2025数字孪生5G智慧化煤场管理系统

数字孪生5G智慧化煤场管理系统目录TOC\o"1-3"\h\u31361一、项目概述 318236（一）企业简介 33366（二）项目背景 316649（三）项目建设情况 413992二、应用场景及建设方案 431590（一）场景描述 428688（二）技术架构 5282441.项目主要功能 6122732.项目实施效果 7593（三）建设方案 782501.数字孪生管控中台 7141592.斗轮机无人值守系统 9204373.数据分析决策平台 167268三、项目效果 179733（一）项目效益 1826153（二）鉴定评价（如有） 1819930（三）推广前景 188414四、下一步计划 19169594．建模平台需要大量初始建模工作，需要现场多次调研设计。 19一、项目概述（一）企业简介XXXX热电有限责任公司负责供热2100余万平方米。热力、电力生产与销售；主要经营电力设备设施检修、安装、调试、运行维护；电力工程和技术研究与试验；电力技术研发、咨询、服务；计算机应用软件开发、销售；粉煤灰、石膏、灰渣销售；污水处理及再生利用；通讯设备销售。（二）项目背景当前煤场管理过程中，斗轮取料机采用就地控制，斗轮取料机司机与输煤主职分在两地，沟通不便，在取煤过程中会出现较大偏差，即使配煤掺烧可以准确计算，取煤的不准确也导致最终不能达到预期效果。基于5G网络和实时建模的数字孪生技术完全可以达到对煤场的精细化管理，结合对斗轮取料机改造实现精确记录存取煤堆位置和数量、精确定位煤堆取料，实现最大程度的降低煤耗。另外此项目中核心硬件使用国产设备，系统自主研发，基于5G专网以保证时延和数据安全，数据存储和处理基于专业工业级数据平台。项目建成后便可以减少人工，提高堆取煤的准确性，精细化配煤掺烧，最大限度的降低供电煤耗，提升工作效率。（三）项目建设情况XXXX热电有限责任公司目前与辽宁工业大学共同建设基于数字孪生技术的5G智慧化煤场管理系统，投资预计160余万元，项目建设周期为2023年1月至2023年10月，拟实现煤场智慧化及斗轮机无人驾驶。目前已经完成斗轮机远程控制方案设计，厂区3D建模等工作，结合机组检修情况，开展斗轮机改造工作。后附项目实施进度表。二、应用场景及建设方案（一）场景描述该项目利用5G传输技术，检测煤场变化，形成煤场三维数字模型，结合斗轮机的多维度识址定位功能，融合边缘计算技术，实现自动取煤控制，在数字孪生平台融合斗轮机自动控制系统。斗轮机远程精确控制的实现，能有效提升火力发电厂的自动化水平。通过对料垛位置、瞬时流量、斗轮机位置及状态等信息进行智能分析和计算，实现斗轮机远程一键式定位及作业启停控制，全过程无人干预，实现系统一体化管理，精细化配煤参烧管理，远程控制堆取煤，最大限度降低供电煤耗。（二）技术架构项目对煤场实现综合建模和实时数据采集分析建模结合，形成结合生产控制、数据控制的双向交互平台，其核心内容为：物理建模:构建3D仿真技术，利用多引擎快速构建，高分辨率3D图像，通过建模技术、立体合成技术、交互技术模拟现实中的虚拟环境;融合三维地理空间，建立丰富的模型组件，多引擎快速构建，海量数据接入，集成三维地理信息及三维空间统计，基于实体高效建模，一体化管理，高性能空间分析和可视化等关键技术;快速搭建，多元数据集成，数据实时响应，集成多数据源接入、自动化数据萃取、与工业物联数据交互、控制数据实时反馈生产环境等。