數字化煤場無人值守管理系統及方法探究

國家能源集團岳陽發電有限公司 賀維弟

數字化煤場無人值守管理系統特征在于自動化管理煤車，通過中心控制模塊讀取各類信息并開展線上分析，進而在減少人員投入的情況下實現煤場的安全、高質量管理。為實現全自動無人化作業，提高煤場安全管理及各項作業的開展效率，改善勞動環境及強度，應從安全監測、料場堆取料等方面搭建無人值守管理系統，盡可能避免現場事故的發生，提升煤場開發效益。

1 項目簡介

某電廠2×1000MW 新建工程屬于浩吉鐵路沿線電源點項目。電廠規劃建設4×1000MW 機組，本期建設2×1000MW 超超臨界燃煤發電機組，不堵死擴建條件。本期工程新建1套折返式雙車翻車機卸車系統。雙車翻車機下給料裝置采用4臺300～900t/h 活化給煤機。本期建設2座內徑120m 的圓形封閉煤場，每座圓形封閉煤場儲煤量約為15×104t，總儲煤量約30×104t，可供2×1000MW 機組燃用設計煤種21天。每座圓形封閉煤場內設1臺圓形堆取料機，通過推煤機和裝載機壓實煤場、整理及輔助堆取料機進行堆取料作業。其中，2×1000MW 超超臨界燃煤發電機組耗煤量較大，為避免不必要的資源耗費，項目選擇無人值守的數字化系統開展管理工作。2×1000MW 超超臨界燃煤發電機組的耗煤量見表1。

表1 2×1000MW 超超臨界燃煤發電機組耗煤量

2 數字化煤場無人值守管理系統組成

為實現對煤場各類能耗的有效控制，以較低成本管理煤場，數字化煤場無人值守管理系統應包括安全監測、信息數據采集，以及堆取料機控制，通過將工作重點轉變為數字化結構，提高監測、煤場管理和堆取料機控制效果，促進煤場各類作業效率的提升。

2.1 煤場安全監測子系統

本次案例項目對數字化煤場無人值守管理系統的使用功能提出具體要求，主要體現為：一是準確讀取配煤摻燒、燃燒智能管控系統等數據、指令；二是能夠發送數據至堆取料機DCS、配煤摻燒系統和燃料智能管控系統等；三是配合燃料智能管控系統監視、控制整個數字化煤場。因此，在上述要求下，首要任務是搭建基于煤場安全的監測子系統。

圍繞本次案例項目，煤場安全監測子系統從報警功能的角度進行建設。對于煤場而言，其安全隱患較多，一旦發生安全事故，將給現場人員的人身安全造成極大威脅，同時伴隨著大量資源的浪費。因此，對于數字化煤場無人值守管理系統中的安全監測子系統，應整合多項風險要素，實現事故信息的提早采集、反饋與預警，依托于信息化、智能化的實時監測加強煤場管理。具體具備溫度、煙氣、CH4和CO 可燃氣體、粉塵濃度等檢測報警，通過對煤場的全覆蓋，及時將現場環境以數字化信號的方式發給輸煤DCS 與數字化煤場管控系統，便于相關人員對煤場的實時監測與管理。

2.2 圓形煤場盤煤子系統

在數字化煤場無人值守管理系統中，圓形煤場盤煤子系統主要發揮場內煤堆外形數據的采集工作，其包括自動化實時采集和人工手動采集兩種。為滿足案例項目對煤場管理的需求，提升現場資源管理水平，圓形煤場盤煤子系統主要通過光纖的方式實現各類數據的傳輸，將其全面且詳細地傳輸至數字化煤場管控系統，供相關管理人員分析使用。為保證煤堆外形數據采集質量，整合運用動態三維模型，此類模型不僅可能隨意縮放、旋轉、平移，還可以提供每個分割區域煤量的自動計算功能，使管理人員在輸煤控制室就能完成定期的盤煤操作。通過搭建這一子系統，能夠使管理人員無須前往煤場就能精準測量煤場儲煤體積，根據三維模型明確儲煤實時信息，而且，其所具有的基于權限的信息共享功能，可以通過Web 發布使擁有權限的人隨時隨地瀏覽煤場信息[1-2]。

