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(zhù)我國能源結構不斷優(yōu)化，傳統燃煤發(fā)電企業(yè)面臨深度調峰挑戰，燃煤成本占發(fā)電成本的60%-70%，成為關(guān)注焦點(diǎn)。當前燃煤業(yè)務(wù)分為“兩條業(yè)務(wù)線(xiàn)，三個(gè)管理閉環(huán)”，即生產(chǎn)線(xiàn)和經(jīng)營(yíng)線(xiàn)。生產(chǎn)線(xiàn)注重煤場(chǎng)管理和配煤摻燒，追求度電成本最低；經(jīng)營(yíng)線(xiàn)則關(guān)注燃煤供應業(yè)務(wù)，致力于提升運營(yíng)效率、降低采購成本及增強風(fēng)險防控。

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統主要用于燃煤火電廠(chǎng)的進(jìn)耗存管理，一方面，落實(shí)廉潔風(fēng)險防控，做到事前、事中和事后的可控在控，實(shí)現了自動(dòng)歸批、自動(dòng)采樣、樣品不落地、數據不落地、數據加密和入廠(chǎng)入爐混編等目標；另一方面，動(dòng)態(tài)掌握場(chǎng)存煤的量、質(zhì)、價(jià)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(shí)，將摻配業(yè)務(wù)處理流程納入系統管理，積累摻配摻燒數據，通過(guò)摻配評估不斷優(yōu)化摻配方案。

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統基于華能自主知識產(chǎn)權的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺TCloud開(kāi)發(fā)，實(shí)現了燃料設備的物聯(lián)網(wǎng)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(lèi)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺的協(xié)議和SDK，對接入設備進(jìn)行身份登記及訪(fǎng)問(wèn)認證，設備物模型定義，設備屬性、事件和服務(wù)配置，提供了設備邊緣計算數據過(guò)濾和分析能力，使用消息通信發(fā)布數據到物聯(lián)網(wǎng)平臺供訂閱設備使用，使用組態(tài)圖對控制邏輯進(jìn)行可視化編排，快速搭建系統框架和模型。

1.1　功能特點(diǎn)

通過(guò)信息化、邊緣計算手段為業(yè)務(wù)賦能，達到減員增效的效果，另一方面，落實(shí)廉潔風(fēng)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(chē)機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱(chēng)量等環(huán)節通過(guò)邊緣計算技術(shù)實(shí)現自動(dòng)歸批、自動(dòng)采樣、樣品不落地、數據不落地、數據加密和入廠(chǎng)入爐混編等目標，同時(shí)，定義了近30類(lèi)的廠(chǎng)側敏感事件，事件由廠(chǎng)側系統自動(dòng)生成，需電廠(chǎng)相關(guān)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計和考核。

鐵路貨運單識別環(huán)節通過(guò)對接鐵路95306貨運系統，實(shí)現電子貨運單下載、導入、識別、人工審核提交，依據貨運單車(chē)型、車(chē)號、礦發(fā)量、發(fā)站、供應商、煤種等信息，結合入廠(chǎng)鐵路識別器實(shí)現空車(chē)數據過(guò)濾及信息匹配，自動(dòng)生成鐵路預歸批數據。滿(mǎn)足翻車(chē)業(yè)務(wù)操作前煤批批次數據的生成管理。

基于翻車(chē)機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱(chēng)量環(huán)節旨在提高物料翻卸稱(chēng)量的過(guò)程的精度與效率，進(jìn)一步實(shí)現自動(dòng)化與智能化管理，優(yōu)化生產(chǎn)流程。該環(huán)節主要由翻車(chē)機、靜態(tài)衡、信號連鎖控制系統、數據采集與處理系統等組成。翻車(chē)機負責將物料翻卸到靜態(tài)衡上，靜態(tài)衡則對物料進(jìn)行稱(chēng)量，并將稱(chēng)量數據傳送給數據采集與處理系統。信號連鎖控制系統則負責協(xié)調翻車(chē)機和靜態(tài)衡的動(dòng)作，確保稱(chēng)量過(guò)程的順利進(jìn)行。

