大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)輸煤智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 喆，馬巖巖，趙晏博，邵建林，尹麗輝，鄧 旭，張 凱

(1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065201；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 )

儲(chǔ)煤系統(tǒng)是火電廠保障燃料供應(yīng)的重要設(shè)施，隨著節(jié)能減排與污染防治的進(jìn)一步深化，儲(chǔ)煤系統(tǒng)封閉式改造逐步成為火電行業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-3]。儲(chǔ)煤筒倉(cāng)是一種全封閉存儲(chǔ)的煤炭存儲(chǔ)方式，具備環(huán)保，節(jié)能，節(jié)約土地，流程簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)過(guò)程損耗低等優(yōu)點(diǎn)。然而，儲(chǔ)煤筒倉(cāng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間密閉等特點(diǎn)大幅增加了安全控制的難度[4，5]。煤儲(chǔ)運(yùn)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備多、布局分散、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)自控系統(tǒng)面臨故障率高、靈活性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題[6]。而輸煤系統(tǒng)的可靠性直接影響發(fā)電廠的正常安全生產(chǎn)，提升輸煤系統(tǒng)可靠性、安全性和運(yùn)維水平已迫在眉睫[7]。

為了保證輸煤系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，鄭大興等[8]利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)輸煤膠帶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)膠帶發(fā)熱燃燒、撕裂等隱患，確保輸煤膠帶及膠帶沿線輔助設(shè)備的安全。陳建忠等[9]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套機(jī)器人自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，以機(jī)器人代替人工對(duì)廊道進(jìn)行巡檢，以攝像頭及各種檢測(cè)儀表代替人的各種判斷，以三維畫(huà)面形式對(duì)整個(gè)巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)輸煤廊道的自動(dòng)巡檢和自動(dòng)報(bào)警等功能。部分學(xué)者基于可編程控制器(PLC)對(duì)火電廠輸煤系統(tǒng)自動(dòng)化控制進(jìn)行了研究，李宏毅[10]為實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤膠帶的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提出一種CAN現(xiàn)場(chǎng)總線輸煤膠帶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，既確保安全生產(chǎn)又提高了電廠的生產(chǎn)效率。韓冰[11]基于SIMENCE S7-200型PLC研究了其在火電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸煤系統(tǒng)的全程監(jiān)控，取得了較為理想的效果。馬草原等[12]基于PLC開(kāi)發(fā)了發(fā)電廠輸煤自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)利用上位機(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行控制和對(duì)輸煤系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控和記錄，使得輸煤系統(tǒng)具有更加安全、自動(dòng)化，增加了控制的可靠性。楊繼[13]基于PLC對(duì)火電廠輸煤控程系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并應(yīng)用于火電廠生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了輸煤系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作監(jiān)控、歷史趨勢(shì)記錄、數(shù)據(jù)交互和存儲(chǔ)、故障報(bào)警記錄等。金崇偉和黃峰[14]利用施耐德PLC設(shè)計(jì)了溫州電廠大型輸煤控制系統(tǒng)并通過(guò)研究輸煤控制系統(tǒng)的典型故障分析提出解決方案，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)工作可靠，運(yùn)行良好。張曉強(qiáng)[15]針對(duì)熱電廠輸煤系統(tǒng)中各級(jí)設(shè)備布局分散、難以統(tǒng)一調(diào)度等問(wèn)題，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的輸煤自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了輸煤系統(tǒng)自動(dòng)化控制及各級(jí)設(shè)備的監(jiān)控保護(hù)。沈鑫[16]基于PLC開(kāi)發(fā)了封閉式儲(chǔ)煤筒倉(cāng)安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)封閉式儲(chǔ)煤筒倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)工況和影響筒倉(cāng)安全關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建了儲(chǔ)煤筒倉(cāng)安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架。

