CN108919761B - 一种基于gpu运算的数字化煤场智能控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方案，包括总控制系统、实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统，其特征在于，所述的总控制系统位于总控室，由并联计算机群组构成，借助GPU图形处理器进行大数据运算；所述的实时盘点监测系统通过激光扫描获取煤堆的4D数据，传输到总控制系统，进行煤堆参数识别判断，然后模拟生成动态可视的4D模型；所述的斗轮机智能作业系统通过智能芯片读取装置来进行煤堆的质量、温度、湿度、热量、含杂量以及斗轮机的位置等数据的采集和传输；所述的配煤掺烧专家决策系统根据煤场当前存煤情况，进行掺配方案计算，形成成本优化配比排序表；所述的燃料进耗存管理系统通过SQL Server数据库进行存储与编码，并将计算量输出给总控制系统进行调配；所述的在线检测防范系统包括环境在线检测模块、防爆模块、防自燃模块。本发明利用系统集成和异构数据融合技术，实现了关系数据、实时数据和空间数据的融合共享。

Description

一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，特别地，涉及一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法及系统化的工控设计思路。

背景技术

煤炭作为燃煤电厂的粮食，为机组正常运行提供着源源不断的动力，其耗煤成本占总发电成本的70%～80%。燃料管理是对入库煤炭的进、耗、存、量和质进行全过程把关和控制，做好燃料管理工作，能降低燃料消耗成本和提高企业经济效益。煤场管理作为燃料管理的重要环节，对其进行科学和规范的管理，能有效保证电厂燃煤的正常供应，确保机组正常运行，同时减少煤炭储存时的损耗。

目前，在煤场管理中，燃煤由输煤程控调度进入煤场前，需记录其基本信息，包括批次号、煤量和煤质等基本信息。燃煤由堆取料机存入煤场指定位置，然后根据锅炉掺烧的要求，存放一定时间后，由堆取料机取料运输至煤仓，并人工计算煤场库存量变化，月底使用盘煤仪进行煤炭存量盘点。煤炭防治自燃主要以治理为主，以上环节缺乏顺畅的信息传递和共享平台，且管理方式粗放，容易导致部分燃煤发热量降低、基础数据统计不及时、缺少配煤掺烧取煤条件和煤场易自燃等问题。

煤场传统的作业方式依靠人力操作和经验判断来操作，近年来采用数字化煤场系统，数字化煤场系统参与的管理环节有入场、煤场、盘点、掺配、上仓、报表。专利CN202102307U公开了一种三波段煤场智能管理系统，提供了智能化的管理系统，但只对煤场智能化仪器系统集成，未涉及到存煤的周转、库存和预防自燃等；专利CN102541036A公开了一种火电厂燃煤智能调度系统，介绍了对燃煤进行智能化调度方法，但未设计到煤场管理的具体方式和方法；专利CN103455901A公开了一种燃煤电厂煤场精细化管理系统及其控制方法，包括煤炭数据库管理模块、实时库存管理模块、煤炭存取管理模块和热损评估及控制模块，控制方法包括基于VC++和OpenGL平台完成煤堆的三维重建和通过计算机客户端向煤炭数据库管理模块录入信息，但这种方法还可以进一步改进，使得煤场管理更加信息化、智能化和精细化。

数字化煤场的物料的执行机构主要是料场的斗轮机和皮带输送机，传统的控制方法是在室内控制中心进行集中控制，通过无线控制模块传递信号（斗轮机的行走速度、斗轮转速、斗轮机皮带的转速等）传递给斗轮机，斗轮机的定位使依靠GPS进行定位控制。控制信息的传递主要依靠无线通讯模块，无线通讯模块存在以下缺点：1）使用和维修成本高；2）无线通讯稳定可靠性差，容易受到外界其它信号的干扰；3）无线电对人的健康造成不利影响。

为此，我们有必要在现有技术的基础上，进一步改进控制方案，提供一种信息化、智能化、系统化更高的数字化煤场智能控制方法，能够实现实时监测煤炭库存、准确高效传达信息、降低煤炭热量损失、有效预防自燃爆炸、便于实现锅炉配煤掺烧等目的，从而科学化、高效化、精细化实现煤场管理。

发明内容

本发明提供了一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法及系统化的工控设计思路，以解决以上的问题，能够实现煤场的科学化、高效化、精细化、智能化管理。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，包括总控制系统、实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统。

所述的总控制系统位于总控室，由一群独立运行的并联计算机群组构成，其借助GPU图形处理器，能够进行快速、复杂、多样的大数据运算。通过采集煤堆的表面4D数据和质量、温度、湿度、热量、含杂量等数据，进行GPU渲染、编排、分割、重混、筛分、再次采样，得出精确度和运算效率非常高的结果，交叉反馈给实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统，从而实现高效、精确、智能的煤场控制。

