基于LoRa技術(shù)的低功耗分布式煤堆測(cè)溫系統(tǒng)研究

王勇，江學(xué)文，賀琪

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司燃料部，浙江溫州，325602；2.杭州集益科技有限公司，浙江杭州，311200）

0 引言

燃煤電廠的燃料成本占據(jù)發(fā)電成本的 70%～80%，分別受電煤采購(gòu)入廠環(huán)節(jié)、電煤庫存管理環(huán)節(jié)及電煤入爐摻燒環(huán)節(jié)影響[1]。配煤摻燒技術(shù)已成為提高火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性的重要手段[2,3]。煤低溫氧化嚴(yán)重威脅著煤堆特別是褐煤等經(jīng)濟(jì)煤種的儲(chǔ)運(yùn)安全，同時(shí)給電廠帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)煤堆溫度實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便在煤自燃發(fā)生的初始階段發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而采取措施加以解決，是預(yù)防煤堆自燃的重要手段。從原理上分，測(cè)溫方法有熱電阻法、熱電偶法、光纖測(cè)溫法、指標(biāo)氣體探測(cè)法、紅外線探測(cè)法等；從裝置形式上分，有測(cè)溫槍（分有線和無線二種）、光纖、束管監(jiān)測(cè)裝置、紅外測(cè)溫儀等[4]。束管監(jiān)測(cè)裝置、紅外測(cè)溫儀屬于間接測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確性較差；測(cè)溫槍、光纖需要人工預(yù)埋，測(cè)溫工作量較大，且測(cè)溫球需要在取煤前取出。

在斗輪機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制系統(tǒng)[5]后，改變傳統(tǒng)測(cè)溫裝置形態(tài)和預(yù)埋方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)埋和遠(yuǎn)程無線自動(dòng)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為了可能。本文以LoRa技術(shù)為基礎(chǔ)，利用斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套低功耗分布式煤堆測(cè)溫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概況

某燃煤電廠，總裝機(jī)容量252萬千瓦，燃料煤場(chǎng)有2座，分別為#2、#3煤場(chǎng)。其中，#3煤場(chǎng)為平面矩形布置，長(zhǎng)度約403m，寬約98.6m，設(shè)計(jì)儲(chǔ)量13萬噸。#3煤場(chǎng)內(nèi)設(shè)有一臺(tái)#3斗輪機(jī)，斗輪機(jī)型號(hào)為DL2000t/1000t.35。目 前#3煤場(chǎng)已完成氣膜全封閉改造，#3斗輪機(jī)已完成斗輪機(jī)集中全自動(dòng)控制系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行。由于電廠大量采購(gòu)經(jīng)濟(jì)煤種褐煤，煤堆經(jīng)常發(fā)生自燃現(xiàn)象，因此電廠進(jìn)行了煤堆測(cè)溫自動(dòng)化研究，開發(fā)了煤堆測(cè)溫系統(tǒng)。

煤堆測(cè)溫系統(tǒng)由堆損智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)、斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)、測(cè)溫球拋投裝置、測(cè)溫球、無線網(wǎng)關(guān)、測(cè)溫球皮帶定位檢測(cè)裝置組成，如圖1所示。測(cè)溫球和無線網(wǎng)關(guān)之間采用LoRa（Long Range，長(zhǎng)距離）技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)和無線通訊。

基于LoRa技術(shù)，設(shè)計(jì)分布式測(cè)溫裝置（簡(jiǎn)稱測(cè)溫球）。利用斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)，增加拋投程序，在自動(dòng)堆煤時(shí)，斗輪機(jī)將測(cè)溫球拋投至煤堆內(nèi)部；測(cè)溫球定期向服務(wù)器上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；在斗輪機(jī)取煤時(shí)，斗輪機(jī)將測(cè)溫球取出，并隨煤流進(jìn)入輸煤系統(tǒng)，在滾軸篩和碎煤機(jī)處被篩出或破碎，實(shí)現(xiàn)了煤堆測(cè)溫全過程自動(dòng)化。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2 斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用精確定位、三維測(cè)控、自動(dòng)控制、圖像監(jiān)控等多項(xiàng)專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)智能無人控制，實(shí)現(xiàn)了斗輪機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程集中控制、就地?zé)o人值守[6]。系統(tǒng)主要由以下部分組成：