為提高自動(dòng)化輸煤的安全性和工作效率，保證自動(dòng)輸煤系統(tǒng)的高效運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益，本文基于PLC設(shè)計(jì)了輸煤筒倉(cāng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合智能巡檢、在線圖像識(shí)別和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸煤設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和劣化趨勢(shì)分析，提高了自動(dòng)化監(jiān)管和控制水平。

1 儲(chǔ)煤筒倉(cāng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

儲(chǔ)煤筒倉(cāng)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，分為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)應(yīng)用和系統(tǒng)功能等層級(jí)，主要包括數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人巡檢、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、異常判別、報(bào)警管理、歷史查看、系統(tǒng)管理等功能模塊。數(shù)據(jù)源層通過(guò)圖像、溫度、濕度、氣體等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行采集，并將這些信息上傳至數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并對(duì)可能存在的故障、風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷。業(yè)務(wù)應(yīng)用和系統(tǒng)功能層實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，采用人工智能算法根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要具有以下特點(diǎn)：

1)監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC協(xié)議進(jìn)行通訊，按照每分鐘一次的頻率，采集輸煤設(shè)備和筒倉(cāng)的狀態(tài)參數(shù)。

2)利用深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)筒倉(cāng)、碎煤機(jī)、給煤機(jī)和輸煤膠帶電機(jī)進(jìn)行仿真模型，并利用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備正常狀態(tài)的實(shí)時(shí)仿真預(yù)測(cè)。

3)對(duì)輸煤膠帶布設(shè)吊軌機(jī)器人，并部署機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤膠帶的機(jī)器人巡檢。機(jī)器人搭載高清及紅外攝像機(jī)、氣體傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)在被監(jiān)測(cè)設(shè)備全線范圍內(nèi)的移動(dòng)巡檢，能夠連續(xù)采集、傳輸、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)的圖像、溫度、煙霧等數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，判斷是否存在落煤、自燃、跑偏等輸煤膠帶設(shè)備異常以及故障位置，具有終點(diǎn)自動(dòng)換向、限位停止、定點(diǎn)校正等功能。

智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖2所示。智能監(jiān)控系統(tǒng)部署在筒倉(cāng)的2區(qū)和3區(qū)，分別供運(yùn)行人員和管理人員使用。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)單項(xiàng)隔離網(wǎng)閘由2區(qū)透?jìng)鞯?區(qū)。部署在3區(qū)的系統(tǒng)只有查看功能。本系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)防火墻與其他系統(tǒng)隔離，滿足電廠相關(guān)安全管理規(guī)范要求。

1.2 筒倉(cāng)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 筒倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

筒倉(cāng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)采用溫度傳感器(熱電阻)和測(cè)溫鋼纜。每個(gè)筒倉(cāng)配置一定數(shù)量的溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)煤體溫度和可能的自燃、易燃點(diǎn)。采用鉑電阻作為溫度的檢測(cè)元件，溫度探頭自帶不銹鋼耐磨材質(zhì)保護(hù)管(保護(hù)套管的強(qiáng)度、剛度和耐磨性能能夠保證溫度傳感器插入筒倉(cāng)后不被落煤砸壞或磨損)。溫度探頭伸入筒倉(cāng)內(nèi)的深度大于250mm，測(cè)溫范圍可達(dá)-5℃～+400℃，誤差范圍為±(0.3+0.005t)(t為實(shí)際測(cè)得溫度數(shù)值)。

圖1 儲(chǔ)煤筒倉(cāng)智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

通過(guò)對(duì)其他電廠調(diào)研發(fā)現(xiàn)筒倉(cāng)壁及底部溫度測(cè)點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后經(jīng)常被落煤砸壞，同時(shí)防護(hù)套管磨損變形，導(dǎo)致故障測(cè)溫元件無(wú)法抽出進(jìn)行更換，溫度測(cè)點(diǎn)被迫退出運(yùn)行，影響筒倉(cāng)使用安全等問(wèn)題。對(duì)此，本文提出：

