山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司 楊利濤

在火電廠運(yùn)行成本中，燃料成本占據(jù)70%以上，所以需要通過科學(xué)管理實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效利用，有效降低發(fā)電成本和落實(shí)清潔生產(chǎn)要求。但燃煤的散貨特性，決定了進(jìn)入煤場煤種的復(fù)雜性，單靠人力管理煤場，經(jīng)歷接卸、堆放等環(huán)節(jié)后煤種的煤質(zhì)無法得到有效保障，將給后續(xù)實(shí)現(xiàn)配煤摻燒帶來困難，難以保證鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 項(xiàng)目概況

某火電廠總裝機(jī)容量930MW，包含兩臺165 MW 機(jī)組和兩臺300MW 機(jī)組，年耗煤量達(dá)300萬t，年發(fā)電量約43億kWh?；痣姀S建設(shè)有煤場專門負(fù)責(zé)燃料管理，可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)燃煤資料統(tǒng)計(jì)管理。但目前煤場設(shè)備相對分散，具有布置點(diǎn)多、面廣等特點(diǎn)，采煤、取煤等環(huán)節(jié)尚未對接，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此設(shè)立煤場智能改造項(xiàng)目，希望實(shí)現(xiàn)火電廠燃料數(shù)字化管理。

火電廠的煤場管理主要依靠人工，需要人員登記來往車輛信息，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)、不準(zhǔn)確等問題，導(dǎo)致煤場制定的配煤計(jì)劃不準(zhǔn)，燃煤采購量和實(shí)際需求不匹配，給燃料管理帶來負(fù)面影響。

火電廠儲煤場早期經(jīng)過氣膜封閉改造后，配備1臺懸臂式斗輪機(jī)堆取料。斗輪機(jī)作為主要接卸煤設(shè)備，由于電氣設(shè)備老舊，故障率較高，在缺少保護(hù)元器件的情況下存在一定安全隱患。目前設(shè)備依靠人員就地手動操作，需要司機(jī)通過電話方式反饋斗輪機(jī)狀態(tài)和接收輸煤集控人員作業(yè)指令，作業(yè)勞動強(qiáng)度較大，容易出現(xiàn)堆垛不規(guī)則、取煤流量波動大等問題，無法保證穩(wěn)定上煤；煤場封閉后內(nèi)部有毒氣體、粉塵濃度超標(biāo)，環(huán)境惡劣，只依靠人工管理煤場，需要長時(shí)間在煤場值守，無法保證人員職業(yè)健康。

2 智能數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用方案

為確保煤場安全、高效和可靠運(yùn)行，某火電廠決定引進(jìn)智能數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)自動堆取控制，編制涵蓋煤場各流程的信息化方案，改變煤場管理現(xiàn)狀，在徹底解放人力的同時(shí)，為火電廠燃料管理提供精準(zhǔn)、可靠的數(shù)據(jù)信息。

建立可視管控平臺。應(yīng)用數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)，建立3D 可視化料場管控平臺，通過工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線通信等技術(shù)自動采集儲煤場設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握料場信息[1]。借助平臺綜合運(yùn)用激光測距、三維建模、視頻監(jiān)控等技術(shù)，打造智慧料場。借助各種智能硬件實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)定位，獲取接卸、堆煤等信息，能夠完成智能堆取料、在線盤煤、智能配煤等各種智慧應(yīng)用開發(fā)，為燃料采購、配煤需求決策等各種生產(chǎn)經(jīng)營管理策略的制定提供依據(jù)。在統(tǒng)一開放平臺將空間數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合共享，通過智能一體化操控平臺實(shí)現(xiàn)料場可視化管理，如設(shè)備監(jiān)測、單機(jī)選擇、料垛掃描、自動作業(yè)等。

