一种锅炉炉内检修人员安全监控系统

赵重阳，丁永三，黄 俊，张 禹，周黎辉

（1.国家能源集团谏壁发电厂，江苏 镇江 212006；2.上海迅见自动化有限公司，上海 200125）

0 引言

燃煤锅炉是火电厂最重要的大型设备之一，电厂锅炉内部的检修主要分为两类，一类是定期进行全面的检修，另一类是发生炉膛事故时的检修[1-3]。锅炉炉膛内检修的工作环境非常复杂而且条件恶劣：首先，锅炉炉膛是一个大型、全金属、基本密闭的空间；其次，其上层区域密布大量受热管排，检修人员要在狭窄的管排之间行走，有时甚至需要半蹲通过，而锅炉下部空间空旷，需要在受限空间搭设脚手架或吊装平台。此外，锅炉炉膛内空气不流通，煤灰粉尘浓度高，缺乏照明等情况，都增加了检修人员的安全风险。在这样的环境中工作，检修人员容易发生磕碰、跌落等人身伤亡事故。近年来，锅炉炉膛检修时人员伤亡时有发生，其中有多起坠落伤亡的事故，也有因为作业环境恶劣引起的人员高血压突发情况，至于未上报的磕碰等轻微伤害事故应该更多。

图1 锅炉炉内人员安全监控系统结构示意图Fig.1 Diagram of personnel safety monitoring system in boiler furnace

本文开发和应用了一种锅炉炉内检修人员安全监控系统，可以实时监控炉内人员的精确位置和活动状态。通过该系统，安全生产管理人员可以实时掌握锅炉检修现场所有人员的精确位置，同时在线监测人员的生命体征，监测人员高空跌落情况。当发生人员伤害事故、高空坠落事故，或者人员走错工作位置时，系统自动发出报警。此外，现场人员遇险或被困时，可以发出求救信号。通过该系统的应用，可以实现对生产人员安全的实时、精准管理，从而预防和减少人员伤害事故的发生。

1 系统结构

锅炉炉内人员安全监控系统的基本构成由人员安全手环、定位基站、监控平台三层构成，监控平台上可以接入数据服务器、监控计算机、手机等移动设备，如图1 所示。安全手环与定位基站之间采用超宽带（UWB）方式进行通信[4,5]，定位基站与监控平台之间采用标准的TCP/IP 局域网进行通信。

2 安全手环

安全手环如图2 所示，一般佩戴在现场工作人员的手腕上。安全手环中集成了多种传感器和控制、显示元件，主要元件和电路包括：超宽带（UWB）信号收发器、心率传感器、跌落传感器、微型震动马达、触控按钮、液晶显示屏、电池和电源回路、微控制单元（MCU）和控制回路。

UWB 信号收发器的功能一方面是作为定位基站进行定位侦测的信号标签，另一方面是实现与定位基站之间的数据传输，并由定位基站进行协议转换，实现与监控平台之间的数据传输。UWB 信号收发器内置全向天线，数据传输速率为6800 Kbit/s[6]。

图2 安全手环Fig.2 Safety bracelet

心率传感器位于安全手环背面，佩戴时紧贴人体腕部皮肤，功能是监测心率，当发生心率异常时，发出心率报警信号，心率异常的条件包括心率过低、心率过高、心率突变。

跌落传感器的功能是监测位置移动变化，当发生位置以自由落体方式下落超过2m 时，判定为意外跌落事故，发出跌落报警信号。

微型震动马达的功能是向佩戴者发出信息提醒。由于电厂噪音比较大，安全手环如果采用声音提示的话，很难听见。因此，采用微型震动马达的方式，佩戴者感觉到震动，可以从液晶屏看到具体信息。