所述的实时盘点监测系统包括全自动激光扫描仪、RFID射频识别装置和布控在料场不同拐角点和辐射区域的360º可旋转的网络摄像头。通过全自动激光扫描仪和RFID射频识别装置，能够将料场煤堆的表面体征，包括占地面积、堆高、体积、堆量等进行激光扫描，获取4D数据，传输到总控制系统，进行煤堆参数识别判断，然后模拟生成动态可视的煤堆4D模型。实时盘点监测系统可以设置为定时触发，每隔5分钟左右进行一轮盘点，做到无盲区全覆盖的在线监测，使之不受煤堆高度影响和不受轨道限位影响。

所述的斗轮机智能作业系统包括斗轮机控制系统、斗轮机堆取料行为系统和斗轮机定位系统，一改传统的无线控制模块传递信号的做法，通过智能芯片读取装置来进行煤堆的质量、温度、湿度、热量、含杂量以及斗轮机的位置等数据的采集和传输。智能芯片读取装置包括可擦写芯片和芯片读取器，一部分安装堆取料行为系统，可以识别煤堆的品质；还有一部分安装在斗轮机定位系统，可以识别斗轮机的相对位置。

所述的斗轮机控制系统连接总控制系统，可以通过智能边界识别和料堆上斗轮齿痕迹分析进行斗轮机各部件的运行和行为。在实现“4D数据提取边界识别”基础上增加了“模糊智能控制算法”实现料垛边界智能识别，减少空转降低能耗；在作业过程中斗轮机能自动识别出料垛边界位置，并在到达边界后自动寸动，并做反向回转取料动作。

所述的斗轮机堆取料行为系统的智能芯片读取装置，安装在斗轮机的前臂架及斗轮机构可接触物料的一端，芯片读取器还集成了X射线探测器、温度传感器、湿度感应器等，可自动识别煤的品质、成分及其含量。

所述的斗轮机定位系统的智能芯片读取装置，包括放置于斗轮机行走轨道边上对应位置物料的参数的可擦写芯片和固定在斗轮机行走部分上的芯片读取器。

进一步地，在同一物料区域的两个起始端设置两个可擦写芯片来确定斗轮机所处的位置。当芯片读取器读取位置W2的时候，若斗轮机往右行走，则斗轮机可挖取得煤为B品质的煤；当芯片读取器读取位置W2的时候，若斗轮机往左行走，则斗轮机可挖取得煤为A品质的煤。

进一步地，斗轮机行走部分上的芯片读取器和斗轮机行走轨道边上对应位置物料的参数的可擦写芯片之间的距离为10mm-20mm，芯片读取器读取距离为0~15mm。

进一步地，智能芯片读取装置可识别的物料参数还包括批次号、煤种、来煤日期、供应商和煤价等。

所述的配煤掺烧专家决策系统可以实现三级层递化方案，根据煤场当前存煤情况，在保证锅炉稳定燃烧的前提下，进行成本最优、环保最佳的掺配方案计算，形成成本优化配比排序表。用户也可以手工调整原始配方或执行调整后得到的各煤种的掺配参数，重新进行计算与比较，得到实用掺配方案。

进一步地，三级层递化方案包含机组在各种典型负荷下的掺配煤种、配煤比例、约束条件、配比要求、适用情况等。第一级配煤：根据调度计划提出合理煤质范围，通过历史数据挖掘，确定典型负荷下的煤质结构，并指导采购。第二级配煤：结合当天负荷、结合煤场存量，得出经济、环保、综合效应最优的约束路径。第三极掺烧：设置锅炉设计值与校核值，根据不同煤种在炉内的相互影响（锅炉型号、燃烧原则、火焰支撑原则等），进行分磨掺烧。

所述的燃料进耗存管理系统是通过SQL Server数据库进行存储与编码，并将计算量输出给总控制系统进行调配。

所述的在线检测防范系统包括环境在线检测模块、防爆模块、防自燃模块。

本发明创新性地研制了一种煤场智能一体化操控系统：利用系统集成和异构数据融合技术，首次将单机选择、任务指令、4D图像、自动作业、报警监测、设备监测、料垛扫描等功能，统一到开放的智能一体化操控系统，实现了关系数据、实时数据和空间数据的融合共享。

本发明能够实现燃煤生命周期全过程管理，以煤场信息实时掌握为目标，通过定位技术、无线射频技术、数据叠加等技术从斗轮机、皮带秤、原煤仓等设备直接或间接实时采集数据，同时嵌入实时煤场视频监控画面，煤场管理人员、输煤运行人员、发电运行人员能够及时掌握煤场的动态存贮情况，为配煤掺烧提供准确及时的现场燃煤信息，锅炉燃烧人员能够提前掌握目前锅炉原煤仓中的煤量、煤质，以便于及时根据机组负荷以及锅炉燃烧情况提前调整燃烧方式，从而实现燃煤从采购到入炉全过程的数据采集、存储、分析及报表输出，并辅助监管煤场安全生产相关设备数据，保障煤场安全作业。