1)將壁溫測(cè)點(diǎn)保護(hù)套進(jìn)行改造，尾部采用加長(zhǎng)處理，避免感溫探頭受到外力撞擊損壞，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)測(cè)溫元件的防護(hù)。筒倉(cāng)測(cè)溫感探頭保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 筒倉(cāng)測(cè)溫感探頭保護(hù)結(jié)構(gòu)圖(mm)

2)減少壁溫測(cè)點(diǎn)，結(jié)合其他廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)取消最上層外壁、中心筒溫度測(cè)點(diǎn)，筒倉(cāng)外壁溫度測(cè)點(diǎn)變更為2層，每層6個(gè)，外壁共12個(gè)測(cè)點(diǎn)；筒倉(cāng)中心柱溫度測(cè)點(diǎn)變更為2層，每層2個(gè)，外錐和內(nèi)錐測(cè)點(diǎn)保持不變，溫度測(cè)點(diǎn)總數(shù)由40個(gè)變更為26個(gè)。

3)增加感溫鋼纜數(shù)量，由原來(lái)的2套增加到4套，圍繞中心柱均勻布置，同時(shí)將感溫鋼纜的長(zhǎng)度由15m變更到25m，感溫鋼纜內(nèi)部拉緊鋼絲直徑適當(dāng)增大，滿足感溫鋼纜承重的需求。

1.2.2 氣體煙霧監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

氣體煙霧監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是對(duì)煤倉(cāng)中的可燃?xì)狻煔夂鸵谎趸嫉葏?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)該電廠的筒倉(cāng)尺寸、貯煤量以及儲(chǔ)煤時(shí)間，在每個(gè)筒倉(cāng)設(shè)置4套可燃?xì)怏w、煙氣、一氧化碳組合式監(jiān)測(cè)裝置。每套組合式檢測(cè)裝置包括可燃?xì)怏w探測(cè)器、煙霧探測(cè)器、一氧化碳?xì)怏w探測(cè)器各一臺(tái)。可燃?xì)怏w探頭的檢測(cè)范圍應(yīng)達(dá)到0%～100%LEL，采用混合氣體檢測(cè)方式，設(shè)初、高兩級(jí)報(bào)警限。煙霧探頭具有防爆結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB 4715—2005要求執(zhí)行，一氧化碳傳感器設(shè)初、高兩級(jí)報(bào)警限。

1.2.3 輸煤筒倉(cāng)安全監(jiān)控平臺(tái)

輸煤筒倉(cāng)安全監(jiān)控系統(tǒng)處理流程如圖4所示，包含對(duì)可燃?xì)怏w、氧氣、灰塵等濃度的監(jiān)測(cè)，還包含對(duì)倉(cāng)內(nèi)溫度、料位高度、每日來(lái)出煤的監(jiān)控。傳感器將獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)酵矀}(cāng)監(jiān)測(cè)模塊，由其根據(jù)歷史數(shù)據(jù)模型對(duì)筒倉(cāng)的異常狀態(tài)進(jìn)行判別，然后輸出異常報(bào)警或正常工作的狀態(tài)信息。

圖4 輸煤筒倉(cāng)安全監(jiān)控系統(tǒng)處理流程

1.3 輸煤控制系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

輸煤控制系統(tǒng)包括對(duì)碎煤機(jī)、給煤機(jī)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備的控制，為了能夠更全面的監(jiān)測(cè)輸煤設(shè)備，除了在現(xiàn)場(chǎng)布置監(jiān)測(cè)探頭和傳感器之外，新增一套在線運(yùn)行的智能巡檢機(jī)器人，巡檢機(jī)器人設(shè)置如圖5所示。

圖5 巡檢機(jī)器人設(shè)置圖及照片(mm)

