工作10h 以上。定位基站反水防塵等級達到IP67，可以在無防護的情況下，直接在機組停運冷卻后的爐膛內部臨時布置。

5 軟件系統

本系統的服務器采用Linux 操作系統，具有更小的開銷和更好的安全性。服務器數據庫采用了基于Linux 環境自主開發的時序數據庫；客戶端采用WEB 訪問方式，不需安裝瀏覽器插件。系統服務器可以同時監控2000 個安全手環，可以同時調度1000 個定位基站，可以同時支持500 人登錄并同時在線查詢使用。

系統主要有以下軟件：定位解算軟件、內存實時數據庫軟件、歷史數據庫軟件、后臺管理和調度軟件、人機交互界面軟件、開放通信接口軟件。

系統的典型人機交互界面如圖4 所示。

人機交互界面基本框架中，框架頂部包括系統登錄信息、在線的人員（標簽）和定位基站數量、滾動實時報警信息、實時報警分類統計。框架底部有實時報警、人員管理、標簽管理、任務管理、歷史記錄、歷史報警、系統管理等功能按鈕。

中間是主顯示區，缺省顯示當前查詢區域的人員位置實況，左上角有當前顯示區域所在的層次關系。點擊圖中某個人員會打開對話框，查詢該人員的詳細信息。

6 應用案例

圖5 定位基站和無線路由器布設位置示意圖Fig.5 Location of base stations and wireless routers

該系統已經成功應用于國家能源諫壁發電廠的2×1000MW 和2×300MW 機組的鍋爐爐膛內部檢修時的人員安全監控。

本系統全部采用無線通信方式，定位基站采用內置電池供電方式，克服了鍋爐爐膛內部難以布線問題，并采用預設位置、爐降溫后臨時布設的方法解決了定位基站的布設問題，采用自供電的無線路由器解決了無線路由器的供電問題。

以300MW 機組鍋爐的第2 層為例，該層是一個開闊的平臺空間，采用標準的四邊形布置方式，如圖5 所示。

由于檢修時有大量腳手架，因此定位基站和無線路由器可以固定在腳手架的管架上，其現場布設如圖6 所示。

7 結束語

圖6 平臺空間實際布設圖Fig.6 Actual layout of platform space

本文針對鍋爐爐內檢修過程中，鍋爐空間全金屬封閉，無線信號無法穿透，定位監測裝置布設困難等問題，設計了一種用于爐內定位的超寬帶定位系統，對整個系統的硬件、軟件、定位算法等方面進行了詳細的研究并給出了具體實現細節。通過該系統，電廠管理者可以實時在線地監控現場人員的生命體征、跌落事故、走錯區域等風險，實時收到人員呼救信息。實際應用結果表明本系統具有很高的定位精度，同時系統穩定性良好，可以實現鍋爐爐內檢修人員在爐內空間的準確定位，實時監測檢修人員的安全，為電廠完善管理手段、主動防范事故，提升安全管理水平創造有利條件。