西安熱工研究院有限公司楊耘藝，杜金剛，陳建平，陳俊強，趙晉松

1　項目目標和概述

隨著我國能源結構不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電企業(yè)面臨深度調峰挑戰(zhàn)，燃煤成本占發(fā)電成本的60%-70%，成為關注焦點。當前燃煤業(yè)務分為“兩條業(yè)務線，三個管理閉環(huán)”，即生產線和經營線。生產線注重煤場管理和配煤摻燒，追求度電成本最低；經營線則關注燃煤供應業(yè)務，致力于提升運營效率、降低采購成本及增強風險防控。

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)主要用于燃煤火電廠的進耗存管理，一方面，落實廉潔風險防控，做到事前、事中和事后的可控在控，實現了自動歸批、自動采樣、樣品不落地、數據不落地、數據加密和入廠入爐混編等目標；另一方面，動態(tài)掌握場存煤的量、質、價及位置信息，為配煤摻燒和燃煤采購提供準確數據支撐；同時，將摻配業(yè)務處理流程納入系統(tǒng)管理，積累摻配摻燒數據，通過摻配評估不斷優(yōu)化摻配方案。

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)基于華能自主知識產權的工業(yè)互聯(lián)網平臺TCloud開發(fā)，實現了燃料設備的物聯(lián)網平臺搭建，做到了設備集中管理、數據收集與分析、設備遠程控制、保障設備數據安全等能力，擁有各類接入物聯(lián)網平臺的協(xié)議和SDK，對接入設備進行身份登記及訪問認證，設備物模型定義，設備屬性、事件和服務配置，提供了設備邊緣計算數據過濾和分析能力，使用消息通信發(fā)布數據到物聯(lián)網平臺供訂閱設備使用，使用組態(tài)圖對控制邏輯進行可視化編排，快速搭建系統(tǒng)框架和模型。

1.1　功能特點

通過信息化、邊緣計算手段為業(yè)務賦能，達到減員增效的效果，另一方面，落實廉潔風險防控技防措施，做到事前、事中和事后的可控在控。鐵路貨運單識別、基于翻車機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱量等環(huán)節(jié)通過邊緣計算技術實現自動歸批、自動采樣、樣品不落地、數據不落地、數據加密和入廠入爐混編等目標，同時，定義了近30類的廠側敏感事件，事件由廠側系統(tǒng)自動生成，需電廠相關管理崗位處理及審批，部分重要事件上傳集團，在集團燃料管控平臺形成統(tǒng)計和考核。

鐵路貨運單識別環(huán)節(jié)通過對接鐵路95306貨運系統(tǒng)，實現電子貨運單下載、導入、識別、人工審核提交，依據貨運單車型、車號、礦發(fā)量、發(fā)站、供應商、煤種等信息，結合入廠鐵路識別器實現空車數據過濾及信息匹配，自動生成鐵路預歸批數據。滿足翻車業(yè)務操作前煤批批次數據的生成管理。

基于翻車機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱量環(huán)節(jié)旨在提高物料翻卸稱量的過程的精度與效率，進一步實現自動化與智能化管理，優(yōu)化生產流程。該環(huán)節(jié)主要由翻車機、靜態(tài)衡、信號連鎖控制系統(tǒng)、數據采集與處理系統(tǒng)等組成。翻車機負責將物料翻卸到靜態(tài)衡上，靜態(tài)衡則對物料進行稱量，并將稱量數據傳送給數據采集與處理系統(tǒng)。信號連鎖控制系統(tǒng)則負責協(xié)調翻車機和靜態(tài)衡的動作，確保稱量過程的順利進行。

自動歸批：打通與公路、鐵路、下水煤調運系統(tǒng)的信息壁壘，可預先獲取來煤信息，根據歸批規(guī)則實現自動歸批。

自動采樣：依據歸批信息，生成符合國標/行標自動生成采樣方案，與采樣系統(tǒng)集成，執(zhí)導采樣機完成采樣作業(yè)，有效解決采樣代表性問題，體現風險防控效果，提升質檢公信力；同時通過采樣機的反饋，可以從采樣點水平隨機分布性和采樣深度等多方面，發(fā)現先采樣機的缺陷及可能存在的風險和漏洞。

樣品不落地：與煤樣自動封裝系統(tǒng)集成，煤樣從采樣機到制樣間，全程電磁鎖密封，排除取送樣過程人為風險，同時采樣碼寫入芯片由系統(tǒng)自動識別。

數據不落地：開發(fā)華能自主知識產權的汽車計量無人值守系統(tǒng)和軌道衡靜態(tài)衡無人值守系統(tǒng)，實現入廠煤排隊管理、自動驗票、自動重車、自動回皮和自動出票等功能；從表頭直接取數，實現計量數據不落地采集；落實礦發(fā)量與到廠量對比預警等功能，提醒值班人員對存疑車輛進行重點查驗，有效降低了入廠計量環(huán)節(jié)的潛在風險。

