Misuratore di livello radar 3D Solidat: caratteristiche e applicazioni - Un caso di studio di una centrale a carbone

Astratto

Questo articolo si concentra sui misuratori di livello radar 3D nella tecnologia di misurazione del livello, spiegandone i principi applicativi e confrontando le caratteristiche principali del radar tradizionale e del radar 3D. Evidenzia gli effetti applicativi pratici dei misuratori di livello radar 3D di Solidat negli impianti a carbone, fornendo una soluzione di riferimento per le sfide di misurazione del livello negli impianti a carbone.

Parole chiave

Indicatore di livello; radar 3D; impianto a carbone; misurazione del livello dei materiali; ambiente polveroso

1. Panoramica

Con l’accelerata trasformazione intelligente dell’industria del carbone, le centrali a carbone hanno aumentato significativamente la domanda di precisione, stabilità e soluzioni intelligenti nella misurazione del livello dei materiali. I metodi tradizionali come le ispezioni manuali, i misuratori di livello a ultrasuoni e i misuratori di livello radar convenzionali devono affrontare notevoli limitazioni: le ispezioni manuali sono inefficienti e pericolose, rendendo difficile il monitoraggio in tempo reale-delle dinamiche dei silos; I misuratori di livello a ultrasuoni sono soggetti a interferenze da polvere di carbone, con conseguente grave attenuazione del segnale e grandi errori di misurazione; Anche se i misuratori di livello radar convenzionali mitigano parzialmente le interferenze della polvere, faticano ancora a ottenere una copertura completa in condizioni complesse di silos (come archi, deviazioni del materiale o zone morte), spesso portando a livelli di materiale erroneamente valutati che interrompono la pianificazione della produzione e la gestione delle scorte.

Tra le varie tecnologie di misurazione del livello, i misuratori di livello radar 3D sono emersi come un punto di svolta-. Sfruttando le funzionalità di scansione multi-raggio e di imaging 3D, superano i limiti spaziali dei metodi tradizionali per visualizzare chiaramente la distribuzione dei materiali nei silos. Questi sistemi non solo forniscono misurazioni precise del livello, ma consentono anche il monitoraggio-in tempo reale del volume, della massa e della morfologia del mucchio del materiale. Essendo la soluzione-di riferimento per la misurazione del livello intelligente negli impianti a carbone, colmano efficacemente il divario lasciato dalle tecnologie convenzionali in ambienti complessi con silos.

2. Caratteristiche della tecnologia radar

2.1 Caratteristiche dei radar tradizionali (compresi i radar a microonde e i radar convenzionali a onde guidate)

Dimensione di misurazione singola: può ottenere solo i dati sull'altezza del livello del materiale, ma non può percepire la distribuzione orizzontale dei materiali nel silo. Di fronte al comune fenomeno della "deviazione del materiale" e dell'"arco" nel silo di carbone, non è possibile identificare il volume vuoto effettivo nel silo, il che può facilmente causare deviazioni nel calcolo dell'inventario.

Resistenza limitata alle interferenze della polvere: i segnali radar a microonde sono soggetti a dispersione e attenuazione in ambienti ad alta-concentrazione di polvere di carbone. Quando la concentrazione di polvere supera i 50 g/m³, l'intensità della riflessione del segnale diminuisce drasticamente, compromettendo in modo significativo la precisione della misurazione. Mentre i sistemi radar convenzionali a onda guidata mostrano una minore suscettibilità alle interferenze della polvere, le loro sonde sono suscettibili all’adesione della polvere di carbone. L'uso prolungato porta alla deriva del segnale causata dai depositi accumulati, rendendo necessarie frequenti pulizie e manutenzioni.

Copertura limitata: i radar tradizionali sono per lo più progetti a raggio singolo-o a raggio stretto-, che possono misurare solo un "punto" o una "linea" all'interno del silo e non possono acquisire completamente lo stato generale del livello del materiale del silo. Per i silos di carbone di grandi dimensioni con un diametro superiore a 8 metri, è necessario combinare e installare più dispositivi per ottenere una copertura preliminare, il che aumenta il costo delle apparecchiature e la difficoltà di debug.

2.2 Caratteristiche del radar 3D

Imaging panoramico 3D: utilizzando la tecnologia multi-beam array, questo sistema emette simultaneamente 20-30 raggi radar ad alta-frequenza per coprire sia l'area orizzontale di 360 gradi che l'angolo verticale di 0-90 gradi all'interno del silo del materiale. Attraverso l'unione dei segnali e la ricostruzione dei dati, genera immagini 3D in tempo reale del materiale all'interno del silo, visualizzando chiaramente i modelli di impilamento, le posizioni degli archi, i gradi di deviazione del materiale e i punti ciechi nei sili vuoti. Ciò risolve efficacemente i limiti del radar tradizionale di "invisibilità e misurazione imprecisa".

