基于DCS控制的燃料智能化管控系統(tǒng)分析與應(yīng)用

付高見 沈思賢 涂 攀 張繼軍 朱 巖 李 昆 陳長健

（華潤電力（仙桃）有限公司）

0 引言

截止2022年，我國火力發(fā)電量占比在70%左右，仍然占據(jù)我國能源市場的主導(dǎo)地位。對火力發(fā)電企業(yè)來說，燃料占發(fā)電總成本的70%以上，燃料管理已經(jīng)成為火力發(fā)電企業(yè)日常管理中一項(xiàng)重要的內(nèi)容和環(huán)節(jié)。燃料管理需要收集和統(tǒng)計(jì)入廠、入爐煤驗(yàn)收數(shù)據(jù)以及燃料的儲運(yùn)等信息，以此分析燃料驗(yàn)收、儲存和使用情況，進(jìn)而實(shí)施針對性的管理工作，傳統(tǒng)燃料驗(yàn)收工作主要靠人和機(jī)器來完成操作，采樣、制樣、化驗(yàn)等驗(yàn)收環(huán)節(jié)人工參與度較高，工作效率低，且很難實(shí)現(xiàn)全流程不留死角的監(jiān)控，無法保證相關(guān)材料的驗(yàn)收公正性和準(zhǔn)確性［1］。因此，全國大型發(fā)電企業(yè)都在加大投入力度，通過構(gòu)建燃料智能化管理系統(tǒng)，以期解決燃料管理中的難點(diǎn)痛點(diǎn)，然而，截止到目前真正實(shí)現(xiàn)全自動、智能化燃料管控的企業(yè)屈指可數(shù)，主要問題集中在驗(yàn)收基礎(chǔ)層設(shè)備分散、品牌復(fù)雜、通訊協(xié)議多樣化，加大了構(gòu)建智能管控系統(tǒng)的難度。本文以某2×660MW 新建機(jī)組燃料智能采制化工程為例，構(gòu)建基于DCS控制的燃料智能采制化管控系統(tǒng)，使用全新的智能化管理技術(shù)，在燃料的采制化過程中完成集成化的布置，試圖通過研究模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)建過程，為火力發(fā)電企業(yè)提供一個可復(fù)制的參考樣本。

1 設(shè)計(jì)思路

基于DCS控制的燃料智能化管控系統(tǒng)按照“功能模塊化、信息集中化、控制分散化”設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建管控運(yùn)行系統(tǒng)及分布管控運(yùn)行系統(tǒng)，通過管控系統(tǒng)對基礎(chǔ)設(shè)備層實(shí)施直接控制、實(shí)時數(shù)據(jù)采集和交互，對燃料全過程數(shù)據(jù)在線實(shí)時監(jiān)控，做到各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)不落地，實(shí)現(xiàn)燃料全過程的智能化管控［2］。燃料智能化管控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 燃料智能化管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

通過各個分布數(shù)據(jù)采集控制模塊對計(jì)量設(shè)備儀表（汽車衡、軌道衡、皮帶秤）、采樣機(jī)、制樣機(jī)、氣動輸送設(shè)備、存查樣設(shè)備、封裝打包及分選開蓋設(shè)備、化驗(yàn)室設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、門禁設(shè)備、輸煤程控等進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集、分析及處理，并根據(jù)管控中心作業(yè)指令進(jìn)行設(shè)備工作流程改變、設(shè)備工作參數(shù)改變及設(shè)備啟停。

通過各分布數(shù)據(jù)采集控制模塊集成的統(tǒng)一接口控制服務(wù)器與現(xiàn)有燃料信息系統(tǒng)無縫對接，完成對燃料入廠和入爐的計(jì)量、采樣、制樣、傳輸、存查、化驗(yàn)等各環(huán)節(jié)設(shè)備的控制和監(jiān)管，融合燃料全過程信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對燃料智能化設(shè)備運(yùn)行情況及參數(shù)的實(shí)時監(jiān)視和異常報(bào)警。

