基于LoRa技术的低功耗分布式煤堆测温系统研究

2022-12-01王勇江学文贺琪

电子制作 2022年20期

王勇，江学文，贺琪

（1.浙江浙能温州发电有限公司燃料部，浙江温州，325602；2.杭州集益科技有限公司，浙江杭州，311200）

0 引言

燃煤电厂的燃料成本占据发电成本的 70%～80%，分别受电煤采购入厂环节、电煤库存管理环节及电煤入炉掺烧环节影响[1]。配煤掺烧技术已成为提高火力发电机组运行安全性、环保性、经济性的重要手段[2,3]。煤低温氧化严重威胁着煤堆特别是褐煤等经济煤种的储运安全，同时给电厂带来一定的经济损失。因此，对煤堆温度实行实时监控，以便在煤自燃发生的初始阶段发现问题，进而采取措施加以解决，是预防煤堆自燃的重要手段。从原理上分，测温方法有热电阻法、热电偶法、光纤测温法、指标气体探测法、红外线探测法等；从装置形式上分，有测温枪（分有线和无线二种）、光纤、束管监测装置、红外测温仪等[4]。束管监测装置、红外测温仪属于间接测量，测量准确性较差；测温枪、光纤需要人工预埋，测温工作量较大，且测温球需要在取煤前取出。

在斗轮机实现全自动控制系统[5]后，改变传统测温装置形态和预埋方式，实现自动预埋和远程无线自动传输监测数据成为了可能。本文以LoRa技术为基础，利用斗轮机全自动控制系统，设计了一套低功耗分布式煤堆测温系统。

1 系统概况

某燃煤电厂，总装机容量252万千瓦，燃料煤场有2座，分别为#2、#3煤场。其中，#3煤场为平面矩形布置，长度约403m，宽约98.6m，设计储量13万吨。#3煤场内设有一台#3斗轮机，斗轮机型号为DL2000t/1000t.35。目前#3煤场已完成气膜全封闭改造，#3斗轮机已完成斗轮机集中全自动控制系统改造，实现了远程自动运行。由于电厂大量采购经济煤种褐煤，煤堆经常发生自燃现象，因此电厂进行了煤堆测温自动化研究，开发了煤堆测温系统。

煤堆测温系统由堆损智能监控系统平台、斗轮机智能控制系统、测温球抛投装置、测温球、无线网关、测温球皮带定位检测装置组成，如图1所示。测温球和无线网关之间采用LoRa（Long Range，长距离）技术进行组网和无线通讯。

基于LoRa技术，设计分布式测温装置（简称测温球）。利用斗轮机全自动控制系统，增加抛投程序，在自动堆煤时，斗轮机将测温球抛投至煤堆内部；测温球定期向服务器上报监测数据；在斗轮机取煤时，斗轮机将测温球取出，并随煤流进入输煤系统，在滚轴筛和碎煤机处被筛出或破碎，实现了煤堆测温全过程自动化。系统工作流程如图2所示。

2 斗轮机智能控制系统

2.1 系统概述

系统采用精确定位、三维测控、自动控制、图像监控等多项专利技术，实现斗轮机智能无人控制，实现了斗轮机作业远程集中控制、就地无人值守[6]。系统主要由以下部分组成：

(1)精确定位系统：通过北斗、高精度编码器和校准等实时定位技术，实现斗轮机大车及斗轮位置的三维空间定位（定位精度达到厘米级）。

(2)精准测量系统：通过煤位、流量、煤垛检测，建立实时的煤垛三维模型，作为智能控制系统的基础数据。

(3)智能控制系统：通过智能控制技术，对煤位、煤垛、流量、空间位置等信息进行智能分析和计算，完成全自动定位、全自动堆取料、手动/自动双向无扰动切换、取料过程流量恒定等控制功能，实现斗轮机一键式启停控制，全过程无需人员干预。

(4)安全防护系统：通过行人和障碍物防撞检测、皮带煤流高温检测、智能图像识别、高清视频监控等技术，实现极限、防撞、跨场、泄压、过载、拖链、煤温、皮带、人员等运行安全检测和保护。关键装置采用冗余配置，确保系统可靠运行。