自動(dòng)歸批：打通與公路、鐵路、下水煤調運系統的信息壁壘，可預先獲取來(lái)煤信息，根據歸批規則實(shí)現自動(dòng)歸批。

自動(dòng)采樣：依據歸批信息，生成符合國標/行標自動(dòng)生成采樣方案，與采樣系統集成，執導采樣機完成采樣作業(yè)，有效解決采樣代表性問(wèn)題，體現風(fēng)險防控效果，提升質(zhì)檢公信力；同時(shí)通過(guò)采樣機的反饋，可以從采樣點(diǎn)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(fēng)險和漏洞。

樣品不落地：與煤樣自動(dòng)封裝系統集成，煤樣從采樣機到制樣間，全程電磁鎖密封，排除取送樣過(guò)程人為風(fēng)險，同時(shí)采樣碼寫(xiě)入芯片由系統自動(dòng)識別。

數據不落地：開(kāi)發(fā)華能自主知識產(chǎn)權的汽車(chē)計量無(wú)人值守系統和軌道衡靜態(tài)衡無(wú)人值守系統，實(shí)現入廠(chǎng)煤排隊管理、自動(dòng)驗票、自動(dòng)重車(chē)、自動(dòng)回皮和自動(dòng)出票等功能；從表頭直接取數，實(shí)現計量數據不落地采集；落實(shí)礦發(fā)量與到廠(chǎng)量對比預警等功能，提醒值班人員對存疑車(chē)輛進(jìn)行重點(diǎn)查驗，有效降低了入廠(chǎng)計量環(huán)節的潛在風(fēng)險。

數據加密：由于軌道衡動(dòng)態(tài)衡計量系統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(chǎng)家提供的本地數據庫進(jìn)行數據抽取，為了確保數據真實(shí)防止篡改，使用數據加密技術(shù)，實(shí)現加密存解密校驗取。

入廠(chǎng)入爐混編：在采制化業(yè)務(wù)環(huán)節利用三級加密編碼，入廠(chǎng)入爐混編，編碼不做區分，樣品交接稱(chēng)重復核對比，原煤樣單進(jìn)單出，實(shí)現煤樣實(shí)物流轉過(guò)程中的信息屏蔽和風(fēng)險防控。

智能設備方面：與全自動(dòng)制樣機、智能存樣柜及全自動(dòng)化驗等智能設備集成，實(shí)現燃煤驗票、計量、采樣、制樣、存樣、出廠(chǎng)環(huán)節的全自動(dòng)化，無(wú)人值守，排除人為因素。

1.2　創(chuàng )新點(diǎn)

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統實(shí)現了與前端汽車(chē)衡、火車(chē)衡、煤質(zhì)化驗設備的集成，保證燃料入廠(chǎng)計量、煤質(zhì)化驗數據不落地；實(shí)現了與入廠(chǎng)煤、煤場(chǎng)、入爐煤皮帶秤，以及公司側燃料系統、SAP系統、燃料調運系統的集成；防范了入廠(chǎng)驗收煤量、采樣制樣煤質(zhì)化驗數據人為修改的舞弊行為，實(shí)現燃料計劃、采購、調運、入廠(chǎng)、場(chǎng)存、耗用、結算、支付的全過(guò)程實(shí)時(shí)管理。

（1）邊緣計算賦能業(yè)務(wù)自動(dòng)化與智能化

通過(guò)邊緣計算技術(shù)，在鐵路貨運單識別、翻車(chē)機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱(chēng)量等關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節實(shí)現自動(dòng)歸批、自動(dòng)采樣、樣品不落地、數據不落地等目標，顯著(zhù)提升業(yè)務(wù)效率與精確度，同時(shí)減少人工干預，達到減員增效的效果。

（2）實(shí)時(shí)數據處理與風(fēng)險防控

利用邊緣計算的實(shí)時(shí)數據處理能力，對敏感事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測與預警，確保事前、事中、事后的可控在控。通過(guò)定義近30類(lèi)廠(chǎng)側敏感事件，并由廠(chǎng)側系統自動(dòng)生成與上傳，實(shí)現了對業(yè)務(wù)流程的全面監控與風(fēng)險防控。

