5G技術在火電廠輸煤系統中的應用探索

趙鳳祥

(廣東大唐國際雷州發電有限責任公司，廣東 湛江 524255)

0 引言

5G 作為新一代信息通信技術已與工業經濟高度融合，在工業領域得到了廣泛應用，涵蓋研發設計、生產制造、運營管理、產品服務四大工業環節。

2021-07-12，工業和信息化部、中央網信辦、國家發改委等十部門聯合印發《5G 應用“揚帆”行動計劃(2021—2023年)》，提出到2023年我國5G 應用發展水平要顯著提升，綜合實力持續增強，實現5G 在大型工業企業滲透率達到35 %、每重點行業5G 示范應用標桿數達到100 個、5G 物聯網終端用戶數年均增長率達到200 %三大指標。同月下旬，全國5G 行業應用規模化發展現場會在廣東深圳、東莞召開，會議要求全力推動5G 行業應用創新，更好地服務經濟社會高質量發展，以多種形式發展5G+智能工廠、5G+智能電網、5G+智慧港口等一系列融合創新的應用行業，樹立一批高水平應用標桿，形成一批成熟的應用解決方案，建設一批行業特色應用集群，凸顯了5G 加速助力工業界數字化轉型的重要作用。

探索5G 通信技術在火電廠煤場斗輪機和碼頭卸船機控制系統自動控制領域的應用，探討5G 技術在輸煤系統的應用中應采取的安全防范措施，以期為輸煤系統后續的智能化應用和改進提供參考。

1 5G 技術特點

(1) 高速率。5G 依托4G 良好的技術架構，方便地構建起新的技術，讓用戶體驗到更高的網速。以往工作主要依托較低頻段的4G 網絡，低頻段的好處是傳播性能優越，運營商用較少的成本(少量基站)即可達到很好的覆蓋，但不足是低頻段的連續頻率資源非常稀缺，4G LTE 網絡中單個載波最大頻率范圍是20 MHz，通過載波聚合技術雖然可將多個非連續載波合起來使用達到較高速率，但依然不能滿足當今大數據時代對于網絡的需求。而5G 采用了4G 時代未被使用的高頻，使用大規模天線(massive MIMO)高頻資源的頻率，波長較短(毫米波)，可在很小的范圍內集成天線陣列，結合波束賦形追蹤，即可彌補高頻通信在傳播上的受限。

(2) 大容量。受限于終端的功耗及無線網絡的覆蓋能力，廣域物聯網仍處于初期萌芽狀態，5G推出了針對廣域物聯網的窄帶物聯網技術，可通過限定終端的速率降低使用帶寬、終端發射功率、天線復雜度(SISO)，優化物理層技術，使終端耗電量降低，支持更多的終端接入。

(3) 低時延。5G 網絡的時延邁進了100 ms 關口，使時延降至更低，為更多對時延要求極致的應用提供了空間。

(4) 實景化。5G 時代使空間信息服務更加社會化、大眾化，實景三維信息更完整、語音信息更豐富、空間關系更精準。應用人工智能、5G 網絡、云計算區塊鏈技術等可提高海量數據處理速度、智能化水平，實現傳感、測量、控制、感知一體化，以及更精準的自動化、精細化管理。

2 5G 技術在火電領域的應用方向

(1) 智能化生產。5G 技術應用于發電機組主、輔設備智能診斷系統，可對各設備生產過程的數據進行自動采集、分析和判斷，實現運轉設備主要運行參數在線監控、在線狀況自動判定；5G 技術應用于煤場斗輪機和碼頭卸船機，可實現遠程實時控制，提高運維效率的同時促進設備操控向無人化轉型，實現現場設備運維無人值守，提高運維效率；無人機航拍、機器人巡檢等的應用，可實現生產現場作業人員遵章守紀行為監督，使重要場所的安全防護向智能化、可視化、高清化升級。

(2) 智慧化運營。5G 技術可實現輸煤皮帶機運行過程的智能巡檢、輸煤系統生產過程的在線監控及狀態自動判定，并判斷設備運行、環境及人員操作是否存在異常，從而提升輸煤系統安全性。

(3) 綠色發展。5G 技術應用于鍋爐排煙、除塵、脫硫脫硝各環節的能源消耗和污染物排放數據采集，可協助環保部門實時監控發電企業生產環節中的問題，并進行工藝優化和設備升級，降低能耗成本和環保成本，從而實現清潔低碳的綠色化生產。

3 5G 技術在輸煤系統中的應用探索

3.1 5G 技術應用于輸煤系統的必要性

卸船機、斗輪機作為火電廠煤碼頭和煤場的重要卸、取煤設備，其穩定性直接關系到火電廠的燃料保供安全，但由于煤碼頭和煤場作業環境差、作業時間長、勞動強度高等原因，操作人員在工作中極易出現誤操作。例如螺旋卸船機原操作是通過司機室控制手柄及按鈕進行手動操作，或者由司機站在碼頭或船上通過遙控手柄對螺旋卸船機進行遠程手動操作。司機操作時，無論在司機室內俯視船艙，還是站在碼頭或船上遙控操作，都會受到天氣狀況、司機室玻璃潔凈度等因素影響，導致視角和視覺能見度很難看清船艙內殘煤狀態。操作取料中，司機還需彎腰低頭保持高專注力，且卸船過程中勞動強度極大，長時間卸船作業對卸船機司機體力、耐力、視力等考驗極大，易發生卸船機與船只碰撞、卸船機喂料頭與船底部碰撞等不安全事件。因此，基于5G 技術開發一種可實現無人值守的智能化卸船機、斗輪機全自動控制系統尤為必要。