融合5G网络的工业边云计算:无线网络建设方面，5G因其高速率、低时延、海量连接等特性能够为工业互联网提供网络基础；工业数据采集方面，对实时性有着严格要求的工业环境，边缘计算是工业物联网实施的一个首要条件;边云应用方面，工业环境将核心应用云前置,降低数据中心负载。数据处理中台:建立数据汇聚整合、数据提纯加工、数据服务可视化、数据价值变现的数据处理中台,目标是让企业的数据用起来。开放数据标准和服务:建立数据接入和发布标准,提供行业数据分析决策平台和行业服务标准,实现多产业多平台数据接入与分析。1.项目主要功能1.1精准定位：通过工业级北斗RTK定位技术（仅限于露天料场）或高精度编码定位+非接触式回转/俯仰角度检测装置（适合于所有料场）配合自主研发基于RFID技术的地址码位置校准装置，定位系统冗余配置，实现斗轮机大车、悬臂俯仰/回转角度实时检测，精度达到厘米级。1.2智能控制：系统对料垛位置、瞬时流量、斗轮机位置及状态等信息进行智能分析和计算，实现斗轮机远程一键式定位及作业启停控制，全过程无人干预。实现精准的恒流量取料精确控制，支持多台斗轮机按照设定比例混配作业。1.3安全防护：通过轨道行人和障碍物检测、作业空间限制设定、料流高温检测、激光测距、智能图像识别、高清视频监控等技术，实现极限、防撞、跨场、料温等斗轮机运行安全检测和保护。高清图像：采用多点工业级高清数字网络摄像机，全方位监视斗轮机运行状态及料场环境情况。4.4智能料场管理：基于精确定位及料场智能管理平台，建立数字化料场基本信息。由斗轮机根据不同混配作业计划的流量设定，基于精准的斗轮机恒流量取料技术值进行恒流量取料作业，实现精确混配运行。1.5数字孪生：通过对运行数据进行连续采集和智能分析建模，实现3D交互实时控制，对整厂斗轮机进行远程集中式全自动控制，单人可以同时操作多台斗轮机功能，实现减员增效的目的。1.6数据预测分析：根据历史运行数据建模分析可以预测运行方案、维护工作的最佳时间点，也可以提供维护周期的参考依据。2.项目实施效果降低输料单耗：恒流取料大幅提高取料效率，降低整个输料系统单耗至少20%。降低维护成本：转动部件、托辊、皮带等运行减少时间，降低设备和人工维护费用至少20%。减少人工成本：实现多台斗轮机远程集中式控制，减少斗轮机司机配置，降低人工成本。提高安全性：系统在原有基础上增加了多重保护，包括极限位、跨场、行走、拖链、防撞、坍塌、过载、惯性冲击、皮带、人员、料温等检测和保护。提高可靠性：定位、保护设备及系统通讯网络均为冗余配置，智能诊断，自修复，免维护，安全可靠。提高环保性：堆料过程中自动调节悬臂高度，减少扬尘；取料流量恒定，减少皮带撒料。配套料场全封闭改造：料场全封闭改造后，智能斗轮机控制系统改造将成为保障输料系统安全可靠高效运行及运行人员职业健康的迫切需求。（三）建设方案1.数字孪生管控中台1.1系统概述项目从“智慧管理”“智慧服务”维度，打破传统的信息孤岛，打造煤场管理综合平台，展示煤场设备、煤堆和环境监测等各类实时信息，实现宏观尽在掌握，微观逐层缩放的可视化呈现。基于数字孪生的三维技术为基础，将人工智能、智能工业物联网(AIOT)、大数据分析等新一代信息技术进行整合，通过可视化的管理方式，实时、动态、直观的对园区内建筑设备从宏观到微观进行全方位管理。通过5G＋边云协同的AIOT智能工业物联网络，基于现有工业物联平台和工业采集平台，建立基于边缘计算的采集系统，建立基于5G网络的通讯网络;通过自研的数字孪生加工引擎完成数字孪生实例的加工，并提供灵活丰富的数字孪生消费服务API，从而能够快速灵活支撑各类数字孪生应用，避免重复建设、烟囱式建设，缩短应用交付周期，提高应用交付质量，加速组织级数字应用的创新速度，降低数字化转型成本。