趙重陽(yáng)，丁永三，黃 俊，張 禹，周黎輝

（1.國(guó)家能源集團(tuán)諫壁發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006；2.上海迅見自動(dòng)化有限公司，上海 200125）

0 引言

燃煤鍋爐是火電廠最重要的大型設(shè)備之一，電廠鍋爐內(nèi)部的檢修主要分為兩類，一類是定期進(jìn)行全面的檢修，另一類是發(fā)生爐膛事故時(shí)的檢修[1-3]。鍋爐爐膛內(nèi)檢修的工作環(huán)境非常復(fù)雜而且條件惡劣：首先，鍋爐爐膛是一個(gè)大型、全金屬、基本密閉的空間；其次，其上層區(qū)域密布大量受熱管排，檢修人員要在狹窄的管排之間行走，有時(shí)甚至需要半蹲通過，而鍋爐下部空間空曠，需要在受限空間搭設(shè)腳手架或吊裝平臺(tái)。此外，鍋爐爐膛內(nèi)空氣不流通，煤灰粉塵濃度高，缺乏照明等情況，都增加了檢修人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。在這樣的環(huán)境中工作，檢修人員容易發(fā)生磕碰、跌落等人身傷亡事故。近年來，鍋爐爐膛檢修時(shí)人員傷亡時(shí)有發(fā)生，其中有多起墜落傷亡的事故，也有因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境惡劣引起的人員高血壓突發(fā)情況，至于未上報(bào)的磕碰等輕微傷害事故應(yīng)該更多。

圖1 鍋爐爐內(nèi)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of personnel safety monitoring system in boiler furnace

本文開發(fā)和應(yīng)用了一種鍋爐爐內(nèi)檢修人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控爐內(nèi)人員的精確位置和活動(dòng)狀態(tài)。通過該系統(tǒng)，安全生產(chǎn)管理人員可以實(shí)時(shí)掌握鍋爐檢修現(xiàn)場(chǎng)所有人員的精確位置，同時(shí)在線監(jiān)測(cè)人員的生命體征，監(jiān)測(cè)人員高空跌落情況。當(dāng)發(fā)生人員傷害事故、高空墜落事故，或者人員走錯(cuò)工作位置時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。此外，現(xiàn)場(chǎng)人員遇險(xiǎn)或被困時(shí)，可以發(fā)出求救信號(hào)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)人員安全的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)管理，從而預(yù)防和減少人員傷害事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鍋爐爐內(nèi)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成由人員安全手環(huán)、定位基站、監(jiān)控平臺(tái)三層構(gòu)成，監(jiān)控平臺(tái)上可以接入數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，如圖1 所示。安全手環(huán)與定位基站之間采用超寬帶（UWB）方式進(jìn)行通信[4,5]，定位基站與監(jiān)控平臺(tái)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 局域網(wǎng)進(jìn)行通信。

2 安全手環(huán)

安全手環(huán)如圖2 所示，一般佩戴在現(xiàn)場(chǎng)工作人員的手腕上。安全手環(huán)中集成了多種傳感器和控制、顯示元件，主要元件和電路包括：超寬帶（UWB）信號(hào)收發(fā)器、心率傳感器、跌落傳感器、微型震動(dòng)馬達(dá)、觸控按鈕、液晶顯示屏、電池和電源回路、微控制單元（MCU）和控制回路。

UWB 信號(hào)收發(fā)器的功能一方面是作為定位基站進(jìn)行定位偵測(cè)的信號(hào)標(biāo)簽，另一方面是實(shí)現(xiàn)與定位基站之間的數(shù)據(jù)傳輸，并由定位基站進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。UWB 信號(hào)收發(fā)器內(nèi)置全向天線，數(shù)據(jù)傳輸速率為6800 Kbit/s[6]。

圖2 安全手環(huán)Fig.2 Safety bracelet

心率傳感器位于安全手環(huán)背面，佩戴時(shí)緊貼人體腕部皮膚，功能是監(jiān)測(cè)心率，當(dāng)發(fā)生心率異常時(shí)，發(fā)出心率報(bào)警信號(hào)，心率異常的條件包括心率過低、心率過高、心率突變。

跌落傳感器的功能是監(jiān)測(cè)位置移動(dòng)變化，當(dāng)發(fā)生位置以自由落體方式下落超過2m 時(shí)，判定為意外跌落事故，發(fā)出跌落報(bào)警信號(hào)。

微型震動(dòng)馬達(dá)的功能是向佩戴者發(fā)出信息提醒。由于電廠噪音比較大，安全手環(huán)如果采用聲音提示的話，很難聽見。因此，采用微型震動(dòng)馬達(dá)的方式，佩戴者感覺到震動(dòng)，可以從液晶屏看到具體信息。

觸控按鈕的功能主要是長(zhǎng)按2s，即可發(fā)出緊急求救信號(hào)。另外，觸控按鈕也可用于工程調(diào)試或者強(qiáng)制關(guān)機(jī)。

液晶顯示屏在一般情況下，顯示時(shí)間、日期、心率值、電量、ID 號(hào)等信息，或者顯示監(jiān)控平臺(tái)發(fā)來的信息，佩戴者觸發(fā)按鈕求救報(bào)警時(shí)，顯示“SOS”信息。

電池和電源回路具有智能電量管理功能，在打開心率監(jiān)測(cè)的情況下，充電一次可以連續(xù)工作5 天。

3 定位基站

定位基站布設(shè)于現(xiàn)場(chǎng)，其功能是偵測(cè)并精確定位附近的手環(huán)，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)與安全手環(huán)之間的信息傳遞。

