5G技術在火電廠輸煤系統(tǒng)中的應用探索

趙鳳祥

(廣東大唐國際雷州發(fā)電有限責任公司，廣東 湛江 524255)

0 引言

5G 作為新一代信息通信技術已與工業(yè)經(jīng)濟高度融合，在工業(yè)領域得到了廣泛應用，涵蓋研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、運營管理、產(chǎn)品服務四大工業(yè)環(huán)節(jié)。

2021-07-12，工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦、國家發(fā)改委等十部門聯(lián)合印發(fā)《5G 應用“揚帆”行動計劃(2021—2023年)》，提出到2023年我國5G 應用發(fā)展水平要顯著提升，綜合實力持續(xù)增強，實現(xiàn)5G 在大型工業(yè)企業(yè)滲透率達到35 %、每重點行業(yè)5G 示范應用標桿數(shù)達到100 個、5G 物聯(lián)網(wǎng)終端用戶數(shù)年均增長率達到200 %三大指標。同月下旬，全國5G 行業(yè)應用規(guī)模化發(fā)展現(xiàn)場會在廣東深圳、東莞召開，會議要求全力推動5G 行業(yè)應用創(chuàng)新，更好地服務經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展，以多種形式發(fā)展5G+智能工廠、5G+智能電網(wǎng)、5G+智慧港口等一系列融合創(chuàng)新的應用行業(yè)，樹立一批高水平應用標桿，形成一批成熟的應用解決方案，建設一批行業(yè)特色應用集群，凸顯了5G 加速助力工業(yè)界數(shù)字化轉型的重要作用。

探索5G 通信技術在火電廠煤場斗輪機和碼頭卸船機控制系統(tǒng)自動控制領域的應用，探討5G 技術在輸煤系統(tǒng)的應用中應采取的安全防范措施，以期為輸煤系統(tǒng)后續(xù)的智能化應用和改進提供參考。

1 5G 技術特點

(1) 高速率。5G 依托4G 良好的技術架構，方便地構建起新的技術，讓用戶體驗到更高的網(wǎng)速。以往工作主要依托較低頻段的4G 網(wǎng)絡，低頻段的好處是傳播性能優(yōu)越，運營商用較少的成本(少量基站)即可達到很好的覆蓋，但不足是低頻段的連續(xù)頻率資源非常稀缺，4G LTE 網(wǎng)絡中單個載波最大頻率范圍是20 MHz，通過載波聚合技術雖然可將多個非連續(xù)載波合起來使用達到較高速率，但依然不能滿足當今大數(shù)據(jù)時代對于網(wǎng)絡的需求。而5G 采用了4G 時代未被使用的高頻，使用大規(guī)模天線(massive MIMO)高頻資源的頻率，波長較短(毫米波)，可在很小的范圍內(nèi)集成天線陣列，結合波束賦形追蹤，即可彌補高頻通信在傳播上的受限。

(2) 大容量。受限于終端的功耗及無線網(wǎng)絡的覆蓋能力，廣域物聯(lián)網(wǎng)仍處于初期萌芽狀態(tài)，5G推出了針對廣域物聯(lián)網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，可通過限定終端的速率降低使用帶寬、終端發(fā)射功率、天線復雜度(SISO)，優(yōu)化物理層技術，使終端耗電量降低，支持更多的終端接入。

(3) 低時延。5G 網(wǎng)絡的時延邁進了100 ms 關口，使時延降至更低，為更多對時延要求極致的應用提供了空間。

(4) 實景化。5G 時代使空間信息服務更加社會化、大眾化，實景三維信息更完整、語音信息更豐富、空間關系更精準。應用人工智能、5G 網(wǎng)絡、云計算區(qū)塊鏈技術等可提高海量數(shù)據(jù)處理速度、智能化水平，實現(xiàn)傳感、測量、控制、感知一體化，以及更精準的自動化、精細化管理。

2 5G 技術在火電領域的應用方向

(1) 智能化生產(chǎn)。5G 技術應用于發(fā)電機組主、輔設備智能診斷系統(tǒng)，可對各設備生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行自動采集、分析和判斷，實現(xiàn)運轉設備主要運行參數(shù)在線監(jiān)控、在線狀況自動判定；5G 技術應用于煤場斗輪機和碼頭卸船機，可實現(xiàn)遠程實時控制，提高運維效率的同時促進設備操控向無人化轉型，實現(xiàn)現(xiàn)場設備運維無人值守，提高運維效率；無人機航拍、機器人巡檢等的應用，可實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)人員遵章守紀行為監(jiān)督，使重要場所的安全防護向智能化、可視化、高清化升級。