告警信息统一，快速定位故障:将分散在各管理系统的监控数据进行整合，形成统一的告警事件台，基于告警台查看园区所有告警，并支持基于三维化设备进行监控数据的实时呈现，包括设备工况信息、性能信息及告警信息，对不同来源的告警事件进行集中管理，根据园区管理需求制定合理的处理规则及通知策略，根据告警设备、告警位置、告警事件等进行告警的智能化分析，辅助快速故障定位和排查。图3.全景平台建模草图1.2具体功能1.2.1数据采集：构建基于5G核心网络的数据采集平台，支持工业物联网网关、MQTT等主流数据传输方案，实时采集现场包括数据量、开关量、视频数据等。1.2.2数据接入标准平台：构建基于异构数据的统一接口平台，向前兼容已有数据，向后兼容未来数据，保证系统运行数据统一，扩展其他系统接入兼容，保证系统数据接入其他系统稳定。1.2.3数据存储平台：定义存储结构，采用集成关系型数据库系统结合KV数据库系统结构，核心数据采用时序数据存储，保证数据查询高效稳定，降低系统冗余和数据耦合，提升系统性能。1.2.4数据建模与全景平台：定义轻代码平台，实现高效建模工具和物理实景建模，通过接入平台数据连接物理世界，通过数字世界建模交互物理世界，实现数据双向检测和控制。2.斗轮机无人值守系统2.1网络结构1）在堆取料设备现有PLC控制的基础上，增加相应核心PLC控制器、交换机、各种网络接口网关、信号处理计算机等设备。现场各检测、扫描等装置通过工业总线、工业以太网等协议将信号传送至全自动作业系统控制柜内各相应的系统接口，系统完成所有现场信号的处理后，再由核心PLC控制器完成全自动逻辑、动作顺序、恒流量取料等控制。堆取料设备全自动作业系统的动作指令均由全自动作业系统控制柜内的PLC计算得出，堆取料设备自带PLC接受动作指令后完成实际的控制指令执行，从而实现堆取料设备的全自动控制。2）输煤集控室通过无线+光纤连接方式与现场堆取料设备全自动作业系统PLC通信，设置操作员站和工程师站实现堆取料机的监控功能。3）在输煤集控室设备间中配置管控交换机和双向隔离器，管控中心监控平台通过双路光纤连接方式与堆取料设备全自动作业系统进行数据通讯；采集堆取料设备各相关部位安装的检测、扫描、定位、校准、安全保护、高清视频监视等装置数据，并对这些数据进行集中处理、存储，形成最终煤场全套监控数据；通过数字煤场监控大屏，煤场操作员站及后台服务器共同组成，实现堆取料自动作业方案的下达、煤场信息、堆取料机作业状态的集中监控功能。图4.软硬件结构2.2堆取料设备空间定位系统堆取料设备在工作过程中相对煤场的行走位置、大臂旋转角度、大臂俯仰角度，这三个动作的数据准确性是堆取料设备全自动作业的关键因素，因此为实现堆取料设备定位的准确性，本工程采取编码器定位方式，同时增加RFID定位校准装置。2.2.1堆取料设备行程定位系统堆取料设备的行程定位采用绝对值编码器，安装在堆取料设备的辅动轮上，可以避免行程轮出现打滑现象时，主动轮由于动力原因继续旋转造成的误差。同时增加RFID定位校准装置，进行数据校正。首先要在煤场的一端标定编码器的参考零点，堆取料设备行走过程中，通过采集终端获取编码器的当前数据，通过与参考零点的数据比较，计算出堆取料设备当前位置。在堆取料设备行走轨道上每隔20米安装一个RFID电子标签，并进行位置编码，在堆取料设备上安装识别装置，堆取料机行走过程中，读取RFID编码信息，获取当前堆取料设备绝对位置，与编码器计算出的位置信息相比较，并进行修正。