建立標(biāo)準(zhǔn)接口服務(wù)器，針對燃料信息管理各個業(yè)務(wù)流程對所有業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并預(yù)留未來擴(kuò)展軟硬件設(shè)備接口，通過設(shè)備控制模塊與各個設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對入廠和入爐的計(jì)量、采樣、制樣、稱重、輸送、存樣、取樣、封裝、化驗(yàn)、視頻、門禁等設(shè)備遠(yuǎn)程控制和控制流程信息的提取和集成。

利用計(jì)算機(jī)自動控制和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，對燃料智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)四遙（遙信、遙測、遙控、遙視），建立燃料及運(yùn)行設(shè)備遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙控操作和在線狀態(tài)監(jiān)測。同時對煤樣輸送、煤樣管理、燃料信息、視頻門禁、化驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)進(jìn)行整合，在輸煤集控室（管控中心）集成為統(tǒng)一的監(jiān)視控制平臺，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程集中管控，采制化工作的監(jiān)督等，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至管控中心進(jìn)行統(tǒng)一存儲，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及跟蹤。

2 燃料智能采制化管控系統(tǒng)構(gòu)建

燃料智能采制化系統(tǒng)包含燃料運(yùn)輸、采制樣品管理的現(xiàn)場運(yùn)行和自動化生產(chǎn)管理，可細(xì)分為入廠、入爐煤采制化樣品管理過程中的批次、編碼、采樣、制樣、樣品存取、化驗(yàn)、監(jiān)督抽查等現(xiàn)場作業(yè)業(yè)務(wù)管理［3-4］。

2.1 樣品采制化運(yùn)行管理

（1）批次管理模塊根據(jù)火車煤錄入信息，結(jié)合車號識別系統(tǒng)，形成批次并生成批次編碼，入廠計(jì)量數(shù)據(jù)自動傳輸，系統(tǒng)內(nèi)置編碼管理體系，自動生成人工采樣碼、制樣碼、化驗(yàn)碼等過程編碼，同時也能實(shí)現(xiàn)自動采制樣的編碼。

（2）采樣管理模塊根據(jù)不同煤品種和調(diào)運(yùn)計(jì)劃自動生成采樣方案，并對采樣點(diǎn)、子樣數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行合理配置，與燃料智能采制化管控系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口并指導(dǎo)采樣工作。

根據(jù)待采樣來煤重量或者批次信息，自動計(jì)算當(dāng)前批次或采樣單元的留樣量，經(jīng)集中管控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)接口推送到對應(yīng)采樣設(shè)備。采樣后的結(jié)果信息，經(jīng)管控系統(tǒng)通過接口反饋到本系統(tǒng)形成完整采樣單，采樣單內(nèi)容應(yīng)包含采樣編碼、采樣時間、樣重等信息。

（3）原煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)管理模塊根據(jù)采樣機(jī)采樣完成的指令，經(jīng)集中監(jiān)控系統(tǒng)推送至原煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備。將原煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備執(zhí)行情況接入并存儲記錄。

（4）制樣管理模塊在批次煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)完成后，全自動制樣裝置對煤樣進(jìn)行自動制樣、封裝，并自動完成煤樣的編碼匹配，匹配成功／失敗后都會將結(jié)果狀態(tài)反饋給管控系統(tǒng)，管控系統(tǒng)再將結(jié)果傳回業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。全自動制樣裝置完成制樣任務(wù)后，其制樣后的結(jié)果信息會反饋到集中管控系統(tǒng)。

人工離線制樣模式功能包括制樣單創(chuàng)建、制樣單據(jù)打印、制樣條碼打印等。自動生成全自動制樣裝置工作臺賬：包含值班人員、當(dāng)前批次入料量、一級入料縮分比、棄料量、3mm留樣量、0.2mm留樣量、烘干狀態(tài)及各環(huán)節(jié)時間記錄等信息。

