5G技术在火电厂输煤系统中的应用探索

赵凤祥

(广东大唐国际雷州发电有限责任公司，广东 湛江 524255)

0 引言

5G 作为新一代信息通信技术已与工业经济高度融合，在工业领域得到了广泛应用，涵盖研发设计、生产制造、运营管理、产品服务四大工业环节。

2021-07-12，工业和信息化部、中央网信办、国家发改委等十部门联合印发《5G 应用“扬帆”行动计划(2021—2023年)》，提出到2023年我国5G 应用发展水平要显著提升，综合实力持续增强，实现5G 在大型工业企业渗透率达到35 %、每重点行业5G 示范应用标杆数达到100 个、5G 物联网终端用户数年均增长率达到200 %三大指标。同月下旬，全国5G 行业应用规模化发展现场会在广东深圳、东莞召开，会议要求全力推动5G 行业应用创新，更好地服务经济社会高质量发展，以多种形式发展5G+智能工厂、5G+智能电网、5G+智慧港口等一系列融合创新的应用行业，树立一批高水平应用标杆，形成一批成熟的应用解决方案，建设一批行业特色应用集群，凸显了5G 加速助力工业界数字化转型的重要作用。

探索5G 通信技术在火电厂煤场斗轮机和码头卸船机控制系统自动控制领域的应用，探讨5G 技术在输煤系统的应用中应采取的安全防范措施，以期为输煤系统后续的智能化应用和改进提供参考。

1 5G 技术特点

(1) 高速率。5G 依托4G 良好的技术架构，方便地构建起新的技术，让用户体验到更高的网速。以往工作主要依托较低频段的4G 网络，低频段的好处是传播性能优越，运营商用较少的成本(少量基站)即可达到很好的覆盖，但不足是低频段的连续频率资源非常稀缺，4G LTE 网络中单个载波最大频率范围是20 MHz，通过载波聚合技术虽然可将多个非连续载波合起来使用达到较高速率，但依然不能满足当今大数据时代对于网络的需求。而5G 采用了4G 时代未被使用的高频，使用大规模天线(massive MIMO)高频资源的频率，波长较短(毫米波)，可在很小的范围内集成天线阵列，结合波束赋形追踪，即可弥补高频通信在传播上的受限。

(2) 大容量。受限于终端的功耗及无线网络的覆盖能力，广域物联网仍处于初期萌芽状态，5G推出了针对广域物联网的窄带物联网技术，可通过限定终端的速率降低使用带宽、终端发射功率、天线复杂度(SISO)，优化物理层技术，使终端耗电量降低，支持更多的终端接入。

(3) 低时延。5G 网络的时延迈进了100 ms 关口，使时延降至更低，为更多对时延要求极致的应用提供了空间。

(4) 实景化。5G 时代使空间信息服务更加社会化、大众化，实景三维信息更完整、语音信息更丰富、空间关系更精准。应用人工智能、5G 网络、云计算区块链技术等可提高海量数据处理速度、智能化水平，实现传感、测量、控制、感知一体化，以及更精准的自动化、精细化管理。

2 5G 技术在火电领域的应用方向

(1) 智能化生产。5G 技术应用于发电机组主、辅设备智能诊断系统，可对各设备生产过程的数据进行自动采集、分析和判断，实现运转设备主要运行参数在线监控、在线状况自动判定；5G 技术应用于煤场斗轮机和码头卸船机，可实现远程实时控制，提高运维效率的同时促进设备操控向无人化转型，实现现场设备运维无人值守，提高运维效率；无人机航拍、机器人巡检等的应用，可实现生产现场作业人员遵章守纪行为监督，使重要场所的安全防护向智能化、可视化、高清化升级。

(2) 智慧化运营。5G 技术可实现输煤皮带机运行过程的智能巡检、输煤系统生产过程的在线监控及状态自动判定，并判断设备运行、环境及人员操作是否存在异常，从而提升输煤系统安全性。

(3) 绿色发展。5G 技术应用于锅炉排烟、除尘、脱硫脱硝各环节的能源消耗和污染物排放数据采集，可协助环保部门实时监控发电企业生产环节中的问题，并进行工艺优化和设备升级，降低能耗成本和环保成本，从而实现清洁低碳的绿色化生产。

3 5G 技术在输煤系统中的应用探索

3.1 5G 技术应用于输煤系统的必要性

卸船机、斗轮机作为火电厂煤码头和煤场的重要卸、取煤设备，其稳定性直接关系到火电厂的燃料保供安全，但由于煤码头和煤场作业环境差、作业时间长、劳动强度高等原因，操作人员在工作中极易出现误操作。例如螺旋卸船机原操作是通过司机室控制手柄及按钮进行手动操作，或者由司机站在码头或船上通过遥控手柄对螺旋卸船机进行远程手动操作。司机操作时，无论在司机室内俯视船舱，还是站在码头或船上遥控操作，都会受到天气状况、司机室玻璃洁净度等因素影响，导致视角和视觉能见度很难看清船舱内残煤状态。操作取料中，司机还需弯腰低头保持高专注力，且卸船过程中劳动强度极大，长时间卸船作业对卸船机司机体力、耐力、视力等考验极大，易发生卸船机与船只碰撞、卸船机喂料头与船底部碰撞等不安全事件。因此，基于5G 技术开发一种可实现无人值守的智能化卸船机、斗轮机全自动控制系统尤为必要。

