淺議智能數字化煤場管理系統在火電廠燃料管理中的應用

山西大唐國際云岡熱電有限責任公司 楊利濤

在火電廠運行成本中，燃料成本占據70%以上，所以需要通過科學管理實現煤炭資源的高效利用，有效降低發電成本和落實清潔生產要求。但燃煤的散貨特性，決定了進入煤場煤種的復雜性，單靠人力管理煤場，經歷接卸、堆放等環節后煤種的煤質無法得到有效保障，將給后續實現配煤摻燒帶來困難，難以保證鍋爐運行經濟性和安全性。

1 項目概況

某火電廠總裝機容量930MW，包含兩臺165 MW 機組和兩臺300MW 機組，年耗煤量達300萬t，年發電量約43億kWh。火電廠建設有煤場專門負責燃料管理，可以通過計算機網絡實現燃煤資料統計管理。但目前煤場設備相對分散，具有布置點多、面廣等特點，采煤、取煤等環節尚未對接，難以實現數據共享，因此設立煤場智能改造項目，希望實現火電廠燃料數字化管理。

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，容易出現數據反饋不及時、不準確等問題，導致煤場制定的配煤計劃不準，燃煤采購量和實際需求不匹配，給燃料管理帶來負面影響。

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

2 智能數字化煤場管理系統應用分析

2.1 應用方案

為確保煤場安全、高效和可靠運行，某火電廠決定引進智能數字化煤場管理系統實現斗輪機自動堆取控制，編制涵蓋煤場各流程的信息化方案，改變煤場管理現狀，在徹底解放人力的同時，為火電廠燃料管理提供精準、可靠的數據信息。

建立可視管控平臺。應用數字化煤場管理系統，建立3D 可視化料場管控平臺，通過工業以太網、現場總線通信等技術自動采集儲煤場設備數據，實時掌握料場信息[1]。借助平臺綜合運用激光測距、三維建模、視頻監控等技術，打造智慧料場。借助各種智能硬件實現斗輪機定位，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用開發，為燃料采購、配煤需求決策等各種生產經營管理策略的制定提供依據。在統一開放平臺將空間數據、實時數據等進行融合共享，通過智能一體化操控平臺實現料場可視化管理，如設備監測、單機選擇、料垛掃描、自動作業等。

做到無人精準堆取。建立堆取料無人值守系統，通過激光掃描、數據建模等技術生成料場三維圖形，控制斗輪機實現自動精準堆取料。系統由中央控制站、動態測控系統等構成，能夠實現煤場網格化管理，完成不同煤種分類、分堆、分層堆放。使用高精度定位傳感器，斗輪機通過動態建模提取物料輪廓特征點，精準確定取料作業區。在斗輪機實現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，將結果反饋至控制系統[2]。經過系統分析生成新的煤量、堆放位置、堆形軌跡等數據，分析數據并發送精準控制指令使斗輪機可靠作業，減少輸料單耗，提升料場庫存利用率，為企業帶來更多的經濟效益。

實現無人值守目標。對斗輪機進行完全自動化改造，推動煤場管理系統數字化建設，可以實現無人值守目標。為斗輪機增加各種防撞、過載保護等安全防護傳感器，并使用視頻監控、傳感器探測等手段監管設備，系統分析設備狀態數據，提前預測設備可能發生的故障，指導人員開展預防性檢修、維護等工作，消除影響設備安全運行的各種因素。通過使斗輪機長時間可靠運轉，采用恒流量取料方式連續作業，解決人工取料帶來的燃料流量不平穩問題，增強配煤摻燒準確性[3]。在無人值守的條件下，煤場管理系統可根據來煤情況、各分區煤質現狀等自動生成卸煤方案，減少人員換崗等非必要停機環節，全方位提高煤場生產效率。

2.2 開發可視堆放系統

2.2.1 項目要求

實際開發煤場的可視堆放系統，可知建立可視化平臺展示料場三維模型時，要求成像長、寬、高和實際測量誤差不超15cm，斗輪機行程誤差同樣不超15cm，旋轉和俯仰精度小于0.1°，可動態、真實反映煤場存煤和斗輪機工作狀況。在斗輪機存取料時，系統按照1Hz 頻率動態更新3D 模型，確保人員可在3D 圖形中的任一點查詢位置及遠程坐標，通過旋轉、平移模型等操作在斗輪方向從多視角觀察機械設備運行狀態，并能三維動態回放1年內斗輪機作業情況。利用系統軟件選擇作業區，系統將自動計算目標區域堆取料作業點位和斗輪機切入點，向設備下發包含俯仰位置等信息的作業任務。應用系統建立監控中心，要求實現信息集成化、過程可視化管理，通過平臺查詢堆取作業類型、區域等信息，提高料場管理自動化水平，保證作業安全性和高效性。

2.2.2 動態展示

明確項目要求后，開發具備煤場分區設置、煤種存煤設置等功能的可視堆放系統，將煤場細分為多個區域，分別設置堆料原則。系統可以實現煤場總體信息三維動態展示，確保管理人員根據圖形變化掌握煤場各分區存煤情況，并通過點擊圖形查看數據量變化。對三維模型進行平移、旋轉、縮放等操作，查看斷面圖形和數據，獲取各煤層分布狀況。將二維圖形和三維模型結合，實時獲取存煤信息，與斗輪機PLC 系統接口對接，確定斗輪機位置、堆料臂回轉角度、取料臂俯仰角度等數據，與煤場統一坐標系匹配，生成斗輪機三維模型，動態反饋設備狀態。

