輸煤本質安全智能管控系統研究

董志軍，陳鴻鑫，王 波，英成境，孫宇迪

(1.國家能源集團宿遷發電有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.北京華電天仁電力控制技術有限公司，北京 100039)

0 引言

火電廠輸煤系統是電廠安全管控業務的重點防護區域。輸煤系統具有生產區域大、戰線長、易磨損、故障擴散速度快等特點，在生產過程中故障與缺陷的排查難度大、人力成本高，制約了設備異常的早期識別及預警，降低了設備的可靠性。同時，輸煤系統工作環境惡劣，粉塵大、噪音高，易產生職業健康問題，易燃易爆粉塵也易導致火災事故。輸煤系統的工作人員中，外部人員較多，人員結構復雜，人員管控難度較大。此外，輸煤區域大型機械設備較多，是機械傷害事故的高發區域。

本質安全管理的管理理念是以事故前的檢測與預防為基礎，不斷健全管理措施，從根本上提高輸煤系統的安全性，減少電廠事故的發生。現有輸煤系統的安全控制系統智能化程度有限，監測功能單一，多系統之間、系統與電廠原有控制系統之間的數據融合存在困難。因此，在本質安全管理中應用先進的計算機技術、通信技術、自動控制技術是提高火電廠輸煤系統安全性、降低事故發生率的重要方向。

1 輸煤系統安全運行現狀

輸煤系統的安全運行包括燃料的安全及時輸送、運行人員安全及運行設備安全。本質安全管理體系是一套以危險源辨識為基礎,以風險預控為核心,以管理員工不安全行為為重點,以切斷事故發生的因果鏈為手段，經過多周期的不斷循環建設，通過閉環管理，逐漸完善提高的全面、系統、可持續改進的現代安全管理體系。

1.1 燃料輸煤系統安全問題分析

(1)?輸煤皮帶異常風險：輸煤皮帶的跑偏、打滑、堵煤漏煤，輸煤皮帶工作面破損、撕裂等。皮帶運行過程中兩側受力不均勻或是運行參數設置不合理等都有可能導致皮帶跑偏，皮帶跑偏就有可能引起跑煤漏煤等情況；皮帶打滑會導致設備磨損；若煤料中含有體積較大的煤塊或是尖銳的金屬雜質，可能會導致皮帶撕裂或出料口堵煤。

(2)?火災風險：輸煤區域含有煤粉等爆炸性粉塵，在密閉區域如輸煤廊道、轉運站中濃度過高可引起爆炸;電纜、煤堆等處溫度過高也易引發火災。

(3)?設備故障風險：輸煤區域安裝有大量電機等機械設備，長期運行中，由于分布范圍較廣且現場條件復雜，若不能有效集中監控，設備健康狀況易產生盲點，容易由此引發設備故障。

(5)?職業健康風險：輸煤區域環境較差、粉塵濃度較高，若未能有效監測環境變量，不能有效控制粉塵濃度，易發生職業健康問題。

(6)?人身傷害事故風險：輸煤區域有斗輪機、清倉吊等大型機械設備，運行過程中周圍區域嚴禁人員靠近，否則容易發生機械傷害事故。

1.2 輸煤系統安全運行有效措施

(1)?人員安全：加強員工安全教育培訓，嚴格監督員工作業規范及行為規范，對作業違章、行為違章進行實時監控、記錄、報警。

(2)?設備安全：系統重要設備振動、溫度等參數實時監控并記錄，對設備運行關鍵參數的變化趨勢進行分析，判斷設備健康狀態，對可能發生的設備故障進行預警。通過視頻監控、編碼器、接觸開關等復合技術手段對皮帶機運行進行全方位監控，監控其撒煤、漏煤、撕裂、打滑、跑偏等情況。

(3)?作業安全：通過門禁、人員定位、視頻監控等手段，提升作業規范性。結合工作票、操作票等管控手段，對關鍵設備、關鍵區域進入權限、關鍵作業過程合規進行全方位管控。