3.2 5G 智能化控制系統開發

雷州發電公司對卸船機、斗輪機堆取料機進行智能化設計，對碼頭和煤場范圍進行5G 無線信號全覆蓋，通過與斗輪機控制系統網絡對接，實現以太網轉5G 無線通信，將煤場管理系統相關實時控制信息、視頻信息通過5G 網絡傳輸至控制室集控系統。

煤場管理系統軟件三維數據引擎采用Opengl，開發平臺采用Visual Studio 2013 或以上版本，指令采用C++語言，系統服務器采用SQL server2012。據此開發的遠程控制系統軟件以三維方式顯示規定區域內船倉和整個煤場料堆及設備的動態模型，真實反映出相應作業場所的狀態；同時，遠程控制系統軟件能夠自動調用視頻信號，利用斗輪堆取料機定位系統獲得設備的準確位置信息，通過高精度激光掃描設備對煤場進行三維成像、建模，并將所有現場信息采集至無人值守智能控制軟件；系統軟件接收操作員輸入信息，經過分析計算優化斗輪堆取料機作業任務，并將作業過程所需特征點實時傳送到斗輪堆取料機控制系統，從而實現斗輪堆取料機自動堆垛、開層、換層、空場堆垛、補垛等堆取料全過程無人值守全自動作業，以及卸船機、斗輪機對燃煤卸、堆取料機的智能化操控。

3.3 應用成效

雷州發電公司通過在碼頭建立5G 通信基站及全自動監視和操作配套設施，使卸船機實現四自由度高精度姿態定位，建立三維仿真系統，對實際生產狀態進行三維模擬，將原來手動控制模式更改優化為任務單自動控制模式，對螺旋卸船機控制系統及安全系統進行整體升級，與控制室進行局域網通信，實現了卸船機無人值守作業。

激光掃描儀使物料探測系統在氣象及環境狀況良好時，能進行非常準確的測量；結合雷達料位計，利用雷達長波，可穿透高粉塵、嚴重潮氣惡劣環境檢測到處于粉塵或霧幕后面的物料，實現船艙物料的三維成像與探測，準確獲取船艙內散貨物料分布情況，提供動態實時的船艙內料堆可視化狀態，實現螺旋卸船機自動取料，為螺旋卸船機的智能控制提供資源數據支持；同時，增加的安全檢測傳感器，能夠防止碰撞，實現了螺旋卸船機的安全作業。

該卸船機、斗輪機無人值守系統在確保穩定運行基礎上，還保留了原有傳統堆、取料功能以及輸煤程控系統正常運行能力，斗輪機司機室現場保留了人工操作的功能，以防5G 無人值守系統出現異常時相關設備能及時轉為人工操作，以確保電廠燃料供應安全。

4 安全維護建議

(1) 保障通信網絡安全。5G技術應用于卸船機、斗輪機等火電廠設備，其基礎是5G 通信網絡，因此首先要滿足5G 移動通信網的安全需求、新技術驅動的安全需求以及垂直行業驅動的安全需求。

(2) 防止軟件設計漏洞。5G 技術的應用使得終端的定義不再局限于傳統的手持終端，而是涵蓋了數量更為龐大、種類更為豐富的IOT 物聯網終端。若終端芯片設計上存在的漏洞或硬件體系安全防護不足，終端身份可能被盜用，數據被竊取、篡改，卸船機、斗輪機終端用戶的無人值守程序將不能正常操作，不能實現自動卸煤和上煤。因此，需要從軟件設計角度考慮操作系統運行的各類應用安全，防止攻擊者通過對軟件系統發起注入攻擊、釣魚攻擊等以達到其控制和更改終端軟件目的。

(3) 抓牢安全測試和權限管理。控制器是網絡調度的中心，當其發出錯誤指令或發生故障時，就會使整個網絡或操作系統癱瘓，因此安全可靠的控制器對于網絡或操控系統至關重要。控制器和底層交換設備之間的通道要防止受到人為攻擊或破壞，需要對控制器上運行的應用軟件進行安全測試，以防被植入惡意代碼。與此同時，要抓牢應用隔離和權限管理，限制應用對底層資源的訪問權限，防止負責數據轉發的底層交換設備遭受各種攻擊，比如防止有人用虛假流信息填滿流表、修改交換機對數據包的操作等入侵交換機，除定期進行防攻擊性檢測防護外，還可通過流控、擁塞丟包和超時調整等方式抵御外部攻擊。

(4) 做好設備安全維護。要對卸船機、斗輪機等應用5G 實現無人值守的自動控制系統做好日常安全檢查和維護。要保證三維激光掃描儀、雷達料位計等檢測設施安全可用，確保檢測信息準確、可靠，并能夠安全可靠地將現場信息傳遞給自動控制處理中心；平日要清除電纜周圍煤粉，以防發生自燃燒毀電纜；要加強對探頭、觸碰開關等部件的日常檢查和定期保養，以防部件失靈導致卸船機、斗輪機自動控制發生故障。

(5) 建立多級防護機制。5G 技術在卸船機、斗輪機等火電廠設備上的應用目前尚在研究、試用、經驗積累的摸索階段，使用過程中可能會出現各種問題，需要加強系統的完好性檢查和維護，提高其使用中的安全性、可靠性；同時要建立必要的多級安全協同防護機制，做好應急狀況缺陷處理，并對5G 應用存在的安全風險和可能出現的安全問題制定相應的安全防護措施，以確保5G 應用自動控制系統安全穩定運行。