2.3 堆取料機全自動無人值守控制子系統

為實現項目煤場圓形堆取料機的自動化無人值守目標，還應在管理系統中搭建堆取料機全自動無人值守控制子系統。在本次案例項目中，具體開發內容包括：開發料堆建模系統、堆場管理系統；在堆取料機上安裝高精度定位系統、料堆形狀數據采集設備、防撞系統、視頻監控系統，新增機上堆取料機擴展DCS 控制系統；設計開發自動堆、取料DCS 程序，并將控制組態及畫面整合至堆取料機DCS。由值班人員在智控樓進行遠程監控作業，實現堆料、取料遠程自動控制，做到遠程手動和自動的無縫切換。

在上述系統功能的整合應用下，堆取料機全自動無人值守控制子系統可以配合摻配摻燒等方面協同開展作業。

3 探究數字化煤場無人值守管理系統搭建方法

3.1 煤場安全監測系統搭建（紅外測溫+擋煤墻溫度監測設備等）

根據上述組成分析，在搭建煤場安全監測系統時，應利用現有的監測設備，通過PROFIBUS 現場總線接入至輸煤DCS，以便DCS 實現煤場安全的監視及聯鎖功能。在該安全監測系統下，可結合紅外熱成像儀，以此實現數據的高效傳輸，外加煤堆堆形結合實現測溫三維展示。管理人員通過應用數字化煤場系統，即可以直觀的方式獲得煤場分區域溫度走勢信息，根據需求精準查看某段時間內煤場的溫度分布統計圖，進而對目標批次的煤的整體溫度情況予以確定。出于安全考慮，煤場安全監測系統配置設計為就地數據采集箱、柜，采用304不銹鋼或鋁合金材質。

3.1.1 紅外測溫系統

煤場溫度作為數字化煤場管理重點，本次案例項目中通過紅外測溫系統的設置實時掌握煤場溫度。主要是在煤場內合理部署智能傳感器，以此實現圓形料場的全自動、全天候監測圓形煤場表面溫度，實現智能數據管理功能，檢測煤場安全信息。系統由紅外熱成像儀、信號整合設備、通訊電（光）纜、交流電源等構成。在煤場內科學布置紅外熱成像儀，將其測量信號納入數字化煤場管理系統，利用系統自動分析功能處理測量數據，運用不同顏色呈現不同溫度，為管理人員提供三維顯示信息，進而通過數字化技術手段，在無人值守的情況下實現對煤場表面溫度的實時監測。經網格化處理后，現場總線或基于MODBUS 協議的485總線將每個網格（10°×15m）內的最高溫度數據和現場傳感器測得的區域內最高溫度信息傳輸至輸煤DCS 系統。本次案例項目選擇紅外熱成像儀作為溫度傳感裝置，由于煤場為圓形，故每120°布置一臺，主要安裝于煤場馬道，進而實現對整個圓形煤場表面溫度變化的完全、實時監測。一旦檢測到的溫度信息超過設計的溫度閾值，將立刻傳出預報警信息，同時傳達準確的溫度信息和位置信息，防止自燃事件的發生，實現圓形煤場安全環境的有效管理[3]。

3.1.2 擋煤墻溫度監測

為使溫度監測設備充分發揮作用，應合理建設、部署擋煤墻溫度監測系統。在擋煤墻上均勻布置溫度測點，每隔10°設置一套壁溫監測桿，用于監測墻壁溫度。由于本次案例項目煤場積煤范圍較大，因而該監測桿共設置34根，每根長度13m 左右。測溫桿采集的溫度數據通過具備雙路冗余的標準總線協議的采集控制裝置進行采集上傳，每12根測溫桿接入一個區域網絡智能控制器中，每個煤場共配置3個區域網絡智能控制器，各區域智能控制器與輸煤DCS 系統進行通信。