從當前工業建筑設計來看，多數采用單層鋼結構形式，也就是我們常說的工業廠房，由于工業建筑與住宅建筑在使用功能和結構形式等多方面都存在不同，它的屋面設計也比價復雜，通常情況下屋面與墻體面積差不多，甚至有時候會超過墻體面積，比如：大跨度鋼結構廠房，這也給屋面設計提出較高的要求。屋面保溫設計是一種常見的節能技術，在選擇材料的時候需要選擇密度小、導熱系數高的環保材料，除此之外，屋面設計還應該重視防水層材料的選擇，盡量不選擇吸水性強的材料，避免保溫層水分過多而影響保溫效果。

(4)?環境監控：通過測溫、視頻監控、煙感等手段，全面監測輸煤區域火警風險，針對過溫、明火、暗火等情況及時報警。監控作業場所溫度、噪音、粉塵濃度、有害氣體等指標，嚴格控制其在合格范圍內，減少職業健康風險。

2 輸煤本質安全智能管控系統設計

2.1 系統目標

(1)?通過視頻監控設備，搭建生產區域視頻監控網絡。結合圖像處理、圖像識別技術，對人員作業違章、行為違章進行實時監控、記錄、報警，提升生產人員作業與行為規范性，保障人員安全。

(2)?通過底層傳感設備，實時監控關鍵電機設備振動、溫度指標，通過數據分析，對故障及時預警。實時監控皮帶故障及異常情況，對撕裂等故障及時報警，提升設備安全。

(3)?通過電子兩票與人員定位、門禁、視頻監控設備結合，對關鍵作業流程進行全方位監控，提升作業安全。

(4)?通過底層傳感設備、視頻監控設備等實現環境溫度、噪音、粉塵濃度、有害氣體實時監控，針對過溫、明火、暗火等情況及時進行報警，對粉塵濃度超標等危害職業健康情況進行報警。

(5)?通過統一物聯網平臺整合各項功能、管理底層設備、對接其他系統，并實現統一展示與報警。

2.2 系統框架

智能管控系統整體架構設計如圖1所示，分為5層結構。底層的感知層匯聚系統中各類采集終端設備的相關數據，進行統一接入和分類管理。終端設備主要包括定位基站、定位標簽、高清攝像機、各類傳感器等。感知層向上將數據傳輸至網絡層，網絡層以滿足工業應用的無線、有線網絡等方式完成數據的高效傳輸，并通過相應的網絡設備、接口設備、服務器等構成完備統一的網絡傳輸系統。

圖1 系統整體架構

數據層作用是匯聚經過系統的數據，根據業務需要，形成各類應用數據，主要包括：用以實現智能圖像分析的監控視頻圖像數據；用以實現設備同步及操作的設備數據；身份信息、人臉信息等人員數據。平臺層為定制開發的物聯網平臺，為前端感知設備和業務應用起到數據接入、管理和傳輸的中樞作用。平臺通過對接傳感器、門禁、攝像頭、人員定位等設備，實現對不同協議的各類終端的統一管理，同時對接上層業務應用以接口的形式提供數據支撐，根據上層業務系統需求實現設備聯動控制，以滿足其他對接系統對于設備的控制需求。本平臺主要包含設備的接入與管理、數據分析管理與服務支撐、設備聯動控制、任務指令下發等功能。頂層的應用層可以根據電廠的實際業務，模塊化定制應用功能。

2.3 應用功能模塊

應用層結合算法服務、流媒體服務、統一認證服務等一系列技術手段，實現對業務應用的支撐。上層應用體系主要包括生產區域環境監控與識別、人臉識別、設備異常識別等應用模塊，整個智能管控系統涉及7個方面的主要功能模塊，如圖1中應用層所示。

(1)?違章與異常識別報警模塊是通過監控攝像頭與圖像識別技術對監控區域內各類違章與異常情況進行辨識并及時報警，分為5個方面的子功能，各部分功能描述如表1所示。

表1 違章與異常識別報警模塊功能

(2)?設備狀態實時監測模塊是集中監控各傳感器測量信息，對設備故障、環境指標異常等情況進行報警，具體功能設計如表2所示。

表2 設備狀態實時監測模塊功能

(3)?職業健康模塊通過溫度、噪音、粉塵濃度傳感器，實時監測生產環境中可能對人員健康產生危害的上述指標情況并集中展示，對超標情況進行報警。

(4)?人員定位模塊是通過定位基站、定位電子標簽等設備組建定位網絡，實現人員實時定位功能，集中、直觀地展示作業區域內作業人員數量、位置及人員信息，并將定位信息與電子化兩票系統、視頻監控系統結合，對作業人員作業期間跨出作業區域、非作業人員進入作業區域、巡檢作業不到位等行為進行識別與報警，并可即時聯動視頻攝像頭查看現場情況。

