数字化煤场无人值守管理系统及方法探究

国家能源集团岳阳发电有限公司 贺维弟

数字化煤场无人值守管理系统特征在于自动化管理煤车，通过中心控制模块读取各类信息并开展线上分析，进而在减少人员投入的情况下实现煤场的安全、高质量管理。为实现全自动无人化作业，提高煤场安全管理及各项作业的开展效率，改善劳动环境及强度，应从安全监测、料场堆取料等方面搭建无人值守管理系统，尽可能避免现场事故的发生，提升煤场开发效益。

1 项目简介

某电厂2×1000MW 新建工程属于浩吉铁路沿线电源点项目。电厂规划建设4×1000MW 机组，本期建设2×1000MW 超超临界燃煤发电机组，不堵死扩建条件。本期工程新建1套折返式双车翻车机卸车系统。双车翻车机下给料装置采用4台300～900t/h 活化给煤机。本期建设2座内径120m 的圆形封闭煤场，每座圆形封闭煤场储煤量约为15×104t，总储煤量约30×104t，可供2×1000MW 机组燃用设计煤种21天。每座圆形封闭煤场内设1台圆形堆取料机，通过推煤机和装载机压实煤场、整理及辅助堆取料机进行堆取料作业。其中，2×1000MW 超超临界燃煤发电机组耗煤量较大，为避免不必要的资源耗费，项目选择无人值守的数字化系统开展管理工作。2×1000MW 超超临界燃煤发电机组的耗煤量见表1。

表1 2×1000MW 超超临界燃煤发电机组耗煤量

2 数字化煤场无人值守管理系统组成

为实现对煤场各类能耗的有效控制，以较低成本管理煤场，数字化煤场无人值守管理系统应包括安全监测、信息数据采集，以及堆取料机控制，通过将工作重点转变为数字化结构，提高监测、煤场管理和堆取料机控制效果，促进煤场各类作业效率的提升。

2.1 煤场安全监测子系统

本次案例项目对数字化煤场无人值守管理系统的使用功能提出具体要求，主要体现为：一是准确读取配煤掺烧、燃烧智能管控系统等数据、指令；二是能够发送数据至堆取料机DCS、配煤掺烧系统和燃料智能管控系统等；三是配合燃料智能管控系统监视、控制整个数字化煤场。因此，在上述要求下，首要任务是搭建基于煤场安全的监测子系统。

围绕本次案例项目，煤场安全监测子系统从报警功能的角度进行建设。对于煤场而言，其安全隐患较多，一旦发生安全事故，将给现场人员的人身安全造成极大威胁，同时伴随着大量资源的浪费。因此，对于数字化煤场无人值守管理系统中的安全监测子系统，应整合多项风险要素，实现事故信息的提早采集、反馈与预警，依托于信息化、智能化的实时监测加强煤场管理。具体具备温度、烟气、CH4和CO 可燃气体、粉尘浓度等检测报警，通过对煤场的全覆盖，及时将现场环境以数字化信号的方式发给输煤DCS 与数字化煤场管控系统，便于相关人员对煤场的实时监测与管理。

2.2 圆形煤场盘煤子系统

在数字化煤场无人值守管理系统中，圆形煤场盘煤子系统主要发挥场内煤堆外形数据的采集工作，其包括自动化实时采集和人工手动采集两种。为满足案例项目对煤场管理的需求，提升现场资源管理水平，圆形煤场盘煤子系统主要通过光纤的方式实现各类数据的传输，将其全面且详细地传输至数字化煤场管控系统，供相关管理人员分析使用。为保证煤堆外形数据采集质量，整合运用动态三维模型，此类模型不仅可能随意缩放、旋转、平移，还可以提供每个分割区域煤量的自动计算功能，使管理人员在输煤控制室就能完成定期的盘煤操作。通过搭建这一子系统，能够使管理人员无须前往煤场就能精准测量煤场储煤体积，根据三维模型明确储煤实时信息，而且，其所具有的基于权限的信息共享功能，可以通过Web 发布使拥有权限的人随时随地浏览煤场信息[1-2]。