3.2 5G 智能化控制系统开发

雷州发电公司对卸船机、斗轮机堆取料机进行智能化设计，对码头和煤场范围进行5G 无线信号全覆盖，通过与斗轮机控制系统网络对接，实现以太网转5G 无线通信，将煤场管理系统相关实时控制信息、视频信息通过5G 网络传输至控制室集控系统。

煤场管理系统软件三维数据引擎采用Opengl，开发平台采用Visual Studio 2013 或以上版本，指令采用C++语言，系统服务器采用SQL server2012。据此开发的远程控制系统软件以三维方式显示规定区域内船仓和整个煤场料堆及设备的动态模型，真实反映出相应作业场所的状态；同时，远程控制系统软件能够自动调用视频信号，利用斗轮堆取料机定位系统获得设备的准确位置信息，通过高精度激光扫描设备对煤场进行三维成像、建模，并将所有现场信息采集至无人值守智能控制软件；系统软件接收操作员输入信息，经过分析计算优化斗轮堆取料机作业任务，并将作业过程所需特征点实时传送到斗轮堆取料机控制系统，从而实现斗轮堆取料机自动堆垛、开层、换层、空场堆垛、补垛等堆取料全过程无人值守全自动作业，以及卸船机、斗轮机对燃煤卸、堆取料机的智能化操控。

3.3 应用成效

雷州发电公司通过在码头建立5G 通信基站及全自动监视和操作配套设施，使卸船机实现四自由度高精度姿态定位，建立三维仿真系统，对实际生产状态进行三维模拟，将原来手动控制模式更改优化为任务单自动控制模式，对螺旋卸船机控制系统及安全系统进行整体升级，与控制室进行局域网通信，实现了卸船机无人值守作业。

激光扫描仪使物料探测系统在气象及环境状况良好时，能进行非常准确的测量；结合雷达料位计，利用雷达长波，可穿透高粉尘、严重潮气恶劣环境检测到处于粉尘或雾幕后面的物料，实现船舱物料的三维成像与探测，准确获取船舱内散货物料分布情况，提供动态实时的船舱内料堆可视化状态，实现螺旋卸船机自动取料，为螺旋卸船机的智能控制提供资源数据支持；同时，增加的安全检测传感器，能够防止碰撞，实现了螺旋卸船机的安全作业。

该卸船机、斗轮机无人值守系统在确保稳定运行基础上，还保留了原有传统堆、取料功能以及输煤程控系统正常运行能力，斗轮机司机室现场保留了人工操作的功能，以防5G 无人值守系统出现异常时相关设备能及时转为人工操作，以确保电厂燃料供应安全。

4 安全维护建议

(1) 保障通信网络安全。5G技术应用于卸船机、斗轮机等火电厂设备，其基础是5G 通信网络，因此首先要满足5G 移动通信网的安全需求、新技术驱动的安全需求以及垂直行业驱动的安全需求。

(2) 防止软件设计漏洞。5G 技术的应用使得终端的定义不再局限于传统的手持终端，而是涵盖了数量更为庞大、种类更为丰富的IOT 物联网终端。若终端芯片设计上存在的漏洞或硬件体系安全防护不足，终端身份可能被盗用，数据被窃取、篡改，卸船机、斗轮机终端用户的无人值守程序将不能正常操作，不能实现自动卸煤和上煤。因此，需要从软件设计角度考虑操作系统运行的各类应用安全，防止攻击者通过对软件系统发起注入攻击、钓鱼攻击等以达到其控制和更改终端软件目的。

(3) 抓牢安全测试和权限管理。控制器是网络调度的中心，当其发出错误指令或发生故障时，就会使整个网络或操作系统瘫痪，因此安全可靠的控制器对于网络或操控系统至关重要。控制器和底层交换设备之间的通道要防止受到人为攻击或破坏，需要对控制器上运行的应用软件进行安全测试，以防被植入恶意代码。与此同时，要抓牢应用隔离和权限管理，限制应用对底层资源的访问权限，防止负责数据转发的底层交换设备遭受各种攻击，比如防止有人用虚假流信息填满流表、修改交换机对数据包的操作等入侵交换机，除定期进行防攻击性检测防护外，还可通过流控、拥塞丢包和超时调整等方式抵御外部攻击。

(4) 做好设备安全维护。要对卸船机、斗轮机等应用5G 实现无人值守的自动控制系统做好日常安全检查和维护。要保证三维激光扫描仪、雷达料位计等检测设施安全可用，确保检测信息准确、可靠，并能够安全可靠地将现场信息传递给自动控制处理中心；平日要清除电缆周围煤粉，以防发生自燃烧毁电缆；要加强对探头、触碰开关等部件的日常检查和定期保养，以防部件失灵导致卸船机、斗轮机自动控制发生故障。

(5) 建立多级防护机制。5G 技术在卸船机、斗轮机等火电厂设备上的应用目前尚在研究、试用、经验积累的摸索阶段，使用过程中可能会出现各种问题，需要加强系统的完好性检查和维护，提高其使用中的安全性、可靠性；同时要建立必要的多级安全协同防护机制，做好应急状况缺陷处理，并对5G 应用存在的安全风险和可能出现的安全问题制定相应的安全防护措施，以确保5G 应用自动控制系统安全稳定运行。