無人值守間冷塔清洗系統(tǒng)部署研究

摘要：針對大型間接空冷發(fā)電機組的冷凝系統(tǒng)，設計了一套無人值守自動化清洗系統(tǒng)部署方案，旨在提高清洗效率、優(yōu)化資源利用并減輕人工操作負擔。該系統(tǒng)包括自動控制和遠程監(jiān)控兩部分，其中自動控制部分采用RGV小車（Rail Guided Vehicle）進行移動定位、通過PLC控制器控制高壓水射流完成清洗。利用小車上搭載的工業(yè)級無線AP構建通訊網絡，實現清潔設備與外部信號的通信。遠程監(jiān)控部分設計了MES（Manufacturing Execution System）監(jiān)控系統(tǒng)和App遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現了對現場設備的遠程管理和實時監(jiān)控。使用該系統(tǒng)進行清洗的間冷塔，在傳熱效率和設備穩(wěn)定性方面都有顯著提升。該研究為間冷塔系統(tǒng)提供了一種新的清洗解決方案，展示了自動化技術在提升能源設備運行效率和管理水平中的應用潛力，為未來的工業(yè)發(fā)展提供了技術支持和參考。

關鍵詞：無人值守；遠程監(jiān)控；MES系統(tǒng)；無線AP隨著電力工業(yè)的發(fā)展，間接空冷發(fā)電機組冷凝系統(tǒng)在燃氣和蒸汽輪機發(fā)電廠中得到廣泛應用，其在冷卻和排熱過程中起著至關重要的作用。然而，長期運行后，冷凝器內部常常會積聚污垢、生物膜和腐蝕產物，導致傳熱效率下降和能效損失，甚至引發(fā)設備故障和維修成本增加的問題。目前，傳統(tǒng)的清洗方法通常依賴于人工介入，操作繁瑣、效率低且存在較大的安全隱患，難以滿足現代化、智能化運行管理的需求。

為解決傳統(tǒng)清洗方法中存在的問題，設計一套創(chuàng)新的無人值守間冷塔清洗系統(tǒng)的部署方案尤為重要。通過PLC控制器和工業(yè)級無線網絡構建自動化控制系統(tǒng)，以實現設備自主運行和清洗過程的實時監(jiān)控。同時，利用上位機監(jiān)控系統(tǒng)和App，操作人員可以遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，實現快速響應和故障排除，從而最大程度地提高清洗效率、改善工作環(huán)境。本研究不僅可以為電力工業(yè)提供一種新的清洗解決方案，還將探索自動化技術在提升能源設備運行效率和管理水平中的應用潛力，為未來的電力發(fā)展提供技術支持和參考。

1系統(tǒng)設計與架構

1.1本地清洗設備概述

現代間接空冷發(fā)電機組冷凝系統(tǒng)清洗設備需集成自動化控制、智能化監(jiān)控和高效能清洗技術。本文旨在設計一種新型清洗設備，采用PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)級無線網絡，實現清洗過程的自主運行和遠程監(jiān)控。設備將采用先進的清洗技術，如高壓水射流和超聲波清洗等，以徹底清除冷凝器內部的污垢和生物膜，從而提高設備的傳熱效率和運行可靠性。設計將重點考慮安全性和可持續(xù)性，以最大程度地減少操作人員的安全風險和運維成本，推動電力工業(yè)設備清洗技術的進步與應用。

1.2控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)由兩部分組成：本地控制單元和遠程監(jiān)控單元。本地控制單元包括RGV小車上的PLC控制器和傳感器，負責執(zhí)行清洗任務和監(jiān)測清洗過程中的狀態(tài)。遠程監(jiān)控單元通過網絡連接至本地控制單元，實現對清洗任務的遠程監(jiān)控和管理。

1.2.1現場環(huán)境檢測部署

為保證間冷塔能持續(xù)穩(wěn)定運行，需時刻檢測間冷塔內的各項環(huán)境數據，其中包括溫濕度、粉塵濃度、現場水壓、現場風速等。現場將溫濕度、粉塵顆粒、水壓、風速傳感器4個一組，分散布置在間冷塔東西南北中5個方位，實現多點測量，提升精度，并通過無線Wi-Fi模塊與無線AP進行連接，將各傳感器數據傳輸到后臺數據庫中，通過MES系統(tǒng)實時檢測分析數據變化，從而準確判斷現象環(huán)境變化情況。