2.2.2堆取料设备悬臂回转定位系统在堆取料设备悬臂回转位置合适位置安装绝对值编码器对悬臂回转角度进行检测，同时增加RFID定位校准装置，进行数据校正。2.2.3堆取料设备悬臂俯仰系统在堆取料设备悬臂俯仰系统合适位置安装绝对值编码器对悬臂俯仰角度进行检测，同时增加倾角仪定位校准装置，进行数据校正。2.3堆取料设备作业面扫描系统在堆取料设备悬臂头部斗轮两侧安装2套激光扫描仪装置，在堆取料自动作业时对料剁进行实时激光轮廓扫描，提供堆取料设备全自动作业的轮廓数据。在堆取料设备悬臂头部安装1套高频雷达对作业面实时进行料位高度检测。在堆取料设备悬臂头部两侧安装2套高频雷达对作业面进行实时边界识别检测功能。2.4煤流检测及恒流控制系统煤流检测及恒流控制系统采用激光扫描仪及控制系统实现，通过扫描皮带横切面，获取皮带实时体积流量，作为堆取料控制调节参数，同时在堆取料设备前置皮带上设置皮带秤，用于堆激光扫描仪的校正。全自动作业系统根据接收到的体积流量及实测评估的密度数据计算出当前取煤流量，通过与设定的取料流量对比来控制斗论的旋转速度确保取料流量的均匀稳定。2.5堆取料设备安全防护系统2.5.1软件安全防护软件安全防护通过采用PLC软件计算，设计防碰撞距离计算程序，实时采集堆取料机大机的走行、活动梁上下移动、轮斗沿活动梁左右移动数据，实时计算轨道和料堆，取料机与取料机的活动梁及行走轮之间距离，人为设定参数15米一级报警阀值，10米二级报警阀值，实现防碰撞自动报警。2.5.2硬件安全防护通过安装在堆取料设备前后的超声波雷达检测装置对堆取料设备行走中的前后异物实现前后行走保护。通过在堆取料设备悬臂前端安装激光扫描仪装置对悬臂两侧达到激光防碰撞效果。2.5.3安全急停在输煤控制室设置堆取料设备软紧急停止按钮。在开关柜上或就地设置及司机室操作台上设置硬接线紧急停止按钮。2.5.4异常作业设计通过监测斗轮驱动电机的电流大小，即可判断可能发生的闷斗，当电流值超过额定取料时候的电流值一段时间，即可判断堆取料机有可能会出现闷斗现象。此时控制大车后退，避免可能出现的闷斗现象。斗轮取料发生过载，会使得后续的皮带输送机都会出现过载、洒料等情况。斗轮驱动机构过载，也会缩短减速机寿命；斗轮经常出现过载，容易出现变形、焊缝开裂等现象。斗轮的取料厚度和斗论的转速取料流量。通过以下几种方式可以防止堆取料设备取料过载的发生：1）通过监测斗轮驱动电机的电流大小，可以判断斗轮是否发生过载，当斗轮发生过载时，通过降低斗轮的旋转速度，来减少斗轮的取料，防止斗轮取料的持续过载。2）利用堆取料设备皮带流量检测扫描仪，连续检测皮带上煤流量，当出现连续取料量大情况时，通过降低斗轮的旋转速度，来减少斗轮的取料，防止斗轮取料的持续过载。2.6通信传输系统本系统中通信部分采用无光纤的方式实现，在堆取料机上分别安装三套无线发射装置,无线装置采用高容量带宽无线通讯网桥，在煤场一侧分别安装无线接收装置，从输煤控制室敷设一段单模光缆到无线接收装置。无线天线采用全向室外型天线，保证设备满足任何工况情况使用要求。输煤控制室设立模块化交换机，配置多个光口将煤场煤场堆取料机上的视频信号、PLC通信网络、其他数据信号接入堆取料机控制系统。现场网络交换机应采用工业级、金属外壳、机架式网络交换机，具有过载保护、反接保护等保护功能。系统建立堆取料机与远程集控平台之间的实时网络通讯检测，检测频率不小于1Hz，当检测到通讯故障时，堆取料机能够自动停止作业（停止行走、悬臂等各机构运行），并产生报警信号。