在密閉式煤倉(cāng)的輸煤膠帶XC2和XC3中間位置建設(shè)一套軌道式巡檢機(jī)器人，XC2輸煤膠帶長(zhǎng)度約270m，仰角14.8°，XC3輸煤膠帶長(zhǎng)度約160m。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置2臺(tái)充電樁，巡檢任務(wù)結(jié)束后巡檢機(jī)器人自動(dòng)返回充電。巡檢機(jī)器人完成的任務(wù)包括：設(shè)備外觀狀態(tài)及缺陷檢測(cè)(落煤、膠帶跑偏等故障)、設(shè)備運(yùn)行噪音檢測(cè)及故障報(bào)警功能、設(shè)備紅外熱成像分析檢測(cè)(超溫預(yù)警)、管道漏水監(jiān)視、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度檢測(cè)、有害氣體濃度檢測(cè)報(bào)警，同時(shí)具備智能分析功能。

2 監(jiān)控子系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 輸煤膠帶異常判別方法

巡檢機(jī)器人搭載有高清攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)，采集的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)圖像處理模型，后臺(tái)通過(guò)調(diào)用膠帶異常判別模型進(jìn)行自動(dòng)異常判別。異常情況包括膠帶落煤、跑偏、自燃和撕裂。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行建模，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，這種網(wǎng)絡(luò)完成式(1)的非線性映射[17]。

式中，X∈Rn是輸入矢量，ψ(?)是一個(gè)R+→R的函數(shù)，‖?‖是歐氏范數(shù)，Wi是權(quán)值，ci是RBF網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心；nr是中心數(shù)目。ψ(?)取徑向基函數(shù)主要基于如下原理。

圖6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如果前向?qū)W習(xí)集合為S=﹛(Xi，ti)∈Rn×R|i=1…N﹜，ψ(?，W)是未知函數(shù)，W是待學(xué)習(xí)的權(quán)值，那么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程就是尋找ψ(?，W)及W使式(2)中的能量函數(shù)取最小值：

式中，‖?‖是函數(shù)空間上的L2范數(shù)，約束算子P(?)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)選擇以保證函數(shù)ψ的平滑。λ表示約束的嚴(yán)格程度。從正則方法出發(fā)采用變分原理可以證明ψ(?)應(yīng)該取徑向基函數(shù)。

膠帶異常識(shí)別模型采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練建模，包含數(shù)據(jù)輸入層、卷積計(jì)算層、池化層、全連接層等多種網(wǎng)絡(luò)層。對(duì)于模型訓(xùn)練，由于缺乏異常狀況數(shù)據(jù)，本文采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方式生成模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練。膠帶異常自動(dòng)識(shí)別模型的訓(xùn)練及實(shí)時(shí)分析的處理流程如圖7所示。

圖7 膠帶異常自動(dòng)識(shí)別模型訓(xùn)練及實(shí)時(shí)分析處理流程

2.2 帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)、碎煤機(jī)監(jiān)測(cè)狀態(tài)實(shí)時(shí)判別方法

為了能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判別帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)、碎煤機(jī)等設(shè)備的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行建模。電機(jī)仿真模型的建立、訓(xùn)練及在線監(jiān)測(cè)的處理流程如圖8所示。依托大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到電機(jī)狀態(tài)模型，并利用其他不同的歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗(yàn)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)輸入電機(jī)模型得到其狀態(tài)，進(jìn)而判斷電機(jī)狀態(tài)是否正常。

圖8 基于人工智能的在線監(jiān)測(cè)的處理流程

2.3 帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)、碎煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程

帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)、碎煤機(jī)等設(shè)備的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與輸煤膠帶的監(jiān)測(cè)處理流程如圖9所示，其包括對(duì)電機(jī)本體、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、可燃?xì)怏w濃度、環(huán)境溫度等的監(jiān)測(cè)，通過(guò)傳感器將獲取的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)傳輸給電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)模型判別電機(jī)運(yùn)行傳統(tǒng)是否異常，然后發(fā)出報(bào)警或者正常工作的信號(hào)。