1.2.2本地清洗小車設計

系統(tǒng)采用多臺RGV有軌小車作為現場清洗執(zhí)行設備，RGV小車配備了西門子S71500PLC和多種類型的傳感器組件，能夠在冷凝系統(tǒng)內部按軌跡自主移動并執(zhí)行清洗操作。清洗過程中，RGV小車將根據RFID地址數據和清洗策略，對冷凝系統(tǒng)的關鍵部位進行清洗。

使用車體內的增壓泵為高壓水槍提供足夠的壓力。通過RGV小車上的升降軸，旋轉軸相互配合調整高度和角度，為使水槍激射出的水壓達到要求，通過將噴嘴出口速度和動壓提高、湍動能降低，提升了噴嘴性能［1］。清洗效果完全滿足間冷塔關鍵部位的清洗要求。

在RGV小車外側搭載一臺工業(yè)視覺相機，用于檢測判斷工位是否需要清洗，并在清洗結束后檢測清洗效果，做到節(jié)約用水，同時也提高了效率。

1.2.3清洗小車周邊部署

由于間冷塔清洗系統(tǒng)所使用的清洗介質包含水，為現場設備的安全性考慮，也為解決RGV動力問題，將傳統(tǒng)的RGV小車滑軌式供電方式改為了鋰電池供電。同時在半徑為220 m的圓形軌道的周邊分散部署了8個1 200 W無線充電器模塊。小車在中途的清洗工位上可一邊清洗設備一邊充電，使得RGV小車擁有持續(xù)續(xù)航的功能。

在RGV小車軌道中間設置了多個全金屬快換接頭取水口，保證了小車取水的快捷性和可靠性，也為清洗小車提供了穩(wěn)定的水壓、水量。通過小車內部直流電機將底盤上的快換接頭下壓，快速連接取水口。這大大提高了RGV清洗小車的清洗效率，同時也保證了取水的可靠性。

通過多點多工位的部署方式，借助RGV小車上的智能傳感器檢測，能夠在故障發(fā)生時，立即顯示相關報警信息等，提示操作人員和維修人員故障部位及可能的原因，為故障分析、診斷盡可能地節(jié)省時間［2］。如果有某個模塊出現問題，可以相對容易地進行修復或更換，而不會對整體系統(tǒng)造成太大影響。

1.3通訊網絡部署

為了實現本地控制單元與遠程監(jiān)控單元之間的通信，采用工業(yè)級無線交換機作為通信介質。使用MOXA工業(yè)級無線AP及無線Client實現通訊功能，將現場部署的工業(yè)交換機設置為AP模式，RGV小車上的無線AP設置為Client模式，RGV小車運行過程中自動接收Wi-Fi信號且可根據Wi-Fi的信號強度自動切換網絡。

Wi-Fi作為廣泛應用的無線技術之一，在移動性、靈活性、帶寬與數據傳輸速率、流量費用、部署成本等方面具有顯著優(yōu)勢［3］。無線Client的網絡切換時間小于60 ms則不會影響通訊功能，對于網絡的穩(wěn)定性能夠得到保證。并且無線AP都擁有以太網接口，用于與有線網絡的連接，實現無線與有線的無縫融合［4］。

本地控制單元通過工業(yè)級無線AP連接至無線網絡，而遠程監(jiān)控單元則通過有線與無線網絡結合連接至同一網絡，以實現遠程監(jiān)控和數據傳輸。

2系統(tǒng)功能與特性

2.1自主清洗判定

清洗設備具備自主路徑規(guī)劃功能，能夠根據冷凝系統(tǒng)的結構和清洗需求，規(guī)劃最優(yōu)的清洗路徑，并實時調整路徑以適應實際情況。

為降低成本，使用工業(yè)黑白相機作為圖像采集設備，根據亮度法（Luminance Grayscale）直接將工業(yè)相機獲取的圖片的像素亮度值轉換為灰度，將工業(yè)相機采集照片中的多個位置點的RGB值發(fā)送給PLC，PLC程序將0～255的灰度均分為7個等級。對比現場污垢堆積程度，最終將污垢堆積程度、圖片灰度等級劃分為7級。

選擇兩種較為典型的間冷塔設備作為案例，將一個月的污垢堆積程度及采集圖像灰度等級進行對比后，可根據折線圖得知，在較小場地，需較為頻繁地清洗間冷塔時，檢測出圖片灰度低于1時即可開始清洗，在較大體積間冷塔污垢堆積程度在5級內，對間冷塔的冷卻效果影響不大，可選擇灰度值高于3之后進行清洗。對特殊需求也可根據現場分析數據設置不同的清洗區(qū)間。

2.2智能感知與控制

清洗設備中配備了多種傳感器，包括距離傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等，能夠實時感知冷凝系統(tǒng)內部的環(huán)境參數，并根據反饋信息進行智能控制，確保清洗效果和安全性。