2.3 堆取料机全自动无人值守控制子系统

为实现项目煤场圆形堆取料机的自动化无人值守目标，还应在管理系统中搭建堆取料机全自动无人值守控制子系统。在本次案例项目中，具体开发内容包括：开发料堆建模系统、堆场管理系统；在堆取料机上安装高精度定位系统、料堆形状数据采集设备、防撞系统、视频监控系统，新增机上堆取料机扩展DCS 控制系统；设计开发自动堆、取料DCS 程序，并将控制组态及画面整合至堆取料机DCS。由值班人员在智控楼进行远程监控作业，实现堆料、取料远程自动控制，做到远程手动和自动的无缝切换。

在上述系统功能的整合应用下，堆取料机全自动无人值守控制子系统可以配合掺配掺烧等方面协同开展作业。

3 探究数字化煤场无人值守管理系统搭建方法

3.1 煤场安全监测系统搭建（红外测温+挡煤墙温度监测设备等）

根据上述组成分析，在搭建煤场安全监测系统时，应利用现有的监测设备，通过PROFIBUS 现场总线接入至输煤DCS，以便DCS 实现煤场安全的监视及联锁功能。在该安全监测系统下，可结合红外热成像仪，以此实现数据的高效传输，外加煤堆堆形结合实现测温三维展示。管理人员通过应用数字化煤场系统，即可以直观的方式获得煤场分区域温度走势信息，根据需求精准查看某段时间内煤场的温度分布统计图，进而对目标批次的煤的整体温度情况予以确定。出于安全考虑，煤场安全监测系统配置设计为就地数据采集箱、柜，采用304不锈钢或铝合金材质。

3.1.1 红外测温系统

煤场温度作为数字化煤场管理重点，本次案例项目中通过红外测温系统的设置实时掌握煤场温度。主要是在煤场内合理部署智能传感器，以此实现圆形料场的全自动、全天候监测圆形煤场表面温度，实现智能数据管理功能，检测煤场安全信息。系统由红外热成像仪、信号整合设备、通讯电（光）缆、交流电源等构成。在煤场内科学布置红外热成像仪，将其测量信号纳入数字化煤场管理系统，利用系统自动分析功能处理测量数据，运用不同颜色呈现不同温度，为管理人员提供三维显示信息，进而通过数字化技术手段，在无人值守的情况下实现对煤场表面温度的实时监测。经网格化处理后，现场总线或基于MODBUS 协议的485总线将每个网格（10°×15m）内的最高温度数据和现场传感器测得的区域内最高温度信息传输至输煤DCS 系统。本次案例项目选择红外热成像仪作为温度传感装置，由于煤场为圆形，故每120°布置一台，主要安装于煤场马道，进而实现对整个圆形煤场表面温度变化的完全、实时监测。一旦检测到的温度信息超过设计的温度阈值，将立刻传出预报警信息，同时传达准确的温度信息和位置信息，防止自燃事件的发生，实现圆形煤场安全环境的有效管理[3]。

3.1.2 挡煤墙温度监测

为使温度监测设备充分发挥作用，应合理建设、部署挡煤墙温度监测系统。在挡煤墙上均匀布置温度测点，每隔10°设置一套壁温监测杆，用于监测墙壁温度。由于本次案例项目煤场积煤范围较大，因而该监测杆共设置34根，每根长度13m 左右。测温杆采集的温度数据通过具备双路冗余的标准总线协议的采集控制装置进行采集上传，每12根测温杆接入一个区域网络智能控制器中，每个煤场共配置3个区域网络智能控制器，各区域智能控制器与输煤DCS 系统进行通信。