(2) 智慧化運營。5G 技術可實現(xiàn)輸煤皮帶機運行過程的智能巡檢、輸煤系統(tǒng)生產(chǎn)過程的在線監(jiān)控及狀態(tài)自動判定，并判斷設備運行、環(huán)境及人員操作是否存在異常，從而提升輸煤系統(tǒng)安全性。

(3) 綠色發(fā)展。5G 技術應用于鍋爐排煙、除塵、脫硫脫硝各環(huán)節(jié)的能源消耗和污染物排放數(shù)據(jù)采集，可協(xié)助環(huán)保部門實時監(jiān)控發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的問題，并進行工藝優(yōu)化和設備升級，降低能耗成本和環(huán)保成本，從而實現(xiàn)清潔低碳的綠色化生產(chǎn)。

3 5G 技術在輸煤系統(tǒng)中的應用探索

3.1 5G 技術應用于輸煤系統(tǒng)的必要性

卸船機、斗輪機作為火電廠煤碼頭和煤場的重要卸、取煤設備，其穩(wěn)定性直接關系到火電廠的燃料保供安全，但由于煤碼頭和煤場作業(yè)環(huán)境差、作業(yè)時間長、勞動強度高等原因，操作人員在工作中極易出現(xiàn)誤操作。例如螺旋卸船機原操作是通過司機室控制手柄及按鈕進行手動操作，或者由司機站在碼頭或船上通過遙控手柄對螺旋卸船機進行遠程手動操作。司機操作時，無論在司機室內(nèi)俯視船艙，還是站在碼頭或船上遙控操作，都會受到天氣狀況、司機室玻璃潔凈度等因素影響，導致視角和視覺能見度很難看清船艙內(nèi)殘煤狀態(tài)。操作取料中，司機還需彎腰低頭保持高專注力，且卸船過程中勞動強度極大，長時間卸船作業(yè)對卸船機司機體力、耐力、視力等考驗極大，易發(fā)生卸船機與船只碰撞、卸船機喂料頭與船底部碰撞等不安全事件。因此，基于5G 技術開發(fā)一種可實現(xiàn)無人值守的智能化卸船機、斗輪機全自動控制系統(tǒng)尤為必要。

3.2 5G 智能化控制系統(tǒng)開發(fā)

雷州發(fā)電公司對卸船機、斗輪機堆取料機進行智能化設計，對碼頭和煤場范圍進行5G 無線信號全覆蓋，通過與斗輪機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡對接，實現(xiàn)以太網(wǎng)轉5G 無線通信，將煤場管理系統(tǒng)相關實時控制信息、視頻信息通過5G 網(wǎng)絡傳輸至控制室集控系統(tǒng)。

煤場管理系統(tǒng)軟件三維數(shù)據(jù)引擎采用Opengl，開發(fā)平臺采用Visual Studio 2013 或以上版本，指令采用C++語言，系統(tǒng)服務器采用SQL server2012。據(jù)此開發(fā)的遠程控制系統(tǒng)軟件以三維方式顯示規(guī)定區(qū)域內(nèi)船倉和整個煤場料堆及設備的動態(tài)模型，真實反映出相應作業(yè)場所的狀態(tài)；同時，遠程控制系統(tǒng)軟件能夠自動調(diào)用視頻信號，利用斗輪堆取料機定位系統(tǒng)獲得設備的準確位置信息，通過高精度激光掃描設備對煤場進行三維成像、建模，并將所有現(xiàn)場信息采集至無人值守智能控制軟件；系統(tǒng)軟件接收操作員輸入信息，經(jīng)過分析計算優(yōu)化斗輪堆取料機作業(yè)任務，并將作業(yè)過程所需特征點實時傳送到斗輪堆取料機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)斗輪堆取料機自動堆垛、開層、換層、空場堆垛、補垛等堆取料全過程無人值守全自動作業(yè)，以及卸船機、斗輪機對燃煤卸、堆取料機的智能化操控。

3.3 應用成效

雷州發(fā)電公司通過在碼頭建立5G 通信基站及全自動監(jiān)視和操作配套設施，使卸船機實現(xiàn)四自由度高精度姿態(tài)定位，建立三維仿真系統(tǒng)，對實際生產(chǎn)狀態(tài)進行三維模擬，將原來手動控制模式更改優(yōu)化為任務單自動控制模式，對螺旋卸船機控制系統(tǒng)及安全系統(tǒng)進行整體升級，與控制室進行局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)了卸船機無人值守作業(yè)。