(1)精確定位系統(tǒng)：通過北斗、高精度編碼器和校準(zhǔn)等實(shí)時(shí)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)大車及斗輪位置的三維空間定位（定位精度達(dá)到厘米級(jí)）。

(2)精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)：通過煤位、流量、煤垛檢測(cè)，建立實(shí)時(shí)的煤垛三維模型，作為智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)智能控制系統(tǒng)：通過智能控制技術(shù)，對(duì)煤位、煤垛、流量、空間位置等信息進(jìn)行智能分析和計(jì)算，完成全自動(dòng)定位、全自動(dòng)堆取料、手動(dòng)/自動(dòng)雙向無擾動(dòng)切換、取料過程流量恒定等控制功能，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)一鍵式啟停控制，全過程無需人員干預(yù)。

(4)安全防護(hù)系統(tǒng)：通過行人和障礙物防撞檢測(cè)、皮帶煤流高溫檢測(cè)、智能圖像識(shí)別、高清視頻監(jiān)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)極限、防撞、跨場(chǎng)、泄壓、過載、拖鏈、煤溫、皮帶、人員等運(yùn)行安全檢測(cè)和保護(hù)。關(guān)鍵裝置采用冗余配置，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

(5)高清圖像系統(tǒng)：采用工業(yè)級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，全方位監(jiān)視斗輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及煤場(chǎng)環(huán)境。

(6)集中監(jiān)控平臺(tái)：設(shè)立集中監(jiān)控上位機(jī)，對(duì)多臺(tái)斗輪機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中式智能無人控制，實(shí)現(xiàn)單人同時(shí)操作多臺(tái)斗輪機(jī)功能。

2.2 測(cè)溫球拋投裝置

測(cè)溫球拋投裝置，由拋投筒和4個(gè)分層布置的電機(jī)組成，如圖3所示。拋投筒內(nèi)置若干個(gè)測(cè)溫球，安裝在懸臂皮帶上方，通過斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制，測(cè)溫球按照指令逐個(gè)放落到懸臂皮帶，測(cè)溫球隨煤流拋投到煤堆。

2.3 拋投控制模塊

煤堆升溫明顯的點(diǎn)位在煤堆深度1.0～2.0m范圍[7～9]，測(cè)溫球拋投在煤堆1.5m深處。

在斗輪機(jī)智能控制系統(tǒng)程序中，斗輪機(jī)采用回轉(zhuǎn)堆煤模式，增加自動(dòng)拋投程序。通過計(jì)算拋投落地時(shí)的大車、懸臂回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，在到達(dá)預(yù)定的斗輪機(jī)位置時(shí)，拋投程序控制測(cè)溫球拋投裝置進(jìn)行拋投，測(cè)溫球落到懸臂皮帶上隨煤流一起拋落在煤堆上，后續(xù)煤流把測(cè)溫球覆蓋，形成完整的煤堆。同時(shí)拋投裝置提前啟動(dòng)，使得大車、懸臂在拋投位置時(shí)，測(cè)溫球隨煤流剛好到達(dá)懸臂頭部，測(cè)溫球拋投到預(yù)定的煤堆深處。

如圖4所示，斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)操作界面中，增加了煤場(chǎng)測(cè)溫操作界面，同時(shí)在煤場(chǎng)沿軌道展示測(cè)溫球和溫度，當(dāng)溫度越限時(shí)，顯示黃色和紅色，提醒運(yùn)行人員盡快和立即取煤。

3 無線網(wǎng)關(guān)和測(cè)溫球

LoRa無線組網(wǎng)如圖5所示。在煤場(chǎng)四周擋煤墻設(shè)置若干無線網(wǎng)關(guān)，測(cè)溫球則被布置于煤堆側(cè)面預(yù)定深度的煤堆內(nèi)。無線網(wǎng)關(guān)和測(cè)溫球之間采用LoRa技術(shù)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫球狀態(tài)管理和數(shù)據(jù)通信。

3.1 無線網(wǎng)關(guān)