(5)高清图像系统：采用工业级高清网络摄像机，全方位监视斗轮机运行状态及煤场环境。

(6)集中监控平台：设立集中监控上位机，对多台斗轮机进行远程集中式智能无人控制，实现单人同时操作多台斗轮机功能。

2.2 测温球抛投装置

测温球抛投装置，由抛投筒和4个分层布置的电机组成，如图3所示。抛投筒内置若干个测温球，安装在悬臂皮带上方，通过斗轮机智能控制系统对电机的控制，测温球按照指令逐个放落到悬臂皮带，测温球随煤流抛投到煤堆。

2.3 抛投控制模块

煤堆升温明显的点位在煤堆深度1.0～2.0m范围[7～9]，测温球抛投在煤堆1.5m深处。

在斗轮机智能控制系统程序中，斗轮机采用回转堆煤模式，增加自动抛投程序。通过计算抛投落地时的大车、悬臂回转角度数据，在到达预定的斗轮机位置时，抛投程序控制测温球抛投装置进行抛投，测温球落到悬臂皮带上随煤流一起抛落在煤堆上，后续煤流把测温球覆盖，形成完整的煤堆。同时抛投装置提前启动，使得大车、悬臂在抛投位置时，测温球随煤流刚好到达悬臂头部，测温球抛投到预定的煤堆深处。

如图4所示，斗轮机全自动控制系统上位机操作界面中，增加了煤场测温操作界面，同时在煤场沿轨道展示测温球和温度，当温度越限时，显示黄色和红色，提醒运行人员尽快和立即取煤。

3 无线网关和测温球

LoRa无线组网如图5所示。在煤场四周挡煤墙设置若干无线网关，测温球则被布置于煤堆侧面预定深度的煤堆内。无线网关和测温球之间采用LoRa技术进行无线通信，实现测温球状态管理和数据通信。

3.1 无线网关

每个无线网关工作在不同的信道，无线网关主要功能包括：（1）接收测温球注册请求信息；（2）管理测温球数据；（3）连接服务器；（4）上报当前网络测温球ID和测温球数据；（5）下发服务器配置参数到测温球。

3.2 测温球

测温球为多边形柱体状，外壳材质为特种工业塑料，满足需求：(1)无线传输包括LoRa无线和RFID无线要求，(2)在煤堆内抗压和耐高温性能，(3)取出到输煤皮带后可被碎煤机破碎。

测温球主要功能为采集温度、电厂电量数据，并将采集数据上报给无线网关。测温球同时支持NFC卡激活和休眠，在测温球被激活后，自动进入注册模式，注册成功后，进入待机模式。使用休眠卡，测温球将进入休眠模式，并退出当前注册的网络。

测温球结构如图6所示。

3.3 测温球状态控制

测温球四种状态模式：注册模式、休眠模式、工作模式和待机模式。

测温球在激活状态下，自动搜索当前可用无线网关，根据当前搜索到的无线网关信号强度进行入网注册，入网注册成功后进入待机模式，在待机模式下等待无线网关下发时间配置数据。测温球按照时间配置数据进行数据上报、休眠、唤醒周期性工作。

网关收到测温球唤醒后的上报数据，将数据上传至服务器，同时如果服务器有下发数据，网关将下发数据发送到对应的测温球。每个测温球上传数据都具备ACK机制，并且数据上传后都具备时间窗口，用以接收服务器命令。

在休眠、唤醒工作模式下，测温球电池使用寿命以年为单位计[10]，大大延长。

4 测温球皮带定位检测装置

设计一种基于RFID的测温球回收前定位检测系统，包括RFID天线、RFID读写器和天线屏蔽罩。RFID天线安装于的斗轮机悬臂上方。当测温球抛投装置将测温球放落到悬臂皮带上或测温球从煤堆取出落到悬臂皮带上，测温球随煤流经过RFID天线时，RFID读写器实时读取内置于测温球内部的RFID标签，并发送至服务器。服务器通过RFID标签与测温球ID的对应表找到测温球ID，以确定测温球ID和抛投落点位置的对应关系。后续测温球上报煤温数据时，同时伴有测温球ID数据，服务器软件则可在测温球对应的煤堆空间位置标识相应煤温数据。

通过现场试验获得天线屏蔽罩的倾斜角度，以及测温球检测范围，实现对测温球在悬臂皮带上的定位，可为未来测温球在悬臂皮带上实施回收提供基础。