基于LoRa技術的低功耗分布式煤堆測溫系統研究

王勇，江學文，賀琪

（1.浙江浙能溫州發電有限公司燃料部，浙江溫州，325602；2.杭州集益科技有限公司，浙江杭州，311200）

0 引言

燃煤電廠的燃料成本占據發電成本的 70%～80%，分別受電煤采購入廠環節、電煤庫存管理環節及電煤入爐摻燒環節影響[1]。配煤摻燒技術已成為提高火力發電機組運行安全性、環保性、經濟性的重要手段[2,3]。煤低溫氧化嚴重威脅著煤堆特別是褐煤等經濟煤種的儲運安全，同時給電廠帶來一定的經濟損失。因此，對煤堆溫度實行實時監控，以便在煤自燃發生的初始階段發現問題，進而采取措施加以解決，是預防煤堆自燃的重要手段。從原理上分，測溫方法有熱電阻法、熱電偶法、光纖測溫法、指標氣體探測法、紅外線探測法等；從裝置形式上分，有測溫槍（分有線和無線二種）、光纖、束管監測裝置、紅外測溫儀等[4]。束管監測裝置、紅外測溫儀屬于間接測量，測量準確性較差；測溫槍、光纖需要人工預埋，測溫工作量較大，且測溫球需要在取煤前取出。

在斗輪機實現全自動控制系統[5]后，改變傳統測溫裝置形態和預埋方式，實現自動預埋和遠程無線自動傳輸監測數據成為了可能。本文以LoRa技術為基礎，利用斗輪機全自動控制系統，設計了一套低功耗分布式煤堆測溫系統。

1 系統概況

某燃煤電廠，總裝機容量252萬千瓦，燃料煤場有2座，分別為#2、#3煤場。其中，#3煤場為平面矩形布置，長度約403m，寬約98.6m，設計儲量13萬噸。#3煤場內設有一臺#3斗輪機，斗輪機型號為DL2000t/1000t.35。目 前#3煤場已完成氣膜全封閉改造，#3斗輪機已完成斗輪機集中全自動控制系統改造，實現了遠程自動運行。由于電廠大量采購經濟煤種褐煤，煤堆經常發生自燃現象，因此電廠進行了煤堆測溫自動化研究，開發了煤堆測溫系統。

煤堆測溫系統由堆損智能監控系統平臺、斗輪機智能控制系統、測溫球拋投裝置、測溫球、無線網關、測溫球皮帶定位檢測裝置組成，如圖1所示。測溫球和無線網關之間采用LoRa（Long Range，長距離）技術進行組網和無線通訊。

基于LoRa技術，設計分布式測溫裝置（簡稱測溫球）。利用斗輪機全自動控制系統，增加拋投程序，在自動堆煤時，斗輪機將測溫球拋投至煤堆內部；測溫球定期向服務器上報監測數據；在斗輪機取煤時，斗輪機將測溫球取出，并隨煤流進入輸煤系統，在滾軸篩和碎煤機處被篩出或破碎，實現了煤堆測溫全過程自動化。系統工作流程如圖2所示。

2 斗輪機智能控制系統

2.1 系統概述

系統采用精確定位、三維測控、自動控制、圖像監控等多項專利技術，實現斗輪機智能無人控制，實現了斗輪機作業遠程集中控制、就地無人值守[6]。系統主要由以下部分組成：

(1)精確定位系統：通過北斗、高精度編碼器和校準等實時定位技術，實現斗輪機大車及斗輪位置的三維空間定位（定位精度達到厘米級）。

(2)精準測量系統：通過煤位、流量、煤垛檢測，建立實時的煤垛三維模型，作為智能控制系統的基礎數據。

(3)智能控制系統：通過智能控制技術，對煤位、煤垛、流量、空間位置等信息進行智能分析和計算，完成全自動定位、全自動堆取料、手動/自動雙向無擾動切換、取料過程流量恒定等控制功能，實現斗輪機一鍵式啟停控制，全過程無需人員干預。