（3）信息壁壘打通與數據集成

邊緣計算技術(shù)打通了公路、鐵路、下水煤調運系統的信息壁壘，實(shí)現了多源數據的實(shí)時(shí)集成與處理。這不僅提高了數據的準確性與及時(shí)性，還為自動(dòng)歸批、自動(dòng)采樣等業(yè)務(wù)的實(shí)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(gè)流程中，邊緣計算技術(shù)結合數據加密技術(shù)，確保了數據的真實(shí)性與安全性，適用于軌道衡動(dòng)態(tài)衡計量系統及化驗儀器設備等關(guān)鍵環(huán)節，有效防止了數據篡改與泄露。

（5）智能設備集成與無(wú)人值守：

邊緣計算技術(shù)與全自動(dòng)制樣機、智能存樣柜及全自動(dòng)化驗等智能設備集成，實(shí)現了燃煤驗票、計量、采樣、制樣、存樣、出廠(chǎng)環(huán)節的全自動(dòng)化與無(wú)人值守。這不僅提高了業(yè)務(wù)效率，還進(jìn)一步排除了人為因素帶來(lái)的風(fēng)險。

2　案例介紹

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統物聯(lián)網(wǎng)平臺由軟件、硬件、服務(wù)構成，涵蓋設備接入、設備管理、數據解析、數據存儲、數據訪(fǎng)問(wèn)、數據展示以及基礎業(yè)務(wù)系統多個(gè)維度的功能模塊，可根據行業(yè)特點(diǎn)，自適應調整系統配置，快速、經(jīng)濟地幫助企業(yè)建立專(zhuān)屬聯(lián)網(wǎng)平臺，達成業(yè)務(wù)轉型中不同階段的物聯(lián)網(wǎng)化目標。

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

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統物聯(lián)網(wǎng)平臺架構如圖1所示。

圖1 燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統物聯(lián)網(wǎng)平臺架構

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)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(lèi)型設備接入燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統物聯(lián)網(wǎng)平臺支持的接入協(xié)議、SDK和具體流程不同，物聯(lián)網(wǎng)平臺支持的設備類(lèi)型和對應協(xié)議如表1所示。

表1 設備類(lèi)型和對應協(xié)議

直連設備和網(wǎng)關(guān)子設備認證方式采用物聯(lián)網(wǎng)平臺的設備證書(shū)信息ProductKey（產(chǎn)品信息唯一標識）、DeviceName（設備名稱(chēng)）、DeviceSecret（設備密鑰）進(jìn)行認證。MQTT協(xié)議云網(wǎng)關(guān)設備認證方式采用標準的MQTT協(xié)議規范的UserName作為身份信息進(jìn)行認證，支持設備和服務(wù)端雙向安全認證等能力。物聯(lián)網(wǎng)平臺支持使用設備密鑰、ID2認證、X.509證書(shū)和開(kāi)源MQTT托管設備認證進(jìn)行設備身份認證。針對不同的使用環(huán)境，物聯(lián)網(wǎng)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(shū)；一型一密預注冊，同一產(chǎn)品下設備燒錄相同產(chǎn)品證書(shū)；一型一密免預注冊，同一產(chǎn)品下設備燒錄相同設備證書(shū)；子設備動(dòng)態(tài)注冊，網(wǎng)關(guān)連接上云后，子設備通過(guò)動(dòng)態(tài)注冊獲取設備證書(shū)。