3.1.3 氣體及粉塵濃度監測系統

將具有可燃氣體、粉塵濃度、有害氣體等檢測功能的裝置布置在煤場行走臺車檢修平臺上，根據煤場大小選擇覆蓋規模合適的傳感器。本次案例項目選擇檢測范圍為30×30m 的傳感器，共配置13組，每三組搭配四套粉塵濃度檢測裝置。危險氣體檢測裝置和粉塵濃度檢測裝置信號經過就地布置的智能控制器采集，轉為數字量通過現場總線進入輸煤DCS 系統。監測信號可通過就地壁掛數據采集箱采集，配有聲光報警燈，可根據信號內容實時顯示具體情況。需要注意的是，在部署帶有信號接收功能的設備裝置時，應注重移動節點位置的計算。具體而言，接收信號的強度是發射功率和發射器與接收器之間距離的函數，所以，在計算移動節點位置時，可通過接收信號強度RSSI 理論值的計算得到，具體如公式（1）所示：

式中，RSSI 表示接收信號強度；n表示信號傳播指數，即信號傳播常量；d表示與發射器之間的距離；A表示距離1m 時的接收信號強度。

3.2 圓形煤場三維測控及盤煤子系統搭建

根據信息數據采集要求，圓形煤場三維測控及盤煤子系統應具有自動、人工手動兩種信息數據采集功能。在本次案例項目中，主要選擇激光掃描儀、臺式工作站、數據采集系統、三維煤場測控軟件等建設該系統。由于煤場存在檢測盲區，所以本次選擇三臺三維激光掃描儀，將其安裝在煤場煤棚馬道上；選擇兩臺激光掃描儀安裝在取料臂上。兩處10%掃描距離分別不低于120m 和40m[4]。

在上述部署方案下，采用精細網構算法將所有斷面上的三維點數據重新構建三角網。簡單來說，對相鄰兩個斷面進行多個小三角形的劃分，然后通過逐個的積分計算得到總體積。當煤場的料場堆由多個種類的料構成時，在該系統算法下，可以無須前往現場得到每一堆料的體積。而且，系統所提供的分割功能能夠結合管理人員的具體需要分割計算圖形上的料堆，并通過鮮明的顏色予以區分，同時，不同顏色還能反映料堆進場批次，有助于管理人員對存放位置、批次煤質、批次重量等進行匹配管理。開展取料作業時，該系統可以實時提供配煤參數系統目前取得存煤對應的歷史來煤的具體批次，并提供存放時間、單次取煤等信息數據，便于配煤摻燒等管理工作的高質量展開。

在臺式工作站的應用下，依托Windows10系統的配置使用，可運行、操作三維動態測控軟件，通過調用煤場的實時三維數據，為生產決策者進行配煤摻燒工作提供參考。

3.3 堆取料機全自動控制系統搭建（服務器及服務柜+綜合屬性動態展示等）

在對物料機全自動控制系統中，其由無人值守系統、煤場三維動態建模子系統等組成，相關傳感設備合理部署在煤場內部，其中，堆取料機布置在爆炸性粉塵環境區，控制系統采用與主廠房DCS 一致+上位機。

在本次項目案例中，該系統的服務器與服務器柜選擇與布置方案為：在輸煤T1轉運站電子間布置一臺堆取料機全自動控制系統服務器，通信系統由工業級金屬外殼的機架式網絡交換設備為基礎，通過其所具有的保護功能為系統運作提供保障。采用三維動態展示系統全方位展示煤場，具有旋轉、拖動等功能，基于動態展示系統設置煤場分區、存煤煤種、堆存原則等。結合運用雷達數據模擬建模與激光掃描采集到的煤場數據建立三維模型，根據現場信息與環境的變化對模型予以實時更新，動態呈現多屬性數據，比如堆放時間、煤種等。同時該系統能夠根據燃料信息管理記錄的燃料業務流數據與三維模型進行整合、關聯，生成綜合屬性的三維煤場模型。通過與堆取料機DCS 系統接口獲取堆取料機的實時定位信息，匹配煤場的統一坐標系和堆取料機的三維模型進行展示。

綜上所述，為提高煤場管理質量、降低管理成本，運用數字化技術代替人工值守是必然發展趨勢。在建設該智能系統時，應注重安全監測、信息數據采集、堆取料機控制的系統搭建，以此滿足日常安全管理需求。