本发明具有以下有益效果：

（1）实时盘点监测系统将工作人员从繁重的盘点工作中解脱出来，更加轻松高效，同时解决了燃料进耗存中存量盘点不及时、严重依赖大型堆取料机的局面；为堆取料设备精确定位、全自动无人操作、配煤掺烧提供可靠的实时数据支撑。

（2）斗轮机智能作业系统可以全方位实时监控，完全避免碰撞和误判，确保人员安全，免受有害气体环境和粉尘环境，既缩短作业时间，提高工作效率，又做到节能降耗，减少设备空转，精确、平稳取煤。

（3）配煤掺烧专家决策系统和燃料进耗存管理系统通过燃烧评估与不断寻优，能对烟气含氧量、烟道温度、结焦情况、对磨煤机的出力影响等进行综合分析，做到效率最优化。

（4）在线检测防范系统通过网络拓扑，合理规划并搭建网络，满足生产作业操控，系统数据交互，信息交换等需求，有效避免了网络堵塞及网络风暴等风险，保障了系统、稳定、可靠和安全。

（5）总控制系统通过与斗轮机等煤场作业设备相连，可以大大降低设备的成本，提高设备的可靠性；在定位及物料参数识别设置在智能芯片读取装置里，可以方便斗轮机位置识别及物料的参数识别，控制信息的传递快捷、传递路径短，安全可靠。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的数字化煤场控制方案示意图。

图2是本发明的斗轮机智能作业系统布置图。

附图标号说明：

1、斗轮机；11、前臂架及斗轮机构；12、行走轨道；2、煤堆；3、智能芯片读取装置；31、可擦写芯片；32、芯片读取器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

一种数字化煤场智能控制方法，包括总控制系统、实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统。

总控制系统位于总控室，由一群独立运行的并联计算机群组构成，其借助GPU图形处理器，能够进行快速、复杂、多样的大数据运算。通过采集煤堆的表面4D数据和质量、温度、湿度、热量、含杂量等数据，进行GPU渲染、编排、分割、重混、筛分、再次采样，得出精确度和运算效率非常高的结果，交叉反馈给实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统，从而实现高效、精确、智能的煤场控制。

实时盘点监测系统包括全自动激光扫描仪、RFID射频识别装置和布控在料场不同拐角点和辐射区域的360º可旋转的网络摄像头。通过全自动激光扫描仪和RFID射频识别装置，能够将料场煤堆的表面体征，包括占地面积、堆高、体积、堆量等进行激光扫描，获取4D数据，传输到总控制系统，进行煤堆参数识别判断，然后模拟生成动态可视的煤堆4D模型。实时盘点监测系统可以设置为定时触发，每隔2-5分钟进行一轮盘点。

斗轮机智能作业系统包括斗轮机控制系统、斗轮机堆取料行为系统和斗轮机定位系统，通过智能芯片读取装置（3）来进行煤堆（2）的质量、温度、湿度、热量、含杂量以及斗轮机（1）的位置等数据的采集和传输。斗轮机堆取料行为系统安装有智能芯片读取装置，用来识别煤堆（2）的品质；斗轮机定位系统安装有智能芯片读取装置，用来识别斗轮机（1）的相对位置。其中，智能芯片读取装置（3）包括可擦写芯片（31）和芯片读取器。

斗轮机控制系统连接总控制系统，可以通过智能边界识别和料堆上斗轮齿痕迹分析进行斗轮机（1）各部件的运行和行为。斗轮机堆取料行为系统的智能芯片读取装置（3），安装在斗轮机的前臂架及斗轮机构（11）可接触物料的一端，芯片读取器（32）还集成了X射线探测器、温度传感器、湿度感应器等，可自动识别煤堆（2）的品质、成分及其含量。

斗轮机定位系统的智能芯片读取装置（3），包括放置于斗轮机行走轨道（12）边上对应位置物料的参数的可擦写芯片（31）和固定在斗轮机行走部分上的芯片读取器（32）。

在同一物料区域的两个起始端设置两个可擦写芯片（31）来确定斗轮机（1）所处的位置。当芯片读取器（32）读取位置W2的时候，若斗轮机（1）往右行走，则斗轮机可挖取得煤为B品质的煤；当芯片读取器（32）读取位置W2的时候，若斗轮机（1）往左行走，则斗轮机可挖取得煤为A品质的煤。

斗轮机行走部分上的芯片读取器（32）和斗轮机行走轨道（12）边上对应位置物料的参数的可擦写芯片（31）之间的距离为10mm-20mm，芯片读取器读取距离为0~15mm。