（5）存樣管理模塊記錄智能存樣柜存樣結(jié)果，通過接口上傳到業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲，對煤樣存儲進(jìn)行時間定義，并對到期煤樣提前進(jìn)行提示，自動生成棄樣指令，經(jīng)管控系統(tǒng)下達(dá)給智能存樣柜執(zhí)行棄樣操作。

（6）取樣管理模塊根據(jù)需要在系統(tǒng)生成取樣指令，將指令信息經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)給氣動傳輸系統(tǒng)及智能存樣柜。氣動傳輸系統(tǒng)及智能存樣柜根據(jù)收到的取樣指令進(jìn)行取樣操作，記錄操作結(jié)果。操作結(jié)束后將取樣操作結(jié)果經(jīng)管控系統(tǒng)通過接口上傳到業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。

2.2 化驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)管理模塊

化驗(yàn)儀器實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行管理，化驗(yàn)數(shù)據(jù)可自動采集、自動傳輸。化驗(yàn)原始記錄、化驗(yàn)報(bào)告自動生成，數(shù)據(jù)自動上傳，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上審批。采用條碼（二維碼及芯片）打印和掃描，實(shí)現(xiàn)便捷錄入，可減少人工錄入的失誤。對條碼（二維碼及芯片）內(nèi)容進(jìn)行加密，可加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性，防止數(shù)據(jù)泄漏。采用B／S與客戶端專用服務(wù)進(jìn)程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能，可跨平臺操作。

2.3 采制化三級編碼系統(tǒng)

采制化采取三級條形碼編碼管理。一級編碼為送樣編碼，用于將原煤樣桶送達(dá)制樣室；二級編碼為制樣編碼，用于制樣室；三級編碼為化驗(yàn)編碼，用于化驗(yàn)室。在采樣、制樣、化驗(yàn)、入爐和監(jiān)察環(huán)節(jié)的編碼，采用條形碼的方式，并對條碼進(jìn)行加密，防止工作人員泄漏編碼信息。系統(tǒng)接樣人員只能看到加密后的條形碼，防止人為的干預(yù)。

燃料智能管控系統(tǒng)與ERP、燃料信息系統(tǒng)、汽車衡、軌道衡系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，采樣、制樣、樣品編碼對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，由燃料ERP系統(tǒng)生成統(tǒng)一編碼，燃料智能管控系統(tǒng)直接調(diào)用編碼，燃料智能管控系統(tǒng)將采樣、制樣信息寫入中間表，由燃料信息系統(tǒng)／ERP讀取。

通過采制化編碼管理系統(tǒng)保證整個采制化流程的嚴(yán)肅性和保密性，使得整個燃料驗(yàn)收流程對電廠、供煤單位、監(jiān)督人員都是透明的，為電廠入廠煤公平驗(yàn)收、公平計(jì)量提供技術(shù)保證。以編碼的形式完成采樣、制樣、化驗(yàn)3個信息流程，借助信息化技術(shù)，減少操作步驟，提高工作效率，減少人為操作因素，建立客觀、公正的檢測管理系統(tǒng)。

3 鐵運(yùn)煤接卸智能化管控系統(tǒng)構(gòu)建

鐵運(yùn)煤接卸智能化管控系統(tǒng)由鐵路運(yùn)輸預(yù)報(bào)系統(tǒng)，軌道衡全自動無人值守智能稱重系統(tǒng)、火車入廠煤自動分批次智能化皮帶中部采樣系統(tǒng)組成，如圖2所示。通過該系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對電廠鐵運(yùn)煤入廠接卸全流程的智能化管控，涵蓋國鐵車站編組計(jì)劃、火車入廠計(jì)量、翻車、采樣四個環(huán)節(jié)［5］。

圖2 鐵運(yùn)煤接卸智能化管控系統(tǒng)布局圖

3.1 鐵路運(yùn)輸預(yù)確報(bào)系統(tǒng)

