输煤本质安全智能管控系统研究

董志军，陈鸿鑫，王 波，英成境，孙宇迪

(1.国家能源集团宿迁发电有限公司，江苏 宿迁 223800；2.北京华电天仁电力控制技术有限公司，北京 100039)

0 引言

火电厂输煤系统是电厂安全管控业务的重点防护区域。输煤系统具有生产区域大、战线长、易磨损、故障扩散速度快等特点，在生产过程中故障与缺陷的排查难度大、人力成本高，制约了设备异常的早期识别及预警，降低了设备的可靠性。同时，输煤系统工作环境恶劣，粉尘大、噪音高，易产生职业健康问题，易燃易爆粉尘也易导致火灾事故。输煤系统的工作人员中，外部人员较多，人员结构复杂，人员管控难度较大。此外，输煤区域大型机械设备较多，是机械伤害事故的高发区域。

本质安全管理的管理理念是以事故前的检测与预防为基础，不断健全管理措施，从根本上提高输煤系统的安全性，减少电厂事故的发生。现有输煤系统的安全控制系统智能化程度有限，监测功能单一，多系统之间、系统与电厂原有控制系统之间的数据融合存在困难。因此，在本质安全管理中应用先进的计算机技术、通信技术、自动控制技术是提高火电厂输煤系统安全性、降低事故发生率的重要方向。

1 输煤系统安全运行现状

输煤系统的安全运行包括燃料的安全及时输送、运行人员安全及运行设备安全。本质安全管理体系是一套以危险源辨识为基础,以风险预控为核心,以管理员工不安全行为为重点,以切断事故发生的因果链为手段，经过多周期的不断循环建设，通过闭环管理，逐渐完善提高的全面、系统、可持续改进的现代安全管理体系。

1.1 燃料输煤系统安全问题分析

(1) 输煤皮带异常风险：输煤皮带的跑偏、打滑、堵煤漏煤，输煤皮带工作面破损、撕裂等。皮带运行过程中两侧受力不均匀或是运行参数设置不合理等都有可能导致皮带跑偏，皮带跑偏就有可能引起跑煤漏煤等情况；皮带打滑会导致设备磨损；若煤料中含有体积较大的煤块或是尖锐的金属杂质，可能会导致皮带撕裂或出料口堵煤。

(2) 火灾风险：输煤区域含有煤粉等爆炸性粉尘，在密闭区域如输煤廊道、转运站中浓度过高可引起爆炸;电缆、煤堆等处温度过高也易引发火灾。

(3) 设备故障风险：输煤区域安装有大量电机等机械设备，长期运行中，由于分布范围较广且现场条件复杂，若不能有效集中监控，设备健康状况易产生盲点，容易由此引发设备故障。

(5) 职业健康风险：输煤区域环境较差、粉尘浓度较高，若未能有效监测环境变量，不能有效控制粉尘浓度，易发生职业健康问题。

(6) 人身伤害事故风险：输煤区域有斗轮机、清仓吊等大型机械设备，运行过程中周围区域严禁人员靠近，否则容易发生机械伤害事故。

1.2 输煤系统安全运行有效措施

(1) 人员安全：加强员工安全教育培训，严格监督员工作业规范及行为规范，对作业违章、行为违章进行实时监控、记录、报警。

(2) 设备安全：系统重要设备振动、温度等参数实时监控并记录，对设备运行关键参数的变化趋势进行分析，判断设备健康状态，对可能发生的设备故障进行预警。通过视频监控、编码器、接触开关等复合技术手段对皮带机运行进行全方位监控，监控其撒煤、漏煤、撕裂、打滑、跑偏等情况。

(3) 作业安全：通过门禁、人员定位、视频监控等手段，提升作业规范性。结合工作票、操作票等管控手段，对关键设备、关键区域进入权限、关键作业过程合规进行全方位管控。