触控按钮的功能主要是长按2s，即可发出紧急求救信号。另外，触控按钮也可用于工程调试或者强制关机。

液晶显示屏在一般情况下，显示时间、日期、心率值、电量、ID 号等信息，或者显示监控平台发来的信息，佩戴者触发按钮求救报警时，显示“SOS”信息。

电池和电源回路具有智能电量管理功能，在打开心率监测的情况下，充电一次可以连续工作5 天。

3 定位基站

定位基站布设于现场，其功能是侦测并精确定位附近的手环，并实现监控平台与安全手环之间的信息传递。

定位基站与安全手环之间采用UWB 信号传输，基于到达时间方法（TOA）监测附近安全手环的精确距离。每3个基站基于3 点定位法计算出安全手环在平面中的精确位置，如果要监测三维立体空间的精确位置，则至少需要4个定位基站，并采用四点定位法计算。

本系统的单个定位基站的监测半径可以达到50m，缺省监测采样时间1s，最小监测采样时间0.1s。在电厂多金属环境下，对安全手环的实际定位精度可以达到30cm。定位基站采用内置全向天线，无需对时同步机，一般机械振动不会产生明显误差。

图3 定位基站Fig.3 Positioning base station

图4 典型实时监控界面示例Fig.4 Typical example of real-time monitoring interface

4 定位基站的布设

在机组正常运行的时候，炉膛内部不能安装布设定位基站。因此，只能在机组停运检修期间，临时布设定位基站。而且由于炉膛内部管道密布，每次临时布设电缆工作量很大。因此，定位基站采用完全无线的布设方式，既没有通信电缆也没有供电电缆。定位基站内置WIFI 功能，与监控平台之间通过无线路由器等连接。同时，定位基站不适用外接电源，依靠内置的可充电锂电池，可持续工作10h 以上。定位基站反水防尘等级达到IP67，可以在无防护的情况下，直接在机组停运冷却后的炉膛内部临时布置。

5 软件系统

本系统的服务器采用Linux 操作系统，具有更小的开销和更好的安全性。服务器数据库采用了基于Linux 环境自主开发的时序数据库；客户端采用WEB 访问方式，不需安装浏览器插件。系统服务器可以同时监控2000 个安全手环，可以同时调度1000 个定位基站，可以同时支持500 人登录并同时在线查询使用。

系统主要有以下软件：定位解算软件、内存实时数据库软件、历史数据库软件、后台管理和调度软件、人机交互界面软件、开放通信接口软件。

系统的典型人机交互界面如图4 所示。

人机交互界面基本框架中，框架顶部包括系统登录信息、在线的人员（标签）和定位基站数量、滚动实时报警信息、实时报警分类统计。框架底部有实时报警、人员管理、标签管理、任务管理、历史记录、历史报警、系统管理等功能按钮。

中间是主显示区，缺省显示当前查询区域的人员位置实况，左上角有当前显示区域所在的层次关系。点击图中某个人员会打开对话框，查询该人员的详细信息。

6 应用案例

图5 定位基站和无线路由器布设位置示意图Fig.5 Location of base stations and wireless routers

该系统已经成功应用于国家能源谏壁发电厂的2×1000MW 和2×300MW 机组的锅炉炉膛内部检修时的人员安全监控。

本系统全部采用无线通信方式，定位基站采用内置电池供电方式，克服了锅炉炉膛内部难以布线问题，并采用预设位置、炉降温后临时布设的方法解决了定位基站的布设问题，采用自供电的无线路由器解决了无线路由器的供电问题。

以300MW 机组锅炉的第2 层为例，该层是一个开阔的平台空间，采用标准的四边形布置方式，如图5 所示。

由于检修时有大量脚手架，因此定位基站和无线路由器可以固定在脚手架的管架上，其现场布设如图6 所示。

7 结束语

图6 平台空间实际布设图Fig.6 Actual layout of platform space

本文针对锅炉炉内检修过程中，锅炉空间全金属封闭，无线信号无法穿透，定位监测装置布设困难等问题，设计了一种用于炉内定位的超宽带定位系统，对整个系统的硬件、软件、定位算法等方面进行了详细的研究并给出了具体实现细节。通过该系统，电厂管理者可以实时在线地监控现场人员的生命体征、跌落事故、走错区域等风险，实时收到人员呼救信息。实际应用结果表明本系统具有很高的定位精度，同时系统稳定性良好，可以实现锅炉炉内检修人员在炉内空间的准确定位，实时监测检修人员的安全，为电厂完善管理手段、主动防范事故，提升安全管理水平创造有利条件。