(5)?門禁模塊是通過對重點區域增加門禁讀卡器，并對員工卡進行授權，管理重點區域進入權限，防止無關人員進入重點區域。

(6)?輸煤區域易積灰電纜目前常用的沖洗方式是人工持水管、水槍清洗。該系統智能水沖洗模塊將沖洗工作由人工改為自動，通過傳感器、攝像頭等智能終端設備，及時反饋電纜橋架信息，并敷設沖洗水管，通過遠程控制或自動控制實現自動沖洗，解放相關工作人員，減輕了工作人員職業健康風險，消除了人身傷害事故風險，同時節省人工成本、水費成本，提升工作效率。

(7)?輸煤皮帶自動巡檢機器人可以針對輸煤皮帶實時的運行狀態智能自主地選擇巡檢模式，通過搭載視覺系統以及其他復合傳感器系統，保持對運行皮帶的全覆蓋實時監控，并基于機器學習及大數據技術，指導運行人員及時發現皮帶打滑、跑偏、撕裂、煤層溫度異常等故障情況。

2.4 集中展示界面

統一管控平臺將系統的7大功能模塊集中管理，分模塊對上傳數據集中分析與運算，并集中展示。工作人員通過終端PC或展示大屏可訪問展示界面、查詢數據與查看報警信息，實時監控整個輸煤系統安全防護情況，可根據不同的火電廠需求設計不同的功能模塊和展示平臺界面。

3 系統關鍵技術

(1)?基于物聯網技術，實現多系統、多方面融合及聯動，提高各個系統使用效率，打破信息孤島。

(2)?應用機器視覺感知技術和深度學習技術，對視頻圖像內目標特征提取，通過模型訓練自主提升識別能力，從而提升對各類異常與違章情況的辨識能力。

(3)?利用大數據技術，對各類傳感器上傳的海量數據進行分析，掌握設備健康變化趨勢，及時預警故障信息。

(4)?基于UWB的高精度定位技術，其精度滿足人員越界、離崗等違章行為識別要求。

4 預期效益分析

4.1 經濟效益

設計的輸煤本質安全智能管控系統對輸煤系統人員安全、設備安全、作業安全、環境安全進行全方位地實時管控，可達到以下效果。

(1)?可以減少人員違章、違規等現象發生，降低大型設備人身傷害風險，保障人身安全。

(2)?對設備的實時監測，輔助代替人工巡檢，可以提高設備缺陷發現效率，延長設備的使用壽命，減少設備維修成本。

(3)?對輸煤區域環境集中檢測，對過溫、火焰等危險因素及時識別，降低區域火災風險；對有害氣體、噪音、粉塵濃度、溫度超標進行及時報警，防止危害人員健康。

(4)?對關鍵作業過程全方位監控，減少由于人員離崗、擅入、玩忽職守等造成的企業財產損失。

(5)?實現對輸煤系統全自動、全方位監控與識別報警，輔助人員進行管理，提高工作效率，降低人力成本。

4.2 社會效益

輸煤本質安全智能管控系統可以有效提高輸煤系統安全防護水平，減少事故、違章發生；推動企業行業樹立本質安全理念，提高人員安全意識；形成可推廣的輸煤系統本質安全智能化應用模式，推動智慧企業建設，進而推動電力行業智能化發展水平，實現電廠安全、高效、靈活運行，達成發電企業智能化管控目標。

5 結束語

針對火電廠輸煤系統安全管理面臨的一系列問題，基于傳感器網絡與物聯網平臺，利用圖像識別技術、大數據與人工智能技術，設計了上述輸煤本質安全智能管控系統。該系統能夠全面、實時監控輸煤區域人員、設備、作業過程與工作環境信息。系統自動識別異常并發出報警，提升安全管控人員對輸煤系統的全面感知能力，及時發現異常情況并止損。系統自動分析設備運行趨勢并發出預警，從源頭上降低設備故障率，降低由于設備故障發生安全事故的可能性。該系統應用提升人員行為、作業流程的規范性，提升輸煤系統安全管理的整體水平。