2.2.3 分區展示

煤場將分區存儲煤炭燃料，應用可視堆放系統分區展示，將按照煤場長度設置分區，在現場三維圖形完成區域劃分，提供分區三維信息。在斗輪機堆取料臂兩側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、回轉編碼器等盤點煤場，實現無盲區掃描，可通過一次三維建模全面、直觀展示煤場圖形，分區顯示各區域燃料信息，包含煤種庫存、煤區溫度等，方便人員實時掌握煤場現場作業情況。

2.3 升級無人值守系統

2.3.1 項目要求

升級無人值守系統實現斗輪機自動化改造，根據可視堆放系統提供數據操控斗輪機自動堆取料，要求系統具備自動尋址、堆料、取料等功能。在自動尋址期間，系統結合作業模式和遠程操作站輸入煤堆編號等信息，將啟動相關設備，自動計算作業點位置，選擇斗輪機行走和懸臂回轉等定點，控制斗輪機完成自動堆取料。在斗輪機作業期間，結合取煤量和實時監測堆料高等信息，將自動調節回轉、步進等參數，做到恒流取料。在無人值守系統接入料場系統后，建立遠程智能管控平臺，展示煤場信息的同時，通過系統配置就地PLC 全自動控制系統、遠程集控系統、控制室監控平臺，加強斗輪機作業控制，確保達到表1所示的技術指標要求，使斗輪機作業效率至少提高25%。

表1 無人值守平臺技術指標

2.3.2 控制系統

根據斗輪機改造要求，面向每臺設備在低壓電器房內安裝由核心PLC 控制器、交換機、信號處理機等構成的全自動控制系統，通過工業總線等通信協議與現場監測、掃描等裝置傳遞信號，處理各類數據后生成控制指令，控制斗輪機作業順序，實現恒流量取料。系統采用激光三維掃描、格雷母線定位等多種信息技術，將控制系統劃分為多個功能模塊，各模塊間通過數據相互融合和交互實現斗輪機全自動控制。PLC 作為系統控制中心，根據智慧煤場管控系統傳遞的堆取料任務范圍等信息生成邏輯控制指令，并通過實時動態獲取煤場表面三維坐標信息制定控制策略，操控斗輪機自動堆取料。

第一，在斗輪機自動尋址功能實現階段，利用雙編碼器定位和RFID 定位校準裝置，精準獲取斗輪機相對煤場行走位置、堆取料臂旋轉和俯仰角度等。為每臺斗輪機配備格雷母線定位裝置，采用縱向編碼器檢測定位，斗輪機定位精度小于0.05m。在斗輪機正常作業期間，需完成許多回轉、擺動等動作，容易與周圍煤堆或設備發生碰撞。在斗輪機大臂兩側安裝超聲波傳感器，并在打車前后安裝防撞超聲波測距機，能夠在設備處于全自動無人值守狀態后提供安全防護，檢測發現斗輪機周圍發現障礙物后將發出聲光報警信號，提醒監管人員及時處理，直至障礙物排除再恢復正常運行狀態，有效提升了斗輪機作業的安全性。

第二，在自動取料期間，可使用大臂頭部激光掃描儀動態掃描獲取煤場三維輪廓數據，精準測量料堆輪廓，并通過以太網遠程傳輸至系統服務器，支持系統三維建模。使用懸臂皮帶靠近斗輪一側的料量檢測裝置，實時掃描皮帶上瞬時料流量，與設定目標流量值比較，能自動調節斗輪機作業參數，確保實際取料流量和目標值偏差不超5%。

第三，在自動堆料過程中，通過對接智慧煤場管控系統，獲取堆煤種類、數量、存放位置等信息，發送至斗輪機PLC 控制器，斗輪機將按照指令要求運行至指定位置，調整俯仰角度等參數到達堆料點。在堆料作業期間，斗輪機將實時測量堆料高度，達到預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，用于監測堆料高度。

2.3.3 監控系統

新建智能煤場監控系統，布置遠程集控網絡交換機和服務計算機、網絡隔離裝置等，通過光纖與全自動控制系統通信，消除數據采集受到的臨時斷網、人為誤操作等因素影響。將采集到的掃描、定位、高清視頻等數據集中處理，獲取完整監控數據。依托系統建立遠程監控平臺，應用無人值守控制系統、智能煤場管控系統等實現煤場信息集中監管，通過智慧監控大屏、現場操作員站和后臺服務器處理各種數據，系統可結合作業單、斗輪位置等提示作業點位，顯示斗輪機堆取料過程狀態。

在斗輪機出現過載、脫離指定區域等異常情況時，系統將自動報警，記錄相關作業信息。系統有全自動、遠程半自動和就地手動三種模式，可結合實際需求自動切換，提高作業效率的同時，保證煤場運行安全性。在全自動模式下，人員確認作業任務單后，關聯設備將自動調車，到達指定位置后自動完成取料、堆料等作業。在半自動模式下，人員遠程控制設備到達指定位置，調整確認各設備就位，然后輸入動作角度等參數控制斗輪機自動作業。遇到設備故障等特殊情況，切換至就地控制模式，人員可在斗輪機室手動控制斗輪機作業。

2.4 無人值守控制室

建設無人值守控制室，配備系統自動化控制服務器、工業控制計算機、1000MB 網絡交換機等設備，安裝數據庫軟件和數據交換管理軟件，存儲煤場地形數據、物料信息參數、作業數據等，實現數據和作業指令交換管理。控制室布置2組工位，每個工位包含2個鄰接操作臺，配置工業控制計算機、顯示屏、視頻監控大屏用于監管煤場、斗輪機狀態。通過上位機實時獲取煤場三維圖形和堆取料任務，顯示斗輪機空間位置和姿態，可遠程調整斗輪機旋轉、俯仰角度等，控制設備啟閉，建立“下達-執行-監督反饋-記錄”的完整管控程序，實現堆取料全過程監管。