數據加密：由于軌道衡動態(tài)衡計量系統(tǒng)及化驗儀器設備暫不能做到從一次儀表直接取數，而是從廠家提供的本地數據庫進行數據抽取，為了確保數據真實防止篡改，使用數據加密技術，實現加密存解密校驗取。

入廠入爐混編：在采制化業(yè)務環(huán)節(jié)利用三級加密編碼，入廠入爐混編，編碼不做區(qū)分，樣品交接稱重復核對比，原煤樣單進單出，實現煤樣實物流轉過程中的信息屏蔽和風險防控。

智能設備方面：與全自動制樣機、智能存樣柜及全自動化驗等智能設備集成，實現燃煤驗票、計量、采樣、制樣、存樣、出廠環(huán)節(jié)的全自動化，無人值守，排除人為因素。

1.2　創(chuàng)新點

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)實現了與前端汽車衡、火車衡、煤質化驗設備的集成，保證燃料入廠計量、煤質化驗數據不落地；實現了與入廠煤、煤場、入爐煤皮帶秤，以及公司側燃料系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、燃料調運系統(tǒng)的集成；防范了入廠驗收煤量、采樣制樣煤質化驗數據人為修改的舞弊行為，實現燃料計劃、采購、調運、入廠、場存、耗用、結算、支付的全過程實時管理。

（1）邊緣計算賦能業(yè)務自動化與智能化

通過邊緣計算技術，在鐵路貨運單識別、翻車機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱量等關鍵業(yè)務環(huán)節(jié)實現自動歸批、自動采樣、樣品不落地、數據不落地等目標，顯著提升業(yè)務效率與精確度，同時減少人工干預，達到減員增效的效果。

（2）實時數據處理與風險防控

利用邊緣計算的實時數據處理能力，對敏感事件進行實時監(jiān)測與預警，確保事前、事中、事后的可控在控。通過定義近30類廠側敏感事件，并由廠側系統(tǒng)自動生成與上傳，實現了對業(yè)務流程的全面監(jiān)控與風險防控。

（3）信息壁壘打通與數據集成

邊緣計算技術打通了公路、鐵路、下水煤調運系統(tǒng)的信息壁壘，實現了多源數據的實時集成與處理。這不僅提高了數據的準確性與及時性，還為自動歸批、自動采樣等業(yè)務的實現提供了數據支持。

（4）數據加密與信息安全

在數據從采集到處理的整個流程中，邊緣計算技術結合數據加密技術，確保了數據的真實性與安全性，適用于軌道衡動態(tài)衡計量系統(tǒng)及化驗儀器設備等關鍵環(huán)節(jié)，有效防止了數據篡改與泄露。

（5）智能設備集成與無人值守：

邊緣計算技術與全自動制樣機、智能存樣柜及全自動化驗等智能設備集成，實現了燃煤驗票、計量、采樣、制樣、存樣、出廠環(huán)節(jié)的全自動化與無人值守。這不僅提高了業(yè)務效率，還進一步排除了人為因素帶來的風險。

2　案例介紹

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)物聯(lián)網平臺由軟件、硬件、服務構成，涵蓋設備接入、設備管理、數據解析、數據存儲、數據訪問、數據展示以及基礎業(yè)務系統(tǒng)多個維度的功能模塊，可根據行業(yè)特點，自適應調整系統(tǒng)配置，快速、經濟地幫助企業(yè)建立專屬聯(lián)網平臺，達成業(yè)務轉型中不同階段的物聯(lián)網化目標。

提供“云-邊-端”一體化工業(yè)互聯(lián)網平臺方案，基于智能邊緣計算采集器或物聯(lián)網關，快速建立設備到云端之間的連接，實現設備聯(lián)網、遠程監(jiān)控運維、可視化建模和數據分析等服務，支撐海量設備的數據采集、數據傳輸、存儲計算、運行監(jiān)控和故障預測等場景需求。

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)物聯(lián)網平臺架構如圖1所示。

圖1 燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)物聯(lián)網平臺架構

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)物聯(lián)網平臺實現設備集中管理、收集和數據分析、遠程控制、保障設備數據安全等能力，依據不同類型設備接入燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)物聯(lián)網平臺支持的接入協(xié)議、SDK和具體流程不同，物聯(lián)網平臺支持的設備類型和對應協(xié)議如表1所示。