激光掃描儀使物料探測系統(tǒng)在氣象及環(huán)境狀況良好時，能進行非常準確的測量；結合雷達料位計，利用雷達長波，可穿透高粉塵、嚴重潮氣惡劣環(huán)境檢測到處于粉塵或霧幕后面的物料，實現(xiàn)船艙物料的三維成像與探測，準確獲取船艙內(nèi)散貨物料分布情況，提供動態(tài)實時的船艙內(nèi)料堆可視化狀態(tài)，實現(xiàn)螺旋卸船機自動取料，為螺旋卸船機的智能控制提供資源數(shù)據(jù)支持；同時，增加的安全檢測傳感器，能夠防止碰撞，實現(xiàn)了螺旋卸船機的安全作業(yè)。

該卸船機、斗輪機無人值守系統(tǒng)在確保穩(wěn)定運行基礎上，還保留了原有傳統(tǒng)堆、取料功能以及輸煤程控系統(tǒng)正常運行能力，斗輪機司機室現(xiàn)場保留了人工操作的功能，以防5G 無人值守系統(tǒng)出現(xiàn)異常時相關設備能及時轉為人工操作，以確保電廠燃料供應安全。

4 安全維護建議

(1) 保障通信網(wǎng)絡安全。5G技術應用于卸船機、斗輪機等火電廠設備，其基礎是5G 通信網(wǎng)絡，因此首先要滿足5G 移動通信網(wǎng)的安全需求、新技術驅(qū)動的安全需求以及垂直行業(yè)驅(qū)動的安全需求。

(2) 防止軟件設計漏洞。5G 技術的應用使得終端的定義不再局限于傳統(tǒng)的手持終端，而是涵蓋了數(shù)量更為龐大、種類更為豐富的IOT 物聯(lián)網(wǎng)終端。若終端芯片設計上存在的漏洞或硬件體系安全防護不足，終端身份可能被盜用，數(shù)據(jù)被竊取、篡改，卸船機、斗輪機終端用戶的無人值守程序?qū)⒉荒苷２僮鳎荒軐崿F(xiàn)自動卸煤和上煤。因此，需要從軟件設計角度考慮操作系統(tǒng)運行的各類應用安全，防止攻擊者通過對軟件系統(tǒng)發(fā)起注入攻擊、釣魚攻擊等以達到其控制和更改終端軟件目的。

(3) 抓牢安全測試和權限管理?？刂破魇蔷W(wǎng)絡調(diào)度的中心，當其發(fā)出錯誤指令或發(fā)生故障時，就會使整個網(wǎng)絡或操作系統(tǒng)癱瘓，因此安全可靠的控制器對于網(wǎng)絡或操控系統(tǒng)至關重要?？刂破骱偷讓咏粨Q設備之間的通道要防止受到人為攻擊或破壞，需要對控制器上運行的應用軟件進行安全測試，以防被植入惡意代碼。與此同時，要抓牢應用隔離和權限管理，限制應用對底層資源的訪問權限，防止負責數(shù)據(jù)轉發(fā)的底層交換設備遭受各種攻擊，比如防止有人用虛假流信息填滿流表、修改交換機對數(shù)據(jù)包的操作等入侵交換機，除定期進行防攻擊性檢測防護外，還可通過流控、擁塞丟包和超時調(diào)整等方式抵御外部攻擊。

(4) 做好設備安全維護。要對卸船機、斗輪機等應用5G 實現(xiàn)無人值守的自動控制系統(tǒng)做好日常安全檢查和維護。要保證三維激光掃描儀、雷達料位計等檢測設施安全可用，確保檢測信息準確、可靠，并能夠安全可靠地將現(xiàn)場信息傳遞給自動控制處理中心；平日要清除電纜周圍煤粉，以防發(fā)生自燃燒毀電纜；要加強對探頭、觸碰開關等部件的日常檢查和定期保養(yǎng)，以防部件失靈導致卸船機、斗輪機自動控制發(fā)生故障。

(5) 建立多級防護機制。5G 技術在卸船機、斗輪機等火電廠設備上的應用目前尚在研究、試用、經(jīng)驗積累的摸索階段，使用過程中可能會出現(xiàn)各種問題，需要加強系統(tǒng)的完好性檢查和維護，提高其使用中的安全性、可靠性；同時要建立必要的多級安全協(xié)同防護機制，做好應急狀況缺陷處理，并對5G 應用存在的安全風險和可能出現(xiàn)的安全問題制定相應的安全防護措施，以確保5G 應用自動控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。