3.1.3 气体及粉尘浓度监测系统

将具有可燃气体、粉尘浓度、有害气体等检测功能的装置布置在煤场行走台车检修平台上，根据煤场大小选择覆盖规模合适的传感器。本次案例项目选择检测范围为30×30m 的传感器，共配置13组，每三组搭配四套粉尘浓度检测装置。危险气体检测装置和粉尘浓度检测装置信号经过就地布置的智能控制器采集，转为数字量通过现场总线进入输煤DCS 系统。监测信号可通过就地壁挂数据采集箱采集，配有声光报警灯，可根据信号内容实时显示具体情况。需要注意的是，在部署带有信号接收功能的设备装置时，应注重移动节点位置的计算。具体而言，接收信号的强度是发射功率和发射器与接收器之间距离的函数，所以，在计算移动节点位置时，可通过接收信号强度RSSI 理论值的计算得到，具体如公式（1）所示：

式中，RSSI 表示接收信号强度；n表示信号传播指数，即信号传播常量；d表示与发射器之间的距离；A表示距离1m 时的接收信号强度。

3.2 圆形煤场三维测控及盘煤子系统搭建

根据信息数据采集要求，圆形煤场三维测控及盘煤子系统应具有自动、人工手动两种信息数据采集功能。在本次案例项目中，主要选择激光扫描仪、台式工作站、数据采集系统、三维煤场测控软件等建设该系统。由于煤场存在检测盲区，所以本次选择三台三维激光扫描仪，将其安装在煤场煤棚马道上；选择两台激光扫描仪安装在取料臂上。两处10%扫描距离分别不低于120m 和40m[4]。

在上述部署方案下，采用精细网构算法将所有断面上的三维点数据重新构建三角网。简单来说，对相邻两个断面进行多个小三角形的划分，然后通过逐个的积分计算得到总体积。当煤场的料场堆由多个种类的料构成时，在该系统算法下，可以无须前往现场得到每一堆料的体积。而且，系统所提供的分割功能能够结合管理人员的具体需要分割计算图形上的料堆，并通过鲜明的颜色予以区分，同时，不同颜色还能反映料堆进场批次，有助于管理人员对存放位置、批次煤质、批次重量等进行匹配管理。开展取料作业时，该系统可以实时提供配煤参数系统目前取得存煤对应的历史来煤的具体批次，并提供存放时间、单次取煤等信息数据，便于配煤掺烧等管理工作的高质量展开。

在台式工作站的应用下，依托Windows10系统的配置使用，可运行、操作三维动态测控软件，通过调用煤场的实时三维数据，为生产决策者进行配煤掺烧工作提供参考。

3.3 堆取料机全自动控制系统搭建（服务器及服务柜+综合属性动态展示等）

在对物料机全自动控制系统中，其由无人值守系统、煤场三维动态建模子系统等组成，相关传感设备合理部署在煤场内部，其中，堆取料机布置在爆炸性粉尘环境区，控制系统采用与主厂房DCS 一致+上位机。

在本次项目案例中，该系统的服务器与服务器柜选择与布置方案为：在输煤T1转运站电子间布置一台堆取料机全自动控制系统服务器，通信系统由工业级金属外壳的机架式网络交换设备为基础，通过其所具有的保护功能为系统运作提供保障。采用三维动态展示系统全方位展示煤场，具有旋转、拖动等功能，基于动态展示系统设置煤场分区、存煤煤种、堆存原则等。结合运用雷达数据模拟建模与激光扫描采集到的煤场数据建立三维模型，根据现场信息与环境的变化对模型予以实时更新，动态呈现多属性数据，比如堆放时间、煤种等。同时该系统能够根据燃料信息管理记录的燃料业务流数据与三维模型进行整合、关联，生成综合属性的三维煤场模型。通过与堆取料机DCS 系统接口获取堆取料机的实时定位信息，匹配煤场的统一坐标系和堆取料机的三维模型进行展示。

综上所述，为提高煤场管理质量、降低管理成本，运用数字化技术代替人工值守是必然发展趋势。在建设该智能系统时，应注重安全监测、信息数据采集、堆取料机控制的系统搭建，以此满足日常安全管理需求。