从当前工业建筑设计来看，多数采用单层钢结构形式，也就是我们常说的工业厂房，由于工业建筑与住宅建筑在使用功能和结构形式等多方面都存在不同，它的屋面设计也比价复杂，通常情况下屋面与墙体面积差不多，甚至有时候会超过墙体面积，比如：大跨度钢结构厂房，这也给屋面设计提出较高的要求。屋面保温设计是一种常见的节能技术，在选择材料的时候需要选择密度小、导热系数高的环保材料，除此之外，屋面设计还应该重视防水层材料的选择，尽量不选择吸水性强的材料，避免保温层水分过多而影响保温效果。

(4) 环境监控：通过测温、视频监控、烟感等手段，全面监测输煤区域火警风险，针对过温、明火、暗火等情况及时报警。监控作业场所温度、噪音、粉尘浓度、有害气体等指标，严格控制其在合格范围内，减少职业健康风险。

2 输煤本质安全智能管控系统设计

2.1 系统目标

(1) 通过视频监控设备，搭建生产区域视频监控网络。结合图像处理、图像识别技术，对人员作业违章、行为违章进行实时监控、记录、报警，提升生产人员作业与行为规范性，保障人员安全。

(2) 通过底层传感设备，实时监控关键电机设备振动、温度指标，通过数据分析，对故障及时预警。实时监控皮带故障及异常情况，对撕裂等故障及时报警，提升设备安全。

(3) 通过电子两票与人员定位、门禁、视频监控设备结合，对关键作业流程进行全方位监控，提升作业安全。

(4) 通过底层传感设备、视频监控设备等实现环境温度、噪音、粉尘浓度、有害气体实时监控，针对过温、明火、暗火等情况及时进行报警，对粉尘浓度超标等危害职业健康情况进行报警。

(5) 通过统一物联网平台整合各项功能、管理底层设备、对接其他系统，并实现统一展示与报警。

2.2 系统框架

智能管控系统整体架构设计如图1所示，分为5层结构。底层的感知层汇聚系统中各类采集终端设备的相关数据，进行统一接入和分类管理。终端设备主要包括定位基站、定位标签、高清摄像机、各类传感器等。感知层向上将数据传输至网络层，网络层以满足工业应用的无线、有线网络等方式完成数据的高效传输，并通过相应的网络设备、接口设备、服务器等构成完备统一的网络传输系统。

图1 系统整体架构

数据层作用是汇聚经过系统的数据，根据业务需要，形成各类应用数据，主要包括：用以实现智能图像分析的监控视频图像数据；用以实现设备同步及操作的设备数据；身份信息、人脸信息等人员数据。平台层为定制开发的物联网平台，为前端感知设备和业务应用起到数据接入、管理和传输的中枢作用。平台通过对接传感器、门禁、摄像头、人员定位等设备，实现对不同协议的各类终端的统一管理，同时对接上层业务应用以接口的形式提供数据支撑，根据上层业务系统需求实现设备联动控制，以满足其他对接系统对于设备的控制需求。本平台主要包含设备的接入与管理、数据分析管理与服务支撑、设备联动控制、任务指令下发等功能。顶层的应用层可以根据电厂的实际业务，模块化定制应用功能。

2.3 应用功能模块

应用层结合算法服务、流媒体服务、统一认证服务等一系列技术手段，实现对业务应用的支撑。上层应用体系主要包括生产区域环境监控与识别、人脸识别、设备异常识别等应用模块，整个智能管控系统涉及7个方面的主要功能模块，如图1中应用层所示。

(1) 违章与异常识别报警模块是通过监控摄像头与图像识别技术对监控区域内各类违章与异常情况进行辨识并及时报警，分为5个方面的子功能，各部分功能描述如表1所示。

表1 违章与异常识别报警模块功能

(2) 设备状态实时监测模块是集中监控各传感器测量信息，对设备故障、环境指标异常等情况进行报警，具体功能设计如表2所示。

表2 设备状态实时监测模块功能

(3) 职业健康模块通过温度、噪音、粉尘浓度传感器，实时监测生产环境中可能对人员健康产生危害的上述指标情况并集中展示，对超标情况进行报警。

(4) 人员定位模块是通过定位基站、定位电子标签等设备组建定位网络，实现人员实时定位功能，集中、直观地展示作业区域内作业人员数量、位置及人员信息，并将定位信息与电子化两票系统、视频监控系统结合，对作业人员作业期间跨出作业区域、非作业人员进入作业区域、巡检作业不到位等行为进行识别与报警，并可即时联动视频摄像头查看现场情况。