火車入廠前在鐵路聯(lián)辦樓由國鐵車站人員打印列車編組順序表交給電廠人員，電廠工作人員將列車編組順序表送至燃料管控中心工作人員處，在鐵路運(yùn)輸預(yù)報(bào)系統(tǒng)工作站完成編組順序表的OCR轉(zhuǎn)換，生成來煤預(yù)報(bào)，建立來煤計(jì)劃信息庫，并與原始列車編組順序表形成可追溯的“來煤數(shù)據(jù)-貨票圖片”聯(lián)動信息，火車入廠識別后，完成火車歸批工作，生成采樣碼及采樣方案。

鐵路預(yù)確報(bào)系統(tǒng)采用OCR技術(shù)對鐵路紙質(zhì)貨票進(jìn)行文字識別，工作人員在鐵路預(yù)確報(bào)系統(tǒng)中對紙質(zhì)鐵路貨票進(jìn)行掃描，生成貨票圖像文件，并對圖像進(jìn)行OCR識別轉(zhuǎn)換，對貨票的字體進(jìn)行逐列掃描、動態(tài)解析，通過自動定位、自動提取、自動糾偏，自動生成電子預(yù)報(bào)單。

火車過衡后自動匹配鐵路預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，車號識別系統(tǒng)對過車數(shù)據(jù)與列車編組順序表圖片進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，形成可追溯的入廠信息實(shí)現(xiàn)軌道衡自動計(jì)量、自動編碼、自動組批、自動上傳。

3.2 軌道衡全自動無人值守智能稱重系統(tǒng)

在火車入廠專用線動態(tài)軌道衡處安裝軌道衡全自動無人值守智能稱重系統(tǒng)，對入廠火車車號進(jìn)行智能識別，自動生成過車信息，自動抓拍火車車號及標(biāo)重的清晰圖片，自動提取軌道衡重量數(shù)據(jù)，完成車輛數(shù)據(jù)與車輛圖片一一對應(yīng)，形成“車號-重量數(shù)據(jù)-車輛圖片”聯(lián)動信息，并自動匹配列車編組順序表信息，自動完成入廠煤計(jì)量作業(yè)，自動歸批生成采樣方案。

在兩套翻車機(jī)處安裝火車入廠煤自動分批次智能化皮帶中部采樣系統(tǒng)，與兩臺翻車機(jī)、皮帶采樣機(jī)進(jìn)行連鎖控制，自動采集軌道衡的車號及批次數(shù)據(jù)，自動判斷待翻車輛的批次信息，識別新批次進(jìn)行“禁翻”連鎖控制，自動采集煤流信號，待上一批次收樣完成后自動進(jìn)行“允翻”解鎖控制，并自動控制皮帶采樣機(jī)進(jìn)行新批次采樣方案的參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)可自動采集火車入廠數(shù)據(jù)，自動獲取煤批信息，自動劃分采樣單元，自動識別翻車機(jī)待翻車輛的車號信息，自動設(shè)置采樣系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)火車入廠煤采樣機(jī)“初采間隔時間、縮分延時時間、縮分時間、縮分間隔時間、故障停皮帶延時”等參數(shù)自動設(shè)置。

在管控中心燃料管控平臺中增加入廠鐵運(yùn)煤集中管控功能，通過分布控制模塊實(shí)現(xiàn)管控中心對入廠鐵運(yùn)煤鐵路運(yùn)輸預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、軌道衡全自動無人值守智能稱重子系統(tǒng)、火車入廠煤自動分批次智能化皮帶中部采樣子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)采集、信號控制，并對鐵運(yùn)煤接卸進(jìn)行全程監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)展示及報(bào)警，如圖3所示。

圖3 燃料管控系統(tǒng)工藝流程

通過本系統(tǒng)的實(shí)施，使電廠實(shí)現(xiàn)對鐵運(yùn)煤入廠接卸全過程的科學(xué)管控，與燃料集中監(jiān)控系統(tǒng)的無縫對接，達(dá)到智能化、規(guī)范的要求。

3.3 火車入廠煤自動分批次智能化皮帶中部采樣系統(tǒng)