Resistenza alla polvere e agli ambienti difficili: il radar 3D utilizza una tecnologia specializzata di modulazione del segnale, emettendo segnali con una potenza di 5-10 mW (5-10 volte superiore rispetto ai radar a microonde convenzionali). Il suo design ottimizzato della lunghezza d'onda si adatta specificamente alle caratteristiche delle particelle di polvere di carbone, consentendo la penetrazione attraverso polvere ad alta concentrazione (fino a 100 g/m³) riducendo al minimo la perdita di diffusione del segnale. Dotata di protezione IP67, l'apparecchiatura resiste a temperature estreme (da -40 gradi a 80 gradi) e alla corrosione, rendendola ideale per i silos delle centrali a carbone dove umidità, polvere e fluttuazioni di temperatura sono sfide comuni.

Misurazione sincronizzata multi-parametro: oltre alla misurazione precisa dell'altezza del livello del materiale (precisione ±5 mm, risoluzione 1 mm), può anche calcolare il volume del materiale (errore inferiore o uguale al 2%) e la massa (combinata con la funzione di preimpostazione della densità apparente del carbone) sulla base di immagini 3D, generando automaticamente report di inventario senza conversione manuale. Ciò fornisce un supporto dati diretto per la gestione delle scorte degli impianti a carbone e la pianificazione della produzione, riducendo gli errori statistici manuali.

Manutenzione ridotta e diagnosi intelligente: il dispositivo non presenta parti meccaniche mobili, eliminando problemi come l'accumulo di materiale e l'usura meccanica nelle tradizionali sonde radar a onda guidata. La manutenzione annuale è ridotta a 1-2 volte. Grazie alle-funzioni diagnostiche intelligenti integrate, monitora lo stato operativo in tempo reale (inclusi la potenza del segnale, l'integrità del raggio e i collegamenti di comunicazione). Quando si verificano anomalie di segnale o guasti alle apparecchiature, invia automaticamente avvisi al sistema di controllo centrale, riducendo significativamente i rischi di fermo macchina.

Adattamento a strutture di silos complesse: supporta la misurazione di silos di carbone di varie forme, tra cui circolari, quadrate e rettangolari. Attraverso l'impostazione dei parametri, può accogliere ostacoli come scale e dispositivi di miscelazione all'interno del silo, filtrare automaticamente i segnali di interferenza e non richiede dispositivi di schermatura aggiuntivi. Soddisfa le esigenze di misurazione di vari silos di centrali a carbone (come silos di carbone grezzo, silos di carbone raffinato e silos di liquami di carbone).

3. Principi del radar tradizionale e del radar 3D

3.1 Radar tradizionale

I tradizionali sistemi radar a microonde funzionano emettendo un singolo raggio elettromagnetico ad alta-frequenza (gamma GHz). Calcolano l'altezza del livello del materiale utilizzando il tempo di propagazione dei segnali riflessi (basato sulla velocità dell'onda elettromagnetica, equivalente alla velocità della luce) attraverso la formula: Altezza del livello del materiale=(Velocità di propagazione dell'onda elettromagnetica × Tempo di riflessione) / 2. Tuttavia, nei silos delle centrali a carbone, alte concentrazioni di polvere di carbone causano una diffusione multipla di onde elettromagnetiche. Parte del segnale viene assorbita dalle particelle di polvere, con il risultato che l'energia effettiva del segnale che ritorna all'antenna del ricevitore rappresenta solo lo 0,5%-1% dell'energia trasmessa. Ciò spesso porta a problemi di "nessun segnale di riflessione" o "falso segnale di riflessione". Mentre i sistemi radar a onda guidata convenzionali utilizzano guide d'onda (cavi/aste in acciaio) per ridurre le interferenze della polvere, i loro segnali si propagano solo lungo il percorso della guida d'onda. Questa limitazione impedisce la copertura orizzontale delle aree del silo e l'accumulo di materiale sull'asta della sonda può alterare l'impedenza della guida d'onda, causando errori di misurazione.