表1 設備類型和對應協(xié)議

直連設備和網關子設備認證方式采用物聯(lián)網平臺的設備證書信息ProductKey（產品信息唯一標識）、DeviceName（設備名稱）、DeviceSecret（設備密鑰）進行認證。MQTT協(xié)議云網關設備認證方式采用標準的MQTT協(xié)議規(guī)范的UserName作為身份信息進行認證，支持設備和服務端雙向安全認證等能力。物聯(lián)網平臺支持使用設備密鑰、ID2認證、X.509證書和開源MQTT托管設備認證進行設備身份認證。針對不同的使用環(huán)境，物聯(lián)網平臺提供以下四種設備密鑰認證方案：一機一密，每臺設備燒錄自己的設備證書；一型一密預注冊，同一產品下設備燒錄相同產品證書；一型一密免預注冊，同一產品下設備燒錄相同設備證書；子設備動態(tài)注冊，網關連接上云后，子設備通過動態(tài)注冊獲取設備證書。

創(chuàng)建設備物模型，物模型是物理空間中的實體（如傳感器、車載裝置、設備）在云端的數字化表示，從屬性、服務和事件三個維度，分別描述了該實體是什么、能做什么、可以對外提供哪些信息。屬性用于描述設備運行時具體信息和狀態(tài)。例如，環(huán)境監(jiān)測設備所讀取的當前環(huán)境溫度、智能燈開關狀態(tài)、電風扇風力等級等。可分為讀寫和只讀兩種類型。讀寫類型支持讀取和設置屬性值，只讀類型僅支持讀取屬性值。服務指設備可供外部調用的指令或方法。服務調用中可設置輸入和輸出參數。輸入參數是服務執(zhí)行時的參數，輸出參數是服務執(zhí)行后的結果。相比于屬性，服務可通過一條指令實現更復雜的業(yè)務邏輯，例如執(zhí)行某項特定的任務。服務分為異步和同步兩種調用方式。事件是指設備運行時，主動上報給云端的信息，一般包含需要被外部感知和處理的信息、告警和故障。事件中可包含多個輸出參數。事件可以被訂閱和推送。

使用邊緣計算在設備端進行數據過濾和分析，使效率和安全性有了顯著提升。將計算和數據存儲放在物聯(lián)網設備的邊緣處，而不是將其發(fā)送到云端或遠程服務器進行處理，大大減少了數據處理和傳輸的延遲，減少了傳輸時間和延遲，節(jié)省了帶寬和能源。由于部分數據存儲在物聯(lián)網設備的邊緣處，因此可以減少數據泄露和攻擊的風險，邊緣計算還提供加密和身份驗證等安全措施，以確保設備和服務的安全性。同時由于計算和數據存儲在物聯(lián)網設備的邊緣處，因此可以輕松地添加或刪除設備，從而提高應用程序的可擴展性和靈活性。

使用消息通信Topic將消息發(fā)布到燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)物聯(lián)網平臺，物聯(lián)網平臺將消息發(fā)送給訂閱Topic的設備，實現設備、物聯(lián)網平臺、業(yè)務服務器、其他云產品之間的通信，具體如圖2所示。

圖2 Topic通信方式

基于翻車機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱量系統(tǒng)的硬件架構如圖3所示。

圖3 基于翻車機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱量系統(tǒng)硬件架構

翻車衡系統(tǒng)和靜態(tài)衡系統(tǒng)通過西門子200smartPLC實現輸入和輸出信號交互。靜態(tài)衡系統(tǒng)和PLC通過網線直連，PLC和翻車機系統(tǒng)通過硬件線直連。信號采集PLC的現場工作圖如圖4所示。

圖4 靜態(tài)衡計量系統(tǒng)現場工作圖-信號采集PLC

3　代表性及推廣價值

3.1　應用情況及效果

近三年來，西安熱工研究院在集團內為范坪電廠、西固電廠、沁北電廠、澠池電廠、渭南熱電、海門電廠、汕頭電廠、長春熱電、營口電廠、雨汪電廠、滇東電廠、荊門熱電、安源電廠等數十個電廠的廠側燃料系統(tǒng)升級和建設項目提供了技術服務，同時通過集團集采的廠側燃料管理系統(tǒng)2.0升級和待升級的電廠三十余家。

3.2　推廣價值

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)滿足不同燃料管理方式，設計了滿足鐵路、公路、海進江、海轉陸等燃煤電廠燃料進、耗、存多種復雜管理方式的應用模型，通過系統(tǒng)配置方式即可快速實現具體電廠燃料管理過程，滿足電廠燃料管理不斷發(fā)展的需求。已在華能所屬45家單位進行了推廣應用，滿足三級管理要求，實現電廠、分公司、集團的信息實時共享和分級管理。