每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)工作在不同的信道，無線網(wǎng)關(guān)主要功能包括：（1）接收測(cè)溫球注冊(cè)請(qǐng)求信息；（2）管理測(cè)溫球數(shù)據(jù)；（3）連接服務(wù)器；（4）上報(bào)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)測(cè)溫球ID和測(cè)溫球數(shù)據(jù)；（5）下發(fā)服務(wù)器配置參數(shù)到測(cè)溫球。

3.2 測(cè)溫球

測(cè)溫球?yàn)槎噙呅沃w狀，外殼材質(zhì)為特種工業(yè)塑料，滿足需求：(1)無線傳輸包括LoRa無線和RFID無線要求，(2)在煤堆內(nèi)抗壓和耐高溫性能，(3)取出到輸煤皮帶后可被碎煤機(jī)破碎。

測(cè)溫球主要功能為采集溫度、電廠電量數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)上報(bào)給無線網(wǎng)關(guān)。測(cè)溫球同時(shí)支持NFC卡激活和休眠，在測(cè)溫球被激活后，自動(dòng)進(jìn)入注冊(cè)模式，注冊(cè)成功后，進(jìn)入待機(jī)模式。使用休眠卡，測(cè)溫球?qū)⑦M(jìn)入休眠模式，并退出當(dāng)前注冊(cè)的網(wǎng)絡(luò)。

測(cè)溫球結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3 測(cè)溫球狀態(tài)控制

測(cè)溫球四種狀態(tài)模式：注冊(cè)模式、休眠模式、工作模式和待機(jī)模式。

測(cè)溫球在激活狀態(tài)下，自動(dòng)搜索當(dāng)前可用無線網(wǎng)關(guān)，根據(jù)當(dāng)前搜索到的無線網(wǎng)關(guān)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行入網(wǎng)注冊(cè)，入網(wǎng)注冊(cè)成功后進(jìn)入待機(jī)模式，在待機(jī)模式下等待無線網(wǎng)關(guān)下發(fā)時(shí)間配置數(shù)據(jù)。測(cè)溫球按照時(shí)間配置數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)、休眠、喚醒周期性工作。

網(wǎng)關(guān)收到測(cè)溫球喚醒后的上報(bào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，同時(shí)如果服務(wù)器有下發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)將下發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的測(cè)溫球。每個(gè)測(cè)溫球上傳數(shù)據(jù)都具備ACK機(jī)制，并且數(shù)據(jù)上傳后都具備時(shí)間窗口，用以接收服務(wù)器命令。

在休眠、喚醒工作模式下，測(cè)溫球電池使用壽命以年為單位計(jì)[10]，大大延長(zhǎng)。

4 測(cè)溫球皮帶定位檢測(cè)裝置

設(shè)計(jì)一種基于RFID的測(cè)溫球回收前定位檢測(cè)系統(tǒng)，包括RFID天線、RFID讀寫器和天線屏蔽罩。RFID天線安裝于的斗輪機(jī)懸臂上方。當(dāng)測(cè)溫球拋投裝置將測(cè)溫球放落到懸臂皮帶上或測(cè)溫球從煤堆取出落到懸臂皮帶上，測(cè)溫球隨煤流經(jīng)過RFID天線時(shí)，RFID讀寫器實(shí)時(shí)讀取內(nèi)置于測(cè)溫球內(nèi)部的RFID標(biāo)簽，并發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器通過RFID標(biāo)簽與測(cè)溫球ID的對(duì)應(yīng)表找到測(cè)溫球ID，以確定測(cè)溫球ID和拋投落點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。后續(xù)測(cè)溫球上報(bào)煤溫?cái)?shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)伴有測(cè)溫球ID數(shù)據(jù)，服務(wù)器軟件則可在測(cè)溫球?qū)?yīng)的煤堆空間位置標(biāo)識(shí)相應(yīng)煤溫?cái)?shù)據(jù)。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得天線屏蔽罩的傾斜角度，以及測(cè)溫球檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫球在懸臂皮帶上的定位，可為未來測(cè)溫球在懸臂皮帶上實(shí)施回收提供基礎(chǔ)。

5 堆損智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)