(4)安全防護系統：通過行人和障礙物防撞檢測、皮帶煤流高溫檢測、智能圖像識別、高清視頻監控等技術，實現極限、防撞、跨場、泄壓、過載、拖鏈、煤溫、皮帶、人員等運行安全檢測和保護。關鍵裝置采用冗余配置，確保系統可靠運行。

(5)高清圖像系統：采用工業級高清網絡攝像機，全方位監視斗輪機運行狀態及煤場環境。

(6)集中監控平臺：設立集中監控上位機，對多臺斗輪機進行遠程集中式智能無人控制，實現單人同時操作多臺斗輪機功能。

2.2 測溫球拋投裝置

測溫球拋投裝置，由拋投筒和4個分層布置的電機組成，如圖3所示。拋投筒內置若干個測溫球，安裝在懸臂皮帶上方，通過斗輪機智能控制系統對電機的控制，測溫球按照指令逐個放落到懸臂皮帶，測溫球隨煤流拋投到煤堆。

2.3 拋投控制模塊

煤堆升溫明顯的點位在煤堆深度1.0～2.0m范圍[7～9]，測溫球拋投在煤堆1.5m深處。

在斗輪機智能控制系統程序中，斗輪機采用回轉堆煤模式，增加自動拋投程序。通過計算拋投落地時的大車、懸臂回轉角度數據，在到達預定的斗輪機位置時，拋投程序控制測溫球拋投裝置進行拋投，測溫球落到懸臂皮帶上隨煤流一起拋落在煤堆上，后續煤流把測溫球覆蓋，形成完整的煤堆。同時拋投裝置提前啟動，使得大車、懸臂在拋投位置時，測溫球隨煤流剛好到達懸臂頭部，測溫球拋投到預定的煤堆深處。

如圖4所示，斗輪機全自動控制系統上位機操作界面中，增加了煤場測溫操作界面，同時在煤場沿軌道展示測溫球和溫度，當溫度越限時，顯示黃色和紅色，提醒運行人員盡快和立即取煤。

3 無線網關和測溫球

LoRa無線組網如圖5所示。在煤場四周擋煤墻設置若干無線網關，測溫球則被布置于煤堆側面預定深度的煤堆內。無線網關和測溫球之間采用LoRa技術進行無線通信，實現測溫球狀態管理和數據通信。

3.1 無線網關

每個無線網關工作在不同的信道，無線網關主要功能包括：（1）接收測溫球注冊請求信息；（2）管理測溫球數據；（3）連接服務器；（4）上報當前網絡測溫球ID和測溫球數據；（5）下發服務器配置參數到測溫球。

3.2 測溫球

測溫球為多邊形柱體狀，外殼材質為特種工業塑料，滿足需求：(1)無線傳輸包括LoRa無線和RFID無線要求，(2)在煤堆內抗壓和耐高溫性能，(3)取出到輸煤皮帶后可被碎煤機破碎。

測溫球主要功能為采集溫度、電廠電量數據，并將采集數據上報給無線網關。測溫球同時支持NFC卡激活和休眠，在測溫球被激活后，自動進入注冊模式，注冊成功后，進入待機模式。使用休眠卡，測溫球將進入休眠模式，并退出當前注冊的網絡。

測溫球結構如圖6所示。

3.3 測溫球狀態控制

測溫球四種狀態模式：注冊模式、休眠模式、工作模式和待機模式。

測溫球在激活狀態下，自動搜索當前可用無線網關，根據當前搜索到的無線網關信號強度進行入網注冊，入網注冊成功后進入待機模式，在待機模式下等待無線網關下發時間配置數據。測溫球按照時間配置數據進行數據上報、休眠、喚醒周期性工作。

網關收到測溫球喚醒后的上報數據，將數據上傳至服務器，同時如果服務器有下發數據，網關將下發數據發送到對應的測溫球。每個測溫球上傳數據都具備ACK機制，并且數據上傳后都具備時間窗口，用以接收服務器命令。