創(chuàng )建設備物模型，物模型是物理空間中的實(shí)體（如傳感器、車(chē)載裝置、設備）在云端的數字化表示，從屬性、服務(wù)和事件三個(gè)維度，分別描述了該實(shí)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(shí)具體信息和狀態(tài)。例如，環(huán)境監測設備所讀取的當前環(huán)境溫度、智能燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電風(fēng)扇風(fēng)力等級等?？煞譃樽x寫(xiě)和只讀兩種類(lèi)型。讀寫(xiě)類(lèi)型支持讀取和設置屬性值，只讀類(lèi)型僅支持讀取屬性值。服務(wù)指設備可供外部調用的指令或方法。服務(wù)調用中可設置輸入和輸出參數。輸入參數是服務(wù)執行時(shí)的參數，輸出參數是服務(wù)執行后的結果。相比于屬性，服務(wù)可通過(guò)一條指令實(shí)現更復雜的業(yè)務(wù)邏輯，例如執行某項特定的任務(wù)。服務(wù)分為異步和同步兩種調用方式。事件是指設備運行時(shí)，主動(dòng)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(gè)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(jìn)行數據過(guò)濾和分析，使效率和安全性有了顯著(zhù)提升。將計算和數據存儲放在物聯(lián)網(wǎng)設備的邊緣處，而不是將其發(fā)送到云端或遠程服務(wù)器進(jìn)行處理，大大減少了數據處理和傳輸的延遲，減少了傳輸時(shí)間和延遲，節省了帶寬和能源。由于部分數據存儲在物聯(lián)網(wǎng)設備的邊緣處，因此可以減少數據泄露和攻擊的風(fēng)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(wù)的安全性。同時(shí)由于計算和數據存儲在物聯(lián)網(wǎng)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(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺將消息發(fā)送給訂閱Topic的設備，實(shí)現設備、物聯(lián)網(wǎng)平臺、業(yè)務(wù)服務(wù)器、其他云產(chǎn)品之間的通信，具體如圖2所示。

圖2 Topic通信方式

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

圖3 基于翻車(chē)機信號連鎖控制的靜態(tài)衡稱(chēng)量系統硬件架構

翻車(chē)衡系統和靜態(tài)衡系統通過(guò)西門(mén)子200smartPLC實(shí)現輸入和輸出信號交互。靜態(tài)衡系統和PLC通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)直連，PLC和翻車(chē)機系統通過(guò)硬件線(xiàn)直連。信號采集PLC的現場(chǎng)工作圖如圖4所示。

圖4 靜態(tài)衡計量系統現場(chǎng)工作圖-信號采集PLC

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　應用情況及效果

近三年來(lái)，西安熱工研究院在集團內為范坪電廠(chǎng)、西固電廠(chǎng)、沁北電廠(chǎng)、澠池電廠(chǎng)、渭南熱電、海門(mén)電廠(chǎng)、汕頭電廠(chǎng)、長(cháng)春熱電、營(yíng)口電廠(chǎng)、雨汪電廠(chǎng)、滇東電廠(chǎng)、荊門(mén)熱電、安源電廠(chǎng)等數十個(gè)電廠(chǎng)的廠(chǎng)側燃料系統升級和建設項目提供了技術(shù)服務(wù)，同時(shí)通過(guò)集團集采的廠(chǎng)側燃料管理系統2.0升級和待升級的電廠(chǎng)三十余家。

3.2　推廣價(jià)值

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統滿(mǎn)足不同燃料管理方式，設計了滿(mǎn)足鐵路、公路、海進(jìn)江、海轉陸等燃煤電廠(chǎng)燃料進(jìn)、耗、存多種復雜管理方式的應用模型，通過(guò)系統配置方式即可快速實(shí)現具體電廠(chǎng)燃料管理過(guò)程，滿(mǎn)足電廠(chǎng)燃料管理不斷發(fā)展的需求。已在華能所屬45家單位進(jìn)行了推廣應用，滿(mǎn)足三級管理要求，實(shí)現電廠(chǎng)、分公司、集團的信息實(shí)時(shí)共享和分級管理。

系統集成方面制定統計的標準接口，可與采樣機系統、樣品自動(dòng)封裝系統、全自動(dòng)制樣系統、智能存樣柜、電子存樣柜、全自動(dòng)化驗機器人和門(mén)禁系統通過(guò)標準接口快速集成，有效穩定協(xié)同作業(yè)。