智能芯片读取装置（3）可识别的物料参数还包括批次号、煤种、来煤日期、供应商和煤价等。

配煤掺烧专家决策系统采用总控制系统自动调控或手工调整原始配方及掺配参数，得出实用掺配方案，包括如下三级层递化方案：（1）第一级配煤：根据调度计划提出合理煤质范围，通过历史数据挖掘，确定典型负荷下的煤质结构，并指导采购；（2）第二级配煤：结合当天负荷、结合煤场存量，得出经济、环保、综合效应最优的约束路径；（3）第三极掺烧：设置锅炉设计值与校核值，根据不同煤种在炉内的相互影响，进行分磨掺烧。

燃料进耗存管理系统是通过SQL Server数据库进行存储与编码，并将计算量输出给总控制系统进行调配。

在线检测防范系统包括环境在线检测模块、防爆模块、防自燃模块。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，包括总控制系统、实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统，其特征在于，所述的总控制系统位于总控室，由并联计算机群组构成，借助GPU图形处理器进行大数据运算，通过采集煤堆的表面4D数据和质量、温度、湿度、热量、含杂量的数据，进行GPU渲染、编排、分割、重混、筛分、再次采样，得出高精确度结果，交叉反馈给实时盘点监测系统、斗轮机智能作业系统、配煤掺烧专家决策系统、燃料进耗存管理系统和在线检测防范系统，实现智能化煤场控制；所述的实时盘点监测系统通过激光扫描获取煤堆的4D数据，传输到总控制系统，进行煤堆参数识别判断，然后模拟生成动态可视的4D模型；所述的斗轮机智能作业系统包括斗轮机控制系统、斗轮机堆取料行为系统和斗轮机定位系统，通过智能芯片读取装置来采集和传输煤堆的质量、温度、湿度、热量、含杂量以及斗轮机位置的数据；所述的斗轮机控制系统在实现“4D数据提取边界识别”基础上增加“模糊智能控制算法”实现料垛边界智能识别，在作业过程中斗轮机能自动识别出料垛边界位置，并在到达边界后自动寸动，并做反向回转取料动作；所述的配煤掺烧专家决策系统根据煤场当前存煤情况，进行掺配方案计算，形成成本优化配比排序表；所述的燃料进耗存管理系统通过SQL Server数据库进行存储与编码，并将计算量输出给总控制系统进行调配；所述的在线检测防范系统包括环境在线检测模块、防爆模块、防自燃模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的实时盘点监测系统包括全自动激光扫描仪、RFID射频识别装置和布控在料场不同拐角点和辐射区域的360º可旋转的网络摄像头，能识别料场煤堆的表面体征，进行煤堆参数识别判断。

3.根据权利要求2所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的实时盘点监测系统设置为定时触发，每隔2-5分钟进行一轮盘点。

4.根据权利要求1所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的斗轮机控制系统连接总控制系统，通过智能边界识别和料堆上斗轮齿痕迹分析进行斗轮机各部件的运行和行为；所述的斗轮机堆取料行为系统安装有智能芯片读取装置，用来识别煤堆的品质；所述的斗轮机定位系统安装有智能芯片读取装置，用来识别斗轮机的相对位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的斗轮机堆取料行为系统的智能芯片读取装置，安装在斗轮机的前臂架及斗轮机构可接触物料的一端，芯片读取器还集成有X射线探测器、温度传感器、湿度感应器，能自动识别煤的品质、成分及其含量。

6.根据权利要求4所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的斗轮机定位系统的智能芯片读取装置，包括放置于斗轮机行走轨道边上对应位置物料的参数的可擦写芯片和固定在斗轮机行走部分上的芯片读取器。

7.根据权利要求6所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的斗轮机定位系统，在同一物料区域的两个起始端设置两个可擦写芯片来确定斗轮机所处的位置，轮机行走部分上的芯片读取器和斗轮机行走轨道边上对应位置物料的参数的可擦写芯片之间的距离为10mm-20mm，芯片读取器读取距离为0~15mm。

8.根据权利要求4所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的斗轮机堆取料行为系统安装的智能芯片读取装置可识别的物料参数，还包括批次号、煤种、来煤日期、供应商和煤价。

9.根据权利要求1所述的一种基于GPU运算的数字化煤场智能控制方法，其特征在于，所述的配煤掺烧专家决策系统采用总控制系统自动调控或手工调整原始配方及掺配参数，得出实用掺配方案，包括如下三级层递化方案：

（1）第一级配煤：根据调度计划提出合理煤质范围，通过历史数据挖掘，确定典型负荷下的煤质结构，并指导采购；

（2）第二级配煤：结合当天负荷、结合煤场存量，得出经济、环保、综合效应最优的约束路径；

（3）第三极掺烧：设置锅炉设计值与校核值，根据不同煤种在炉内的相互影响，进行分磨掺烧。

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