在休眠、喚醒工作模式下，測溫球電池使用壽命以年為單位計[10]，大大延長。

4 測溫球皮帶定位檢測裝置

設計一種基于RFID的測溫球回收前定位檢測系統，包括RFID天線、RFID讀寫器和天線屏蔽罩。RFID天線安裝于的斗輪機懸臂上方。當測溫球拋投裝置將測溫球放落到懸臂皮帶上或測溫球從煤堆取出落到懸臂皮帶上，測溫球隨煤流經過RFID天線時，RFID讀寫器實時讀取內置于測溫球內部的RFID標簽，并發送至服務器。服務器通過RFID標簽與測溫球ID的對應表找到測溫球ID，以確定測溫球ID和拋投落點位置的對應關系。后續測溫球上報煤溫數據時，同時伴有測溫球ID數據，服務器軟件則可在測溫球對應的煤堆空間位置標識相應煤溫數據。

通過現場試驗獲得天線屏蔽罩的傾斜角度，以及測溫球檢測范圍，實現對測溫球在懸臂皮帶上的定位，可為未來測溫球在懸臂皮帶上實施回收提供基礎。

5 堆損智能監控系統平臺

堆損智能監控系統平臺，主要實現對煤堆測溫數據的接收和管理，并在煤堆三維模型上展示溫度數據。

（1）測溫球管理

利用斗輪機拋投前和拋投時的大車位置、回轉角度、俯仰角度，計算出測溫球拋投落地時的煤場坐標系三維坐標。

根據收集到的測溫球地址碼以及相關位置、狀態信息，對系統的測溫球實施狀態管理，包括拋投、測溫、空閑等狀態。

（2）煤堆三維模型溫度展示和報警

平臺接收斗輪機全自動控制系統的煤場三維模型，利用測溫球的三維坐標，將測溫球上報的測溫數據標識在煤堆上，采用國際通行的色標法進行溫度著色，及時提醒運行人員煤溫變化。

煤堆三維模型根據實際要求，沿軌道每隔50m對煤堆分段進行染色，煤堆顏色按該段內測溫球的最高溫度進行渲染，即時識別煤堆內部熱源。

根據預置的煤溫值，對煤堆溫度進行二級提示和報警。黃色報警表示煤溫進入快速升溫期，提醒運行人員需盡快上倉；紅色報警表示煤堆已經進入高溫即將自燃，需立即采取降溫措施或上倉。

（3）煤堆溫度變化趨勢和預測

利用煤堆歷史測溫數據，建立煤堆溫度變化曲線，及時預警煤堆高溫時間。

（4）煤堆堆損預測模型

利用歷史運行數據，包括煤溫監測數據、入廠入爐煤質化驗數據，分析煤種、煤溫與堆損之間的相關性，建立數學回歸模型，即堆損測算模型。

堆損測算模型用于未來測算煤堆溫度監測下的堆損，具有自學習專家系統，在不斷增加的歷史煤溫和堆損數據基礎上，動態調整和優化堆損測算模型的參數，提高堆損測算精確性。

堆損智能監控系統平臺主界面如圖7。在斗輪機全自動控制系統的煤場三維模型基礎上，測溫點上標識最新獲得的測溫數據，煤堆按照最高溫度的色標進行染色。測溫點位置、測溫數據用表格形式、煤溫趨勢和熱損預測用曲線展示，同時配置有報警欄。系統實現了煤溫監測、報警、趨勢和預測等功能。

6 結束語

以LoRa技術為基礎，利用斗輪機全自動控制系統，設計了一套低功耗分布式煤堆測溫系統。

(1)在斗輪機全自動控制系統軟件基礎上，開發測溫球拋投裝置和控制程序，解決了測溫球預埋自動化難題。

(2)利用LoRa技術，開發了無線網關和測溫球，建立了無線網絡，開發了測溫球控制方法，實現了在煤堆內部測溫球數據傳輸問題和測溫球壽命問題。

(3)開發了測溫球拋投過程中，測溫球皮帶定位檢測裝置，解決了測溫球識別和定位問題。

(4)開發了堆損智能監控系統平臺，對測溫數據進行接收和處理分析，并建立預測模型。

現場運行實踐表明，基于LoRa技術的低功耗分布式煤堆測溫系統，解決了測溫裝置預埋難題，具有較強的經濟性和實用性。