圖9 電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程

2.4 設(shè)備單一指標(biāo)維度異常判別方法

設(shè)備仿真模型能夠反應(yīng)多個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)之間的協(xié)同變化特性，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致輸入輸出參數(shù)之間會(huì)出現(xiàn)偏離。對(duì)于有些故障，設(shè)備損壞程度直接反映到特定的單一參數(shù)上，如：電動(dòng)機(jī)軸承損壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軸承振動(dòng)增大、軸承溫度升高。因此，本文提出單值監(jiān)測(cè)的方法來(lái)判斷設(shè)備運(yùn)行是否出現(xiàn)異常。單值監(jiān)測(cè)處理流程如圖10所示。

圖10 單值監(jiān)測(cè)的處理流程

采集設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，通過(guò)算法提取出正常狀態(tài)下的單值分布特征以及連續(xù)時(shí)間走勢(shì)特征，以此建立監(jiān)測(cè)模型。通常情況下，受各種擾動(dòng)影響，設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)觀測(cè)值與正常特征值的偏差會(huì)符合隨機(jī)分布特性，當(dāng)設(shè)備故障程度加大，偏差會(huì)偏離原來(lái)的分布特性，據(jù)此可以判斷出設(shè)備是否異常。

2.5 殘差分析設(shè)備異常判別方法

采集設(shè)備正常狀態(tài)的參數(shù)，以此對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行訓(xùn)練，這樣的模型是對(duì)設(shè)備正常狀態(tài)的記憶。利用反映設(shè)備正常狀態(tài)的仿真模型，通過(guò)分析殘差，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備異常的自動(dòng)識(shí)別和報(bào)警。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，會(huì)引起狀態(tài)參數(shù)的偏離。仿真模型的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值與實(shí)時(shí)觀測(cè)值生成的殘差能夠反映出設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)與正常狀態(tài)的偏離，殘差值越大，說(shuō)明設(shè)備偏離正常狀態(tài)越遠(yuǎn)。并在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)定閾值，當(dāng)殘差超過(guò)閾值時(shí)，進(jìn)行異常報(bào)警。將各種故障發(fā)生時(shí)的特征進(jìn)行整理，以此訓(xùn)練故障分類模型，當(dāng)檢測(cè)到異常狀態(tài)時(shí)，提取當(dāng)前狀態(tài)的異常特征，調(diào)用故障分類器對(duì)故障原因進(jìn)行判別。殘差分析設(shè)備異常判別方法如圖11所示。

圖11 殘差分析設(shè)備異常判別方法

3 改造成效

對(duì)于給煤機(jī)，改造前沒(méi)有相關(guān)的監(jiān)測(cè)報(bào)警參數(shù)，改造后新增了對(duì)內(nèi)外環(huán)犁煤車頻率和電流的監(jiān)測(cè)，還增加了對(duì)內(nèi)外環(huán)卸煤車電流的監(jiān)測(cè)，異常判別方式包括：閾值報(bào)警、時(shí)間序列和仿真模型預(yù)測(cè)報(bào)警。報(bào)警閾值根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，能夠反映實(shí)際的出煤操作、煤質(zhì)、環(huán)形給煤機(jī)設(shè)備等特性，通常會(huì)低于原有的報(bào)警閾值。

對(duì)于碎煤機(jī)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括軸承溫度和振動(dòng)信號(hào)、液偶溫度信號(hào)、電機(jī)本體繞組溫度和振動(dòng)信號(hào)，改造前僅有超溫閾值報(bào)警，且閾值為設(shè)備廠家或行業(yè)的建議值，在安裝調(diào)試后設(shè)置，通常不會(huì)再變。改造后增加了時(shí)間序列和趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)警，閾值根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，能夠反映實(shí)際的煤質(zhì)、碎煤機(jī)設(shè)備等特性，通常會(huì)低于原有的報(bào)警閾值。