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

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統從2012年籌建開(kāi)始，經(jīng)歷了1.0建設，深化應用，2.0升級等階段，經(jīng)過(guò)十幾年的系統運行期間不斷迭代和優(yōu)化，已經(jīng)成為電廠(chǎng)燃料管理及監督重要支撐型信息系統。2.0升級完成后，強化了全過(guò)程、全方位管理，加大了關(guān)鍵環(huán)節管控的力度，規范了燃料采制化等現場(chǎng)作業(yè)行為，增強了到廠(chǎng)驗收的公信力，樹(shù)立了華能品牌。

3.3　效益分析

通過(guò)信息化、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算手段和自動(dòng)化設備為業(yè)務(wù)賦能，實(shí)現作業(yè)的無(wú)人化和少人化，數據采集的實(shí)時(shí)自動(dòng)化和多維的數據自動(dòng)統計報表，達到減員增效的效果。

落實(shí)廉潔風(fēng)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(chǎng)驗收的公信力，樹(shù)立了華能品牌，有效控制了燃料供應領(lǐng)域“以少充多”和“以次充好”現象的發(fā)生，避免了經(jīng)濟損失，減少了經(jīng)濟糾紛。

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

實(shí)現入爐耗用計量與煤質(zhì)數據的自動(dòng)采集和匹配，為碳排放和碳核查提供數據統計依據。

3.4　方案成熟性

燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統從2012年始建之初，燃煤火電廠(chǎng)燃料相關(guān)基礎設備還相當落后，幾乎沒(méi)有什么自動(dòng)化設備和智能設備，可以說(shuō)系統是在一窮二白的基礎上，落實(shí)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(shí)現了數據自動(dòng)采集，消除了數據孤島，完成了燃料全過(guò)程閉環(huán)管理。

可以輔助電廠(chǎng)決策人員快速制定生產(chǎn)方案，有效降低燃料生產(chǎn)成本，同時(shí)，也可減少環(huán)保超標情況的發(fā)生。實(shí)現入爐耗用計量與煤質(zhì)數據的自動(dòng)采集和匹配，為碳排放和碳核查提供數據統計依據。3.4　方案成熟性燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統從2012年始建之初，燃煤火電廠(chǎng)燃料相關(guān)基礎設備還相當落后，幾乎沒(méi)有什么自動(dòng)化設備和智能設備，可以說(shuō)系統是在一窮二白的基礎上，落實(shí)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(shí)現了數據自動(dòng)采集，消除了數據孤島，完成了燃料全過(guò)程閉環(huán)管理。

技術(shù)方面，系統使用華能自主知識產(chǎn)權的TCloud工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺開(kāi)發(fā)，構建一個(gè)基于容器平臺和微服務(wù)架構的企業(yè)級應用系統。平臺采用業(yè)界主流技術(shù)如Spring Boot和Vue.js，預置多種通用組件，提供低代碼開(kāi)發(fā)能力，系統部署方面采用K8S集群管理、容器面板、集群監控、日志收集和查看、容器鏡像、容器編排等組件，實(shí)現容器的統一編排，快速部署和更新能力。在開(kāi)發(fā)和部署方面采用技術(shù)都很成熟，所以系統運行穩定。

管理方面，一直堅持統一建設和統一運維的體系，在系統運維期間，出現優(yōu)化需求和缺陷都能夠及時(shí)處理。

人才方面，通過(guò)十幾年的系統存續和不斷升級，西安熱工研究院已經(jīng)建立起了一支技術(shù)能力強素質(zhì)過(guò)硬的團隊，另外，建立運維管理制度，通過(guò)制度管人，系統責任落實(shí)，加強電廠(chǎng)相關(guān)人員技術(shù)培訓，目前電廠(chǎng)已可以完成一些現場(chǎng)設備、網(wǎng)絡(luò )及安全等日常運維和故障處理工作?？傊?，燃煤火電廠(chǎng)廠(chǎng)側燃料管控系統已經(jīng)比較成熟，而且經(jīng)過(guò)大量電廠(chǎng)的應用驗證，因此，從技術(shù)、管理、人才及資金方面都不存在不可控風(fēng)險。

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年2月刊