堆損智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤堆測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的接收和管理，并在煤堆三維模型上展示溫度數(shù)據(jù)。

（1）測(cè)溫球管理

利用斗輪機(jī)拋投前和拋投時(shí)的大車位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度，計(jì)算出測(cè)溫球拋投落地時(shí)的煤場(chǎng)坐標(biāo)系三維坐標(biāo)。

根據(jù)收集到的測(cè)溫球地址碼以及相關(guān)位置、狀態(tài)信息，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)溫球?qū)嵤顟B(tài)管理，包括拋投、測(cè)溫、空閑等狀態(tài)。

（2）煤堆三維模型溫度展示和報(bào)警

平臺(tái)接收斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的煤場(chǎng)三維模型，利用測(cè)溫球的三維坐標(biāo)，將測(cè)溫球上報(bào)的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)標(biāo)識(shí)在煤堆上，采用國(guó)際通行的色標(biāo)法進(jìn)行溫度著色，及時(shí)提醒運(yùn)行人員煤溫變化。

煤堆三維模型根據(jù)實(shí)際要求，沿軌道每隔50m對(duì)煤堆分段進(jìn)行染色，煤堆顏色按該段內(nèi)測(cè)溫球的最高溫度進(jìn)行渲染，即時(shí)識(shí)別煤堆內(nèi)部熱源。

根據(jù)預(yù)置的煤溫值，對(duì)煤堆溫度進(jìn)行二級(jí)提示和報(bào)警。黃色報(bào)警表示煤溫進(jìn)入快速升溫期，提醒運(yùn)行人員需盡快上倉(cāng)；紅色報(bào)警表示煤堆已經(jīng)進(jìn)入高溫即將自燃，需立即采取降溫措施或上倉(cāng)。

（3）煤堆溫度變化趨勢(shì)和預(yù)測(cè)

利用煤堆歷史測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，建立煤堆溫度變化曲線，及時(shí)預(yù)警煤堆高溫時(shí)間。

（4）煤堆堆損預(yù)測(cè)模型

利用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括煤溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、入廠入爐煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析煤種、煤溫與堆損之間的相關(guān)性，建立數(shù)學(xué)回歸模型，即堆損測(cè)算模型。

堆損測(cè)算模型用于未來測(cè)算煤堆溫度監(jiān)測(cè)下的堆損，具有自學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)，在不斷增加的歷史煤溫和堆損數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化堆損測(cè)算模型的參數(shù)，提高堆損測(cè)算精確性。

堆損智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)主界面如圖7。在斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的煤場(chǎng)三維模型基礎(chǔ)上，測(cè)溫點(diǎn)上標(biāo)識(shí)最新獲得的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，煤堆按照最高溫度的色標(biāo)進(jìn)行染色。測(cè)溫點(diǎn)位置、測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)用表格形式、煤溫趨勢(shì)和熱損預(yù)測(cè)用曲線展示，同時(shí)配置有報(bào)警欄。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤溫監(jiān)測(cè)、報(bào)警、趨勢(shì)和預(yù)測(cè)等功能。

6 結(jié)束語

以LoRa技術(shù)為基礎(chǔ)，利用斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套低功耗分布式煤堆測(cè)溫系統(tǒng)。

(1)在斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上，開發(fā)測(cè)溫球拋投裝置和控制程序，解決了測(cè)溫球預(yù)埋自動(dòng)化難題。

(2)利用LoRa技術(shù)，開發(fā)了無線網(wǎng)關(guān)和測(cè)溫球，建立了無線網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了測(cè)溫球控制方法，實(shí)現(xiàn)了在煤堆內(nèi)部測(cè)溫球數(shù)據(jù)傳輸問題和測(cè)溫球壽命問題。

(3)開發(fā)了測(cè)溫球拋投過程中，測(cè)溫球皮帶定位檢測(cè)裝置，解決了測(cè)溫球識(shí)別和定位問題。

(4)開發(fā)了堆損智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理分析，并建立預(yù)測(cè)模型。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐表明，基于LoRa技術(shù)的低功耗分布式煤堆測(cè)溫系統(tǒng)，解決了測(cè)溫裝置預(yù)埋難題，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。