環(huán)境監(jiān)測類傳感器分散分布在間冷塔內，通過無線Wi-Fi模塊直接將數據上傳到數據庫。清洗小車上的傳感器通過連接S71500PLC，將監(jiān)測數據發(fā)送給PLC，由PLC統(tǒng)一一次性上傳。

2.3監(jiān)控管理系統(tǒng)部署方式

通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可以實時監(jiān)測清洗任務的進度和設備的運行狀態(tài)，同時可以遠程調整清洗策略和路徑規(guī)劃，提高清洗效率和靈活性。

各地現場清洗設備通過4G信號將數據上傳到云服務器，由云服務器統(tǒng)一調度。通過云服務器為不同客戶配置安全組。在服務器中安全組是一個邏輯上的分組，為具有相同安全保護需求并相互信任的云服務器提供訪問策略。

MES系統(tǒng)通過廣域網直接連接云服務器，將云數據庫的數據直接關聯到MES變量中，在MES界面添加統(tǒng)計表、分布圖等。將各省的設備分布情況直接在MES大屏地圖上顯示出來，統(tǒng)計各地設備故障率、清洗時長等。在登錄特定間冷塔管理員賬戶后，可直接看到特定間冷塔現場監(jiān)控畫面、現場環(huán)境數據、RGV小車當前位置、電池電量等。在智能制造中，MES面向生產線執(zhí)行層，具備現場生產計劃管理、設備管理、實時監(jiān)控和庫存物料管理等功能，是信息化管理系統(tǒng)的核心組成［5］。通過MES大屏功能使得監(jiān)控室、企業(yè)總部可快速、直觀地了解各地設備運行情況。將各地設備數據集中在MES系統(tǒng)中，隨時分析各地設備的運行情況，對比數據，及時對設備進行優(yōu)化。分析設備損耗，提前發(fā)現問題，將故障扼殺在搖籃中，大大提高清洗效率，降低維護成本，減少客戶損失。

3系統(tǒng)實施與驗證

本系統(tǒng)將在實際的間接空冷發(fā)電機組上進行實施和驗證。首先進行系統(tǒng)硬件和軟件的部署，然后進行實地測試和調試，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。最后通過對比實驗，評估系統(tǒng)的清洗效率和成本效益。

現代間接空冷發(fā)電機組冷凝系統(tǒng)清洗設備的系統(tǒng)實施與驗證階段至關重要。本文旨在優(yōu)化實施過程，通過詳細的計劃和預演，確保設備順利部署和操作流程的安全性。在實施過程中，將進行現場調試和優(yōu)化，根據實際情況調整控制系統(tǒng)參數，以實現最佳的清洗效果和傳熱效率。通過收集用戶反饋和持續(xù)改進，優(yōu)化設備設計和操作流程，提升清洗效率和用戶滿意度。

4結論

通過對現代間接空冷發(fā)電機組冷凝系統(tǒng)清洗設備的控制系統(tǒng)設計進行深入分析和優(yōu)化，提出了一套綜合性的解決方案。在系統(tǒng)設計階段，采用了智能化調度算法和實時監(jiān)控技術，以及多重安全防護措施，確保設備在清洗過程中的安全性和高效性。在實施與驗證階段，詳盡的計劃和預演幫助設備順利部署，并通過現場調試和數據分析優(yōu)化了清洗策略，實現了預期的清洗效果和能效提升。

本研究為現代電力設備清洗管理提供了一種可行的解決方案，不僅在技術實施上取得了顯著成果，也為未來類似項目的實施和優(yōu)化提供了有益的經驗借鑒。本研究所提出的控制系統(tǒng)設計與實施策略能夠有效應對電力設備清洗領域的挑戰(zhàn)，為行業(yè)發(fā)展和技術進步貢獻新的思路和方法。

參考文獻：

［1］高道明.高壓清洗車路面清洗性能與參數優(yōu)化研究［D］.上海：上海交通大學，2007.

［2］黃良武.故障自診斷技術在PLC控制系統(tǒng)中的應用［J］.裝備制造技術，2015（12）：112114.

［3］杜進.面向工業(yè)場景的Wi-Fi網絡AP優(yōu)化部署與信道優(yōu)化分配研究［D］.南京：東南大學，2024.

［4］張國才.無線AP在校園網中的應用與部署［J］.山西電子技術，2022（5）：5455，61.

［5］張祖軍，賴思琦.智能制造生產線MES系統(tǒng)的設計與開發(fā)［J］.制造業(yè)自動化，2020，42（8）：8586，116.