做到無人精準(zhǔn)堆取。建立堆取料無人值守系統(tǒng)，通過激光掃描、數(shù)據(jù)建模等技術(shù)生成料場三維圖形，控制斗輪機(jī)實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)堆取料。系統(tǒng)由中央控制站、動態(tài)測控系統(tǒng)等構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)煤場網(wǎng)格化管理，完成不同煤種分類、分堆、分層堆放。使用高精度定位傳感器，斗輪機(jī)通過動態(tài)建模提取物料輪廓特征點(diǎn)，精準(zhǔn)確定取料作業(yè)區(qū)。在斗輪機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位和防碰撞控制的情況下，可以高效、精確取料或堆料，并記錄和追溯存取煤軌跡，將結(jié)果反饋至控制系統(tǒng)[2]。經(jīng)過系統(tǒng)分析生成新的煤量、堆放位置、堆形軌跡等數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并發(fā)送精準(zhǔn)控制指令使斗輪機(jī)可靠作業(yè)，減少輸料單耗，提升料場庫存利用率，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)現(xiàn)無人值守目標(biāo)。對斗輪機(jī)進(jìn)行完全自動化改造，推動煤場管理系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)無人值守目標(biāo)。為斗輪機(jī)增加各種防撞、過載保護(hù)等安全防護(hù)傳感器，并使用視頻監(jiān)控、傳感器探測等手段監(jiān)管設(shè)備，系統(tǒng)分析設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，提前預(yù)測設(shè)備可能發(fā)生的故障，指導(dǎo)人員開展預(yù)防性檢修、維護(hù)等工作，消除影響設(shè)備安全運(yùn)行的各種因素。通過使斗輪機(jī)長時(shí)間可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，采用恒流量取料方式連續(xù)作業(yè)，解決人工取料帶來的燃料流量不平穩(wěn)問題，增強(qiáng)配煤摻燒準(zhǔn)確性[3]。在無人值守的條件下，煤場管理系統(tǒng)可根據(jù)來煤情況、各分區(qū)煤質(zhì)現(xiàn)狀等自動生成卸煤方案，減少人員換崗等非必要停機(jī)環(huán)節(jié)，全方位提高煤場生產(chǎn)效率。

2.2 開發(fā)可視堆放系統(tǒng)

2.2.1 項(xiàng)目要求

實(shí)際開發(fā)煤場的可視堆放系統(tǒng)，可知建立可視化平臺展示料場三維模型時(shí)，要求成像長、寬、高和實(shí)際測量誤差不超15cm，斗輪機(jī)行程誤差同樣不超15cm，旋轉(zhuǎn)和俯仰精度小于0.1°，可動態(tài)、真實(shí)反映煤場存煤和斗輪機(jī)工作狀況。在斗輪機(jī)存取料時(shí)，系統(tǒng)按照1Hz 頻率動態(tài)更新3D 模型，確保人員可在3D 圖形中的任一點(diǎn)查詢位置及遠(yuǎn)程坐標(biāo)，通過旋轉(zhuǎn)、平移模型等操作在斗輪方向從多視角觀察機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并能三維動態(tài)回放1年內(nèi)斗輪機(jī)作業(yè)情況。利用系統(tǒng)軟件選擇作業(yè)區(qū)，系統(tǒng)將自動計(jì)算目標(biāo)區(qū)域堆取料作業(yè)點(diǎn)位和斗輪機(jī)切入點(diǎn)，向設(shè)備下發(fā)包含俯仰位置等信息的作業(yè)任務(wù)。應(yīng)用系統(tǒng)建立監(jiān)控中心，要求實(shí)現(xiàn)信息集成化、過程可視化管理，通過平臺查詢堆取作業(yè)類型、區(qū)域等信息，提高料場管理自動化水平，保證作業(yè)安全性和高效性。

2.2.2 動態(tài)展示

明確項(xiàng)目要求后，開發(fā)具備煤場分區(qū)設(shè)置、煤種存煤設(shè)置等功能的可視堆放系統(tǒng)，將煤場細(xì)分為多個(gè)區(qū)域，分別設(shè)置堆料原則。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤場總體信息三維動態(tài)展示，確保管理人員根據(jù)圖形變化掌握煤場各分區(qū)存煤情況，并通過點(diǎn)擊圖形查看數(shù)據(jù)量變化。對三維模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，查看斷面圖形和數(shù)據(jù)，獲取各煤層分布狀況。將二維圖形和三維模型結(jié)合，實(shí)時(shí)獲取存煤信息，與斗輪機(jī)PLC 系統(tǒng)接口對接，確定斗輪機(jī)位置、堆料臂回轉(zhuǎn)角度、取料臂俯仰角度等數(shù)據(jù)，與煤場統(tǒng)一坐標(biāo)系匹配，生成斗輪機(jī)三維模型，動態(tài)反饋設(shè)備狀態(tài)。