(5) 门禁模块是通过对重点区域增加门禁读卡器，并对员工卡进行授权，管理重点区域进入权限，防止无关人员进入重点区域。

(6) 输煤区域易积灰电缆目前常用的冲洗方式是人工持水管、水枪清洗。该系统智能水冲洗模块将冲洗工作由人工改为自动，通过传感器、摄像头等智能终端设备，及时反馈电缆桥架信息，并敷设冲洗水管，通过远程控制或自动控制实现自动冲洗，解放相关工作人员，减轻了工作人员职业健康风险，消除了人身伤害事故风险，同时节省人工成本、水费成本，提升工作效率。

(7) 输煤皮带自动巡检机器人可以针对输煤皮带实时的运行状态智能自主地选择巡检模式，通过搭载视觉系统以及其他复合传感器系统，保持对运行皮带的全覆盖实时监控，并基于机器学习及大数据技术，指导运行人员及时发现皮带打滑、跑偏、撕裂、煤层温度异常等故障情况。

2.4 集中展示界面

统一管控平台将系统的7大功能模块集中管理，分模块对上传数据集中分析与运算，并集中展示。工作人员通过终端PC或展示大屏可访问展示界面、查询数据与查看报警信息，实时监控整个输煤系统安全防护情况，可根据不同的火电厂需求设计不同的功能模块和展示平台界面。

3 系统关键技术

(1) 基于物联网技术，实现多系统、多方面融合及联动，提高各个系统使用效率，打破信息孤岛。

(2) 应用机器视觉感知技术和深度学习技术，对视频图像内目标特征提取，通过模型训练自主提升识别能力，从而提升对各类异常与违章情况的辨识能力。

(3) 利用大数据技术，对各类传感器上传的海量数据进行分析，掌握设备健康变化趋势，及时预警故障信息。

(4) 基于UWB的高精度定位技术，其精度满足人员越界、离岗等违章行为识别要求。

4 预期效益分析

4.1 经济效益

设计的输煤本质安全智能管控系统对输煤系统人员安全、设备安全、作业安全、环境安全进行全方位地实时管控，可达到以下效果。

(1) 可以减少人员违章、违规等现象发生，降低大型设备人身伤害风险，保障人身安全。

(2) 对设备的实时监测，辅助代替人工巡检，可以提高设备缺陷发现效率，延长设备的使用寿命，减少设备维修成本。

(3) 对输煤区域环境集中检测，对过温、火焰等危险因素及时识别，降低区域火灾风险；对有害气体、噪音、粉尘浓度、温度超标进行及时报警，防止危害人员健康。

(4) 对关键作业过程全方位监控，减少由于人员离岗、擅入、玩忽职守等造成的企业财产损失。

(5) 实现对输煤系统全自动、全方位监控与识别报警，辅助人员进行管理，提高工作效率，降低人力成本。

4.2 社会效益

输煤本质安全智能管控系统可以有效提高输煤系统安全防护水平，减少事故、违章发生；推动企业行业树立本质安全理念，提高人员安全意识；形成可推广的输煤系统本质安全智能化应用模式，推动智慧企业建设，进而推动电力行业智能化发展水平，实现电厂安全、高效、灵活运行，达成发电企业智能化管控目标。

5 结束语

针对火电厂输煤系统安全管理面临的一系列问题，基于传感器网络与物联网平台，利用图像识别技术、大数据与人工智能技术，设计了上述输煤本质安全智能管控系统。该系统能够全面、实时监控输煤区域人员、设备、作业过程与工作环境信息。系统自动识别异常并发出报警，提升安全管控人员对输煤系统的全面感知能力，及时发现异常情况并止损。系统自动分析设备运行趋势并发出预警，从源头上降低设备故障率，降低由于设备故障发生安全事故的可能性。该系统应用提升人员行为、作业流程的规范性，提升输煤系统安全管理的整体水平。