系統(tǒng)集成方面制定統(tǒng)計的標準接口，可與采樣機系統(tǒng)、樣品自動封裝系統(tǒng)、全自動制樣系統(tǒng)、智能存樣柜、電子存樣柜、全自動化驗機器人和門禁系統(tǒng)通過標準接口快速集成，有效穩(wěn)定協(xié)同作業(yè)。

燃煤火電廠燃料業(yè)務模式大同小異，設備設施各有差異；系統(tǒng)提供了模塊化靈活配置功能及豐富充足的系統(tǒng)集成接口，因此，該系統(tǒng)在國內其他發(fā)電企業(yè)具備可復制性。

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)從2012年籌建開始，經歷了1.0建設，深化應用，2.0升級等階段，經過十幾年的系統(tǒng)運行期間不斷迭代和優(yōu)化，已經成為電廠燃料管理及監(jiān)督重要支撐型信息系統(tǒng)。2.0升級完成后，強化了全過程、全方位管理，加大了關鍵環(huán)節(jié)管控的力度，規(guī)范了燃料采制化等現場作業(yè)行為，增強了到廠驗收的公信力，樹立了華能品牌。

3.3　效益分析

通過信息化、物聯(lián)網、邊緣計算手段和自動化設備為業(yè)務賦能，實現作業(yè)的無人化和少人化，數據采集的實時自動化和多維的數據自動統(tǒng)計報表，達到減員增效的效果。

落實廉潔風險防控技防措施，做到事前、事中和事后的可控在控。增強了到廠驗收的公信力，樹立了華能品牌，有效控制了燃料供應領域“以少充多”和“以次充好”現象的發(fā)生，避免了經濟損失，減少了經濟糾紛。

實現煤場存煤的精細管理和配煤摻燒的閉環(huán)管理，可以輔助電廠決策人員快速制定生產方案，有效降低燃料生產成本，同時，也可減少環(huán)保超標情況的發(fā)生。

實現入爐耗用計量與煤質數據的自動采集和匹配，為碳排放和碳核查提供數據統(tǒng)計依據。

3.4　方案成熟性

燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)從2012年始建之初，燃煤火電廠燃料相關基礎設備還相當落后，幾乎沒有什么自動化設備和智能設備，可以說系統(tǒng)是在一窮二白的基礎上，落實了集團“管理制度化、制度流程化、流程表單化、表單信息化”的總體要求，實現了數據自動采集，消除了數據孤島，完成了燃料全過程閉環(huán)管理。

可以輔助電廠決策人員快速制定生產方案，有效降低燃料生產成本，同時，也可減少環(huán)保超標情況的發(fā)生。實現入爐耗用計量與煤質數據的自動采集和匹配，為碳排放和碳核查提供數據統(tǒng)計依據。3.4　方案成熟性燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)從2012年始建之初，燃煤火電廠燃料相關基礎設備還相當落后，幾乎沒有什么自動化設備和智能設備，可以說系統(tǒng)是在一窮二白的基礎上，落實了集團“管理制度化、制度流程化、流程表單化、表單信息化”的總體要求，實現了數據自動采集，消除了數據孤島，完成了燃料全過程閉環(huán)管理。

技術方面，系統(tǒng)使用華能自主知識產權的TCloud工業(yè)互聯(lián)網平臺開發(fā)，構建一個基于容器平臺和微服務架構的企業(yè)級應用系統(tǒng)。平臺采用業(yè)界主流技術如Spring Boot和Vue.js，預置多種通用組件，提供低代碼開發(fā)能力，系統(tǒng)部署方面采用K8S集群管理、容器面板、集群監(jiān)控、日志收集和查看、容器鏡像、容器編排等組件，實現容器的統(tǒng)一編排，快速部署和更新能力。在開發(fā)和部署方面采用技術都很成熟，所以系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

管理方面，一直堅持統(tǒng)一建設和統(tǒng)一運維的體系，在系統(tǒng)運維期間，出現優(yōu)化需求和缺陷都能夠及時處理。

人才方面，通過十幾年的系統(tǒng)存續(xù)和不斷升級，西安熱工研究院已經建立起了一支技術能力強素質過硬的團隊，另外，建立運維管理制度，通過制度管人，系統(tǒng)責任落實，加強電廠相關人員技術培訓，目前電廠已可以完成一些現場設備、網絡及安全等日常運維和故障處理工作。總之，燃煤火電廠廠側燃料管控系統(tǒng)已經比較成熟，而且經過大量電廠的應用驗證，因此，從技術、管理、人才及資金方面都不存在不可控風險。

摘自《自動化博覽》2025年2月刊