2.2.3 分區(qū)展示

煤場將分區(qū)存儲煤炭燃料，應(yīng)用可視堆放系統(tǒng)分區(qū)展示，將按照煤場長度設(shè)置分區(qū)，在現(xiàn)場三維圖形完成區(qū)域劃分，提供分區(qū)三維信息。在斗輪機(jī)堆取料臂兩側(cè)固定激光掃描儀和紅外探頭，配合使用行程編碼器、俯仰編碼器、回轉(zhuǎn)編碼器等盤點(diǎn)煤場，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)掃描，可通過一次三維建模全面、直觀展示煤場圖形，分區(qū)顯示各區(qū)域燃料信息，包含煤種庫存、煤區(qū)溫度等，方便人員實(shí)時(shí)掌握煤場現(xiàn)場作業(yè)情況。

2.3 升級無人值守系統(tǒng)

2.3.1 項(xiàng)目要求

升級無人值守系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)自動化改造，根據(jù)可視堆放系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)操控斗輪機(jī)自動堆取料，要求系統(tǒng)具備自動尋址、堆料、取料等功能。在自動尋址期間，系統(tǒng)結(jié)合作業(yè)模式和遠(yuǎn)程操作站輸入煤堆編號等信息，將啟動相關(guān)設(shè)備，自動計(jì)算作業(yè)點(diǎn)位置，選擇斗輪機(jī)行走和懸臂回轉(zhuǎn)等定點(diǎn)，控制斗輪機(jī)完成自動堆取料。在斗輪機(jī)作業(yè)期間，結(jié)合取煤量和實(shí)時(shí)監(jiān)測堆料高等信息，將自動調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)、步進(jìn)等參數(shù)，做到恒流取料。在無人值守系統(tǒng)接入料場系統(tǒng)后，建立遠(yuǎn)程智能管控平臺，展示煤場信息的同時(shí)，通過系統(tǒng)配置就地PLC 全自動控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)、控制室監(jiān)控平臺，加強(qiáng)斗輪機(jī)作業(yè)控制，確保達(dá)到表1所示的技術(shù)指標(biāo)要求，使斗輪機(jī)作業(yè)效率至少提高25%。

表1 無人值守平臺技術(shù)指標(biāo)

2.3.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)斗輪機(jī)改造要求，面向每臺設(shè)備在低壓電器房內(nèi)安裝由核心PLC 控制器、交換機(jī)、信號處理機(jī)等構(gòu)成的全自動控制系統(tǒng)，通過工業(yè)總線等通信協(xié)議與現(xiàn)場監(jiān)測、掃描等裝置傳遞信號，處理各類數(shù)據(jù)后生成控制指令，控制斗輪機(jī)作業(yè)順序，實(shí)現(xiàn)恒流量取料。系統(tǒng)采用激光三維掃描、格雷母線定位等多種信息技術(shù)，將控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)功能模塊，各模塊間通過數(shù)據(jù)相互融合和交互實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)全自動控制。PLC 作為系統(tǒng)控制中心，根據(jù)智慧煤場管控系統(tǒng)傳遞的堆取料任務(wù)范圍等信息生成邏輯控制指令，并通過實(shí)時(shí)動態(tài)獲取煤場表面三維坐標(biāo)信息制定控制策略，操控斗輪機(jī)自動堆取料。

第一，在斗輪機(jī)自動尋址功能實(shí)現(xiàn)階段，利用雙編碼器定位和RFID 定位校準(zhǔn)裝置，精準(zhǔn)獲取斗輪機(jī)相對煤場行走位置、堆取料臂旋轉(zhuǎn)和俯仰角度等。為每臺斗輪機(jī)配備格雷母線定位裝置，采用縱向編碼器檢測定位，斗輪機(jī)定位精度小于0.05m。在斗輪機(jī)正常作業(yè)期間，需完成許多回轉(zhuǎn)、擺動等動作，容易與周圍煤堆或設(shè)備發(fā)生碰撞。在斗輪機(jī)大臂兩側(cè)安裝超聲波傳感器，并在打車前后安裝防撞超聲波測距機(jī)，能夠在設(shè)備處于全自動無人值守狀態(tài)后提供安全防護(hù)，檢測發(fā)現(xiàn)斗輪機(jī)周圍發(fā)現(xiàn)障礙物后將發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒監(jiān)管人員及時(shí)處理，直至障礙物排除再恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，有效提升了斗輪機(jī)作業(yè)的安全性。