對(duì)于輸煤膠帶，改造之前的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括速度、電機(jī)本體振動(dòng)、電機(jī)永磁耦合器負(fù)載轉(zhuǎn)速和導(dǎo)體溫度、電機(jī)電流、煤流等，報(bào)警功能僅有常規(guī)的對(duì)膠帶打滑、跑偏、自燃等的報(bào)警裝置。改造之后新增了機(jī)器人完成的膠帶外觀視頻、環(huán)境溫度、可燃?xì)怏w濃度、環(huán)境濕度等指標(biāo)，異常判別方式新增了圖像識(shí)別和趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)警。報(bào)警閾值根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，能夠反映實(shí)際的煤質(zhì)、膠帶設(shè)備等特性，通常會(huì)低于原有的報(bào)警閾值。針對(duì)振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了提前報(bào)警，降低了事故風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測(cè)范圍包括設(shè)備參數(shù)、環(huán)境參數(shù)及俯視圖像信息。

1)環(huán)形給煤機(jī)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及改造成效見(jiàn)表1。

表1 環(huán)形給煤機(jī)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及改造對(duì)比

2)碎煤機(jī)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及改造成效預(yù)測(cè)見(jiàn)表2。

3)輸煤膠帶監(jiān)測(cè)內(nèi)容及改造成效預(yù)測(cè)見(jiàn)表3。

改造后可以監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)的犁煤車電流和頻率狀態(tài)情況，某時(shí)間段內(nèi)的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖12所示。廠商建議的犁煤機(jī)電流報(bào)警閾值為66A，頻率報(bào)警閾值為50Hz，根據(jù)給煤機(jī)實(shí)際數(shù)據(jù)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的狀況，梨煤車電流和頻率的報(bào)警閾值修正為電流為26.5A，頻率47.5Hz。

改造后監(jiān)測(cè)到筒倉(cāng)壁不同高度的溫度如圖13所示(僅展示部分測(cè)點(diǎn)位置)，筒倉(cāng)內(nèi)溫度的變化，受煤質(zhì)、存放時(shí)間、外界溫度以及每層厚度等多種因素影響。為了能夠早期發(fā)現(xiàn)溫度異常，對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)溫度按照煤層高度，劃分為4個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行閾值設(shè)定。這樣的方式，增大了溫度異常發(fā)現(xiàn)的幾率。根據(jù)輸煤管理規(guī)程，筒倉(cāng)溫度的報(bào)警閾值設(shè)置為：第一、二區(qū)域設(shè)置為70℃，第三、四區(qū)域設(shè)為100℃。

表2 碎煤機(jī)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及改造成效對(duì)比

表3 輸煤膠帶監(jiān)測(cè)內(nèi)容及改造成效對(duì)比

圖12 犁煤車電流和頻率監(jiān)測(cè)曲線

圖13 筒倉(cāng)壁溫度時(shí)間走勢(shì)圖

4 結(jié) 論

針對(duì)三河電廠大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)輸煤過(guò)程安全保護(hù)、污染控制與智能化控制程度不高，可靠性和運(yùn)維水平受限等問(wèn)題，對(duì)其監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了智能化改造：①提出了大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)輸煤智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，利用智能巡檢、在線圖像識(shí)別和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，完成了輸煤系統(tǒng)智能優(yōu)化控制、智能決策設(shè)計(jì)；②提出了智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，能夠在線實(shí)時(shí)的將被監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)傳輸?shù)街信_(tái)系統(tǒng)；③提出了筒倉(cāng)溫度及煙霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的優(yōu)化布點(diǎn)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)筒倉(cāng)溫度及煙霧狀態(tài)的分層、分區(qū)監(jiān)測(cè)。

本次監(jiān)控系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)了輸煤設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、劣化趨勢(shì)分析以及設(shè)備故障自動(dòng)識(shí)別診斷，大幅減少了由于設(shè)備故障造成的危害和損失。智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠提前預(yù)測(cè)設(shè)備健康狀況的變化趨勢(shì)，進(jìn)行檢修預(yù)警，幫助合理安排檢修計(jì)劃，進(jìn)一步促進(jìn)了電廠的降本增效。