該案例在兩套翻車機(jī)處安裝火車入廠煤自動分批次智能化皮帶中部采樣系統(tǒng)，與兩臺翻車機(jī)、皮帶采樣機(jī)進(jìn)行連鎖控制，自動采集軌道衡的車號及批次數(shù)據(jù)，自動判斷待翻車輛的批次信息，識別新批次進(jìn)行“禁翻”連鎖控制，自動采集煤流信號，待上一批次收樣完成后自動進(jìn)行“允翻”解鎖控制，并自動控制皮帶采樣機(jī)進(jìn)行新批次采樣方案的參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)可自動采集火車入廠數(shù)據(jù)，自動獲取煤批信息，自動劃分采樣單元，自動識別翻車機(jī)待翻車輛的車號信息，自動設(shè)置采樣系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)火車入廠煤采樣機(jī)“初采間隔時間、縮分延時時間、縮分時間、縮分間隔時間、故障停皮帶延時”等參數(shù)自動設(shè)置。

4 入廠、入爐煤管理子系統(tǒng)

利用DCS控制原理，按照入廠、入爐煤管理驗(yàn)收流程，將上述分散的控制系統(tǒng)進(jìn)行整合，實(shí)行集中管理［6-7］。

4.1 入廠煤子系統(tǒng)

入廠煤管理子系統(tǒng)包括軌道衡鐵路貨票自動識別系統(tǒng)、軌道衡智能稱重系統(tǒng)、翻車機(jī)車號智能識別系統(tǒng)、入廠皮帶采樣機(jī)、入廠全自動制樣機(jī)、人工制樣寫碼系統(tǒng)、化驗(yàn)室讀碼系統(tǒng)。其中軌道衡鐵路貨票自動識別系統(tǒng)、軌道衡智能稱重系統(tǒng)、翻車機(jī)車號智能識別系統(tǒng)采用B／S架構(gòu)，自動采集鐵路貨票識別數(shù)據(jù)和軌道衡數(shù)據(jù)，自動生成驗(yàn)收批次方案及采樣碼；入廠采制樣系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)，系統(tǒng)接收批次方案，從三級編碼系統(tǒng)讀取編碼，結(jié)合翻車機(jī)車號識別信息自動啟動采、制樣設(shè)備，樣品自動傳輸至化驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行化驗(yàn)。

系統(tǒng)與翻車機(jī)聯(lián)鎖，同批次未采樣完成聯(lián)鎖禁止下一批次翻車。通過標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議將來煤數(shù)據(jù)、化驗(yàn)數(shù)據(jù)等上傳至燃料ERP系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了無人工干預(yù)。

4.2 入爐子系統(tǒng)

入爐煤人機(jī)界面采用C／S架構(gòu)，入爐采制樣批次由智能管控系統(tǒng)每天根據(jù)班次自動生成，批次時間可根據(jù)需要調(diào)整，入爐采樣機(jī)在遠(yuǎn)方模式下，智能管控系統(tǒng)與輸煤DCS系統(tǒng)聯(lián)鎖，當(dāng)檢測到皮帶運(yùn)行且有煤流時，采樣機(jī)自動運(yùn)行，開始采樣、自動制樣，并實(shí)時讀取電子皮帶秤數(shù)據(jù)，自動封裝并賦碼6mm、3mm樣品，通過氣動傳輸系統(tǒng)將樣品傳至化驗(yàn)室和存樣柜。

5 結(jié)束語

本文分析了火力發(fā)電企業(yè)燃料管理中常見的問題，研究了基于DCS控制的燃料智能化管控系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用，通過燃料智能化管控系統(tǒng)的構(gòu)建，保證了燃料系統(tǒng)入廠、入爐煤管理驗(yàn)收等工作自動有序進(jìn)行，與外部系統(tǒng)實(shí)時交互數(shù)據(jù)，為企業(yè)精益管理提供數(shù)據(jù)支持，減少人為干涉和人工操作的項(xiàng)目、頻次，提高工作效率，降低人力成本、提高管理效率和管理質(zhì)量，證明了基于DCS控制的燃料智能化管控系統(tǒng)在火力發(fā)電廠燃料管理中可以推廣應(yīng)用。