第二，在自動取料期間，可使用大臂頭部激光掃描儀動態(tài)掃描獲取煤場三維輪廓數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)測量料堆輪廓，并通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器，支持系統(tǒng)三維建模。使用懸臂皮帶靠近斗輪一側(cè)的料量檢測裝置，實(shí)時(shí)掃描皮帶上瞬時(shí)料流量，與設(shè)定目標(biāo)流量值比較，能自動調(diào)節(jié)斗輪機(jī)作業(yè)參數(shù)，確保實(shí)際取料流量和目標(biāo)值偏差不超5%。

第三，在自動堆料過程中，通過對接智慧煤場管控系統(tǒng)，獲取堆煤種類、數(shù)量、存放位置等信息，發(fā)送至斗輪機(jī)PLC 控制器，斗輪機(jī)將按照指令要求運(yùn)行至指定位置，調(diào)整俯仰角度等參數(shù)到達(dá)堆料點(diǎn)。在堆料作業(yè)期間，斗輪機(jī)將實(shí)時(shí)測量堆料高度，達(dá)到預(yù)定高度后按照堆料策略換位。大臂頭部落料口位置安裝料位計(jì)，用于監(jiān)測堆料高度。

2.3.3 監(jiān)控系統(tǒng)

新建智能煤場監(jiān)控系統(tǒng)，布置遠(yuǎn)程集控網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和服務(wù)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)隔離裝置等，通過光纖與全自動控制系統(tǒng)通信，消除數(shù)據(jù)采集受到的臨時(shí)斷網(wǎng)、人為誤操作等因素影響。將采集到的掃描、定位、高清視頻等數(shù)據(jù)集中處理，獲取完整監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。依托系統(tǒng)建立遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，應(yīng)用無人值守控制系統(tǒng)、智能煤場管控系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)煤場信息集中監(jiān)管，通過智慧監(jiān)控大屏、現(xiàn)場操作員站和后臺服務(wù)器處理各種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可結(jié)合作業(yè)單、斗輪位置等提示作業(yè)點(diǎn)位，顯示斗輪機(jī)堆取料過程狀態(tài)。

在斗輪機(jī)出現(xiàn)過載、脫離指定區(qū)域等異常情況時(shí)，系統(tǒng)將自動報(bào)警，記錄相關(guān)作業(yè)信息。系統(tǒng)有全自動、遠(yuǎn)程半自動和就地手動三種模式，可結(jié)合實(shí)際需求自動切換，提高作業(yè)效率的同時(shí)，保證煤場運(yùn)行安全性。在全自動模式下，人員確認(rèn)作業(yè)任務(wù)單后，關(guān)聯(lián)設(shè)備將自動調(diào)車，到達(dá)指定位置后自動完成取料、堆料等作業(yè)。在半自動模式下，人員遠(yuǎn)程控制設(shè)備到達(dá)指定位置，調(diào)整確認(rèn)各設(shè)備就位，然后輸入動作角度等參數(shù)控制斗輪機(jī)自動作業(yè)。遇到設(shè)備故障等特殊情況，切換至就地控制模式，人員可在斗輪機(jī)室手動控制斗輪機(jī)作業(yè)。

2.4 無人值守控制室

建設(shè)無人值守控制室，配備系統(tǒng)自動化控制服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、1000MB 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，安裝數(shù)據(jù)庫軟件和數(shù)據(jù)交換管理軟件，存儲煤場地形數(shù)據(jù)、物料信息參數(shù)、作業(yè)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和作業(yè)指令交換管理?？刂剖也贾?組工位，每個(gè)工位包含2個(gè)鄰接操作臺，配置工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、顯示屏、視頻監(jiān)控大屏用于監(jiān)管煤場、斗輪機(jī)狀態(tài)。通過上位機(jī)實(shí)時(shí)獲取煤場三維圖形和堆取料任務(wù)，顯示斗輪機(jī)空間位置和姿態(tài)，可遠(yuǎn)程調(diào)整斗輪機(jī)旋轉(zhuǎn)、俯仰角度等，控制設(shè)備啟閉，建立“下達(dá)-執(zhí)行-監(jiān)督反饋-記錄”的完整管控程序，實(shí)現(xiàn)堆取料全過程監(jiān)管。