2.7堆取料机作业视频监控系统对堆取料机关键部位进行视频监测，安装不少于9套视频摄像头带云台控制型球机，视频信息通过工业视频网络传输到集控室，方便操作员对现场作业场景进行实时的视频监视。采用数字IP网络视频技术，实现远程视频监控功能。监控点至少包含以下部位：尾车位置1套，观察中间皮带与地面皮带；横梁顶位置2套，观察料堆、活动梁及小车状况；司机操作室上方1套，观察堆取料机皮带；电缆卷盘位置1套，观察电缆卷盘；大车前进后退位置2套，观察大车轨道状况；活动梁下方2套，观察斗轮及料堆等。2.8堆取料设备原有控制系统改造本工程在现有的堆取料设备PLC控制系统基础上，增加PLC模块用于全自动作业，本次新增的PLC模块和软件，使用与现有PLC系统同一系列的模块和编程软件，PLC采用阶梯图语言编程；开关量模块为16点或32点24VDC模块，模拟量模块转换精度在12位以上。新增的PLC系统主机存储器容量、机架槽位数量除满足本项目系统的容量外，还需在此基础上留有20%以上的余量,I/O模块点数在满足本项目应用基础上预留20%以上的余量。存储器具有EPROM存储器和后备电池保护功能。PLC具有远程I/O能力和故障诊断功能。所有的PLCI/O模块、电源模块及其它功能模块均能带电插拔，所有模块插入机架都有锁定装置。2.9远程操作中心输煤程控室（堆取料机监控室）操作间内布置2组工位，每组工位包括2个邻接的操作台，操作台上放置2套工业控制计算机，（一台用于堆取料机自动作业控制系统、一台用于视频监控）。并配置1台服务器主机放置于服务器柜（布置在电子设备间）。3.数据分析决策平台3.1数据建模平台：利用工业互联网技术，将斗轮机、卸船机等输煤设备及其他系统数据接入系统平台，多维度获取和分析燃料运行过程人、机、料的关联数据，极大丰富燃料管理手段；利用智能配煤掺烧决策技术，实现来煤、堆煤、上煤（配煤）的智能调度管理；利用输煤系统的全自动智能控制，处理分析生产现场的感知数据，并在线智能执行智能上煤（配煤）、智能堆煤的调度指令；实时分析和监测煤仓内煤种分层，实时精准预测入炉燃烧煤种切换时间，实时辨识实际燃烧煤种及其煤质；实现各批次煤种在电厂流转过程中对煤量和煤质的实时跟踪和智能平衡分析，为智能配煤掺烧、堆煤、上煤、锅炉运行提供精确的煤量煤质信息，更为电厂燃煤采购、煤量煤质管理、燃煤成本管理、锅炉燃烧优化、锅炉运行参数追溯与诊断提供可靠的指导依据。基于智能电厂框架，通过最新感知、控制、信息和智能预测等多种技术的融合应用，将电厂输煤生产线现有自动化、数字化技术提升到工业智能化水平，提出了一条赋能智能生产的智能电厂升级改造技术路线。3.2数据分析决策系统：通过智能堆损预测、智能配煤掺烧、燃煤成本预测、燃烧污染物预测等，提高经济适烧煤种的周转率，优化经济适烧煤种的采购，降低燃煤堆场热值损失，最终有效降低电厂发电燃煤成本。通过自动化和智能化，包括数据全程在线、决策智能化、作业流程自动化、管理精细化，提高燃料运行和燃料管理的效率，节约人力成本和系统运行及维护成本；提高可靠性，保障机组运行安全性和环保性，保护运行人员健康。采购智能化，降低发电燃煤成本。系统通过对配煤掺烧方案分析、发电燃煤成本分析等，提供智能化的经济适烧煤种采购决策。通过智能配煤掺烧，平稳控制污染物生成浓度，减少碳排放和其它污染物排放，降低环保设备运行成本和超标风险。通过智能配煤预测和煤场智能调度，优化堆取煤路径，从而降低输煤电耗，降低输送运行成本。通过输煤系统智能化改造升级，提高输煤效率，减少设备运转时间，降低输煤电耗,减少设备维护费用，延长设备使用寿命，降低折旧成本