3.2 3D Radar

Il radar 3D funziona sulla base della riflettometria multi-raggio temporale-dominio (Multi-beam TDR) e della tecnologia di ricostruzione dei dati 3D, con i principi fondamentali come segue:

Trasmissione e ricezione multi-raggio: il gruppo di antenne radar emette simultaneamente più fasci elettromagnetici ad alta-frequenza (24GHz). Ciascun raggio scansiona la superficie del materiale nel silo ad angoli preimpostati (spaziatura laterale di 1 grado -2 gradi, copertura longitudinale di 0-90 gradi), creando una copertura "simile a una superficie". L'antenna ricevente cattura in modo sincrono i segnali riflessi da ciascun raggio, registrando il tempo di propagazione e l'intensità del segnale di ciascun gruppo di raggi.

Elaborazione del segnale e filtraggio delle interferenze: utilizzando algoritmi specializzati, il sistema elabora più segnali riflessi per filtrare le interferenze derivanti dalla dispersione della polvere di carbone e dai riflessi degli oggetti (in base alle soglie di intensità del segnale e all'analisi della consistenza del raggio), mantenendo segnali di riflessione superficiale validi. Contemporaneamente, calcola le coordinate tridimensionali-(assi X, Y, Z) dei punti di riflessione all'interno del silo utilizzando i parametri dell'angolo del fascio.

Ricostruzione dell'immagine 3D e calcolo dei parametri: il sistema unisce innanzitutto le coordinate 3D di tutti i punti di riflessione validi per generare un modello di nuvola di punti 3D del materiale all'interno del silo. Utilizzando la tecnologia di rendering delle immagini, crea una visualizzazione 3D intuitiva. Sulla base di questo modello, il sistema calcola automaticamente le altezze massime e medie del livello del materiale, determinando al contempo il volume del materiale attraverso un algoritmo di integrazione. Combinando questi calcoli con parametri di densità del carbone predefiniti (ad esempio, densità del carbone grezzo 1,3-1,5 t/m³), il sistema fornisce infine dati accurati sulla quantità di materiale.

4. Misuratore di livello radar Solidat 3D: introduzione e applicazioni

4.1 Caratteristiche tecniche fondamentali del Prodotto

Solidat, fornitore leader di apparecchiature per l'automazione industriale, ha sviluppato il misuratore di livello radar 3D (modello: serie SLDL5300) per soddisfare i requisiti di misurazione del livello dei materiali delle centrali a carbone, con le seguenti caratteristiche tecniche principali:

Prestazioni di misurazione: campo di misurazione 180 gradi, 360 gradi (adatto per depositi di carbone di piccole e medie e grandi dimensioni), precisione del volume ± 0,5%, precisione della distanza 1 mm, impostazione della densità del supporto (0,5-3 t/m³), soddisfa le esigenze di misurazione di diversi tipi di carbone.

Comunicazione e output dati: supporta Ethernet industriale, AUTBUS, 485 e altre modalità di comunicazione e può emettere altezza, volume, massa, dati di immagine 3D a livello di materiale (supporta l'esportazione in formato BMP/JPG) ed è compatibile con l'interfaccia dati del sistema di controllo centrale della centrale a carbone.

Installazione e messa in servizio: l'installazione montata in alto- (collegamento a flangia, compatibile con flange DN50-DN200) presenta piccoli fori di installazione, eliminando la necessità di modifiche estese al silo. La messa in servizio viene completata tramite touchscreen o computer remoto.

Effetto immagine: elaborazione e analisi dei dati ad alta-velocità, l'elaborazione dei dati viene completata rapidamente e automaticamente dal computer, un semplice sistema operativo grafico 3D per ottenere una riproduzione tridimensionale-del target misurato e può eseguire rotazione grafica, traslazione e ingrandimento locale e altre operazioni interattive, i risultati della misurazione sono chiari a colpo d'occhio.

4.2 Caso applicativo per centrali a carbone

Prendiamo come esempio una grande centrale a carbone-di proprietà statale (capacità annua di 5 milioni di tonnellate). L'impianto dispone di 8 silos di carbone grezzo (diametro 10 m, altezza 25 m) e 4 silos di carbone raffinato (diametro 8 m, altezza 20 m). La misurazione precedente utilizzando un normale misuratore di livello radar a microonde presenta tre problemi:

La concentrazione di polvere di carbone nel silo di carbone grezzo è elevata (60 g/m³ in media) e l'attenuazione del segnale radar a microonde è grave. Circa il 30% delle volte non è possibile ottenere dati effettivi sul livello del materiale, quindi è necessaria un'ispezione manuale, che comporta il rischio di caduta dall'alta quota;

I silos di carbone da coke spesso presentano uno "squilibrio materiale" (livelli di materiale irregolari su un lato). I sistemi radar convenzionali, che misurano solo i dati-di un singolo punto, non sono in grado di rilevare tali squilibri. Ciò si traduce in un tasso di utilizzo del 70% della capacità effettiva del silo, causando spesso "allarmi di silo pieno nonostante lo spazio vuoto rimanente".