定位基站與安全手環(huán)之間采用UWB 信號(hào)傳輸，基于到達(dá)時(shí)間方法（TOA）監(jiān)測(cè)附近安全手環(huán)的精確距離。每3個(gè)基站基于3 點(diǎn)定位法計(jì)算出安全手環(huán)在平面中的精確位置，如果要監(jiān)測(cè)三維立體空間的精確位置，則至少需要4個(gè)定位基站，并采用四點(diǎn)定位法計(jì)算。

本系統(tǒng)的單個(gè)定位基站的監(jiān)測(cè)半徑可以達(dá)到50m，缺省監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間1s，最小監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間0.1s。在電廠多金屬環(huán)境下，對(duì)安全手環(huán)的實(shí)際定位精度可以達(dá)到30cm。定位基站采用內(nèi)置全向天線，無需對(duì)時(shí)同步機(jī)，一般機(jī)械振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生明顯誤差。

圖3 定位基站Fig.3 Positioning base station

圖4 典型實(shí)時(shí)監(jiān)控界面示例Fig.4 Typical example of real-time monitoring interface

4 定位基站的布設(shè)

在機(jī)組正常運(yùn)行的時(shí)候，爐膛內(nèi)部不能安裝布設(shè)定位基站。因此，只能在機(jī)組停運(yùn)檢修期間，臨時(shí)布設(shè)定位基站。而且由于爐膛內(nèi)部管道密布，每次臨時(shí)布設(shè)電纜工作量很大。因此，定位基站采用完全無線的布設(shè)方式，既沒有通信電纜也沒有供電電纜。定位基站內(nèi)置WIFI 功能，與監(jiān)控平臺(tái)之間通過無線路由器等連接。同時(shí)，定位基站不適用外接電源，依靠?jī)?nèi)置的可充電鋰電池，可持續(xù)工作10h 以上。定位基站反水防塵等級(jí)達(dá)到IP67，可以在無防護(hù)的情況下，直接在機(jī)組停運(yùn)冷卻后的爐膛內(nèi)部臨時(shí)布置。

5 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)的服務(wù)器采用Linux 操作系統(tǒng)，具有更小的開銷和更好的安全性。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)采用了基于Linux 環(huán)境自主開發(fā)的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)；客戶端采用WEB 訪問方式，不需安裝瀏覽器插件。系統(tǒng)服務(wù)器可以同時(shí)監(jiān)控2000 個(gè)安全手環(huán)，可以同時(shí)調(diào)度1000 個(gè)定位基站，可以同時(shí)支持500 人登錄并同時(shí)在線查詢使用。

系統(tǒng)主要有以下軟件：定位解算軟件、內(nèi)存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、后臺(tái)管理和調(diào)度軟件、人機(jī)交互界面軟件、開放通信接口軟件。

系統(tǒng)的典型人機(jī)交互界面如圖4 所示。

人機(jī)交互界面基本框架中，框架頂部包括系統(tǒng)登錄信息、在線的人員（標(biāo)簽）和定位基站數(shù)量、滾動(dòng)實(shí)時(shí)報(bào)警信息、實(shí)時(shí)報(bào)警分類統(tǒng)計(jì)。框架底部有實(shí)時(shí)報(bào)警、人員管理、標(biāo)簽管理、任務(wù)管理、歷史記錄、歷史報(bào)警、系統(tǒng)管理等功能按鈕。

中間是主顯示區(qū)，缺省顯示當(dāng)前查詢區(qū)域的人員位置實(shí)況，左上角有當(dāng)前顯示區(qū)域所在的層次關(guān)系。點(diǎn)擊圖中某個(gè)人員會(huì)打開對(duì)話框，查詢?cè)撊藛T的詳細(xì)信息。

6 應(yīng)用案例

圖5 定位基站和無線路由器布設(shè)位置示意圖Fig.5 Location of base stations and wireless routers

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)家能源諫壁發(fā)電廠的2×1000MW 和2×300MW 機(jī)組的鍋爐爐膛內(nèi)部檢修時(shí)的人員安全監(jiān)控。

本系統(tǒng)全部采用無線通信方式，定位基站采用內(nèi)置電池供電方式，克服了鍋爐爐膛內(nèi)部難以布線問題，并采用預(yù)設(shè)位置、爐降溫后臨時(shí)布設(shè)的方法解決了定位基站的布設(shè)問題，采用自供電的無線路由器解決了無線路由器的供電問題。

以300MW 機(jī)組鍋爐的第2 層為例，該層是一個(gè)開闊的平臺(tái)空間，采用標(biāo)準(zhǔn)的四邊形布置方式，如圖5 所示。

由于檢修時(shí)有大量腳手架，因此定位基站和無線路由器可以固定在腳手架的管架上，其現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖6 所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

圖6 平臺(tái)空間實(shí)際布設(shè)圖Fig.6 Actual layout of platform space

本文針對(duì)鍋爐爐內(nèi)檢修過程中，鍋爐空間全金屬封閉，無線信號(hào)無法穿透，定位監(jiān)測(cè)裝置布設(shè)困難等問題，設(shè)計(jì)了一種用于爐內(nèi)定位的超寬帶定位系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件、軟件、定位算法等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究并給出了具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。通過該系統(tǒng)，電廠管理者可以實(shí)時(shí)在線地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)人員的生命體征、跌落事故、走錯(cuò)區(qū)域等風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)收到人員呼救信息。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明本系統(tǒng)具有很高的定位精度，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐爐內(nèi)檢修人員在爐內(nèi)空間的準(zhǔn)確定位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢修人員的安全，為電廠完善管理手段、主動(dòng)防范事故，提升安全管理水平創(chuàng)造有利條件。