Le statistiche dell'inventario richiedono una stima manuale basata sull'altezza dei livelli dei materiali e sul volume dei contenitori dei materiali in ciascun magazzino. Sono necessarie 2-3 ore alla volta e il tasso di errore è del 5%-8%, il che influisce sul piano di approvvigionamento e sulla programmazione della produzione.

All'inizio del 2024, l'impianto ha introdotto i misuratori di livello radar 83D (6 per silos di carbone grezzo e 2 per silos di carbone raffinato) e l'effetto dell'applicazione è stato notevolmente migliorato:

Stabilità di misurazione migliorata: il radar 3D ha una forte capacità di penetrazione della polvere di carbone ad alta concentrazione e la velocità di acquisizione effettiva del segnale è aumentata dal 70% al 99,5%. Non è richiesta alcuna ispezione manuale nel magazzino, il che riduce il costo della manodopera di circa 120.000 yuan all'anno ed elimina i rischi per la sicurezza derivanti dal lavoro in alta-altitudine;

Risolvere il problema dell'identificazione della deviazione del materiale: l'immagine 3D mostra in tempo reale la distribuzione del materiale nel contenitore del carbone pulito. Quando si verifica la deviazione del materiale (la differenza tra i due lati del livello del materiale è superiore a 1 m), il sistema emetterà automaticamente un allarme e guiderà gli operatori a regolare la posizione di alimentazione. Il tasso di utilizzo della capacità del contenitore è aumentato al 90%, il che può immagazzinare circa 1.500 tonnellate di carbone pulito in più ogni anno e aumentare il vantaggio economico di circa 1,2 milioni di yuan;

Gestione intelligente dell'inventario: il sistema calcola automaticamente le quantità di carbone in ciascun magazzino e genera report di inventario con aggiornamenti dei dati ogni minuto. Ciò riduce il tempo dedicato alle statistiche di inventario da 2-3 ore a 10 secondi, abbassando al contempo i tassi di errore al di sotto del 2%. Fornisce un supporto dati preciso per la pianificazione degli approvvigionamenti delle centrali a carbone (ad esempio, la determinazione delle quantità di acquisto di carbone grezzo in base ai tassi di consumo delle scorte) e la pianificazione della produzione (ad esempio, l'adeguamento della produzione di lavaggio del carbone in base ai livelli delle scorte di carbone pulito), riducendo al minimo le interruzioni della produzione e gli sprechi di materie prime causati da valutazioni errate delle scorte.

Inoltre, le caratteristiche di bassa manutenzione del misuratore di livello radar 3D riducono significativamente anche i costi di funzionamento e manutenzione della centrale a carbone: l'attrezzatura è stata pulita solo una volta nell'ultimo anno e non è stato registrato alcun arresto per guasto. Rispetto al radar tradizionale (che necessita di manutenzione in media una volta ogni 3 mesi), il costo di manutenzione annuale è ridotto di circa 80.000 yuan.

5. Conclusione

I contatori di livello radar 3D Solidat sfruttano tecnologie all'avanguardia, tra cui imaging 3D, misurazione multiparametrica e robuste funzionalità anti-interferenze per affrontare in modo efficace le sfide principali nella misurazione dello stoccaggio dei materiali nelle centrali a carbone. Questi includono gravi interferenze dovute alla polvere, configurazioni complesse a livello di materiale e difficoltà di tracciamento dell'inventario. Il sistema non solo migliora la precisione e la stabilità delle misurazioni, ma promuove anche aggiornamenti intelligenti nella gestione delle scorte degli impianti a carbone e nella pianificazione della produzione. Il sistema di misurazione SLDL5300 3D utilizza un raggio stretto e ad alta-penetrazione che si adatta a condizioni di lavoro complesse, rimanendo insensibile ad ambienti difficili come temperature elevate, corrosione della polvere, vapore, pioggia o nebbia. Con un eccellente rapporto costi-prestazioni, è ampiamente applicabile per la misurazione di materiali solidi in vari luoghi di stoccaggio, tra cui silos, contenitori e magazzini di materiali solidi sfusi. Nel contesto della trasformazione intelligente dell'industria del carbone, i contatori di livello radar 3D Solidat forniscono soluzioni di misurazione del livello affidabili ed efficienti con ampie prospettive di applicazione. Si prevede che questi sistemi si adatteranno ulteriormente a scenari come i silos delle centrali a carbone senza personale e i sistemi di stoccaggio intelligenti, offrendo un maggiore sostegno allo sviluppo digitale dell’industria del carbone.