مقياس مستوى الرادار ثلاثي الأبعاد Solidat: الميزات والتطبيقات - دراسة حالة لمصنع يعمل بالفحم

خلاصة

تركز هذه الورقة على أجهزة قياس مستوى الرادار ثلاثية الأبعاد في تكنولوجيا قياس المستوى، مع شرح مبادئ تطبيقها ومقارنة الميزات الأساسية للرادار التقليدي والرادار ثلاثي الأبعاد. وهو يسلط الضوء على تأثيرات التطبيق العملي لمنتجات قياس مستوى الرادار ثلاثي الأبعاد من Solidat في محطات الفحم، مما يوفر حلاً مرجعيًا لتحديات قياس المستوى في محطات الفحم.

الكلمات الرئيسية

مقياس المستوى رادار ثلاثي الأبعاد؛ مصنع الفحم قياس مستوى المواد بيئة الغبار

1. نظرة عامة

مع التحول الذكي المتسارع لصناعة الفحم، زادت محطات الفحم بشكل كبير من الطلب على الدقة والاستقرار والحلول الذكية في قياس مستوى المواد. تواجه الطرق التقليدية مثل عمليات الفحص اليدوي وأجهزة قياس المستوى بالموجات فوق الصوتية وأجهزة قياس مستوى الرادار التقليدية قيودًا ملحوظة: عمليات الفحص اليدوي غير فعالة وغير آمنة، مما يجعل مراقبة ديناميكيات الصومعة في الوقت الفعلي -صعبة؛ أجهزة قياس المستوى بالموجات فوق الصوتية عرضة لتداخل غبار الفحم، مما يؤدي إلى توهين شديد للإشارة وأخطاء كبيرة في القياس؛ في حين أن أجهزة قياس مستوى الرادار التقليدية تعمل على تخفيف تداخل الغبار جزئيًا، إلا أنها لا تزال تكافح من أجل تحقيق تغطية شاملة في ظروف الصوامع المعقدة (مثل التقوس أو انحراف المواد أو المناطق الميتة)، مما يؤدي غالبًا إلى سوء تقدير مستويات المواد التي تعطل جدولة الإنتاج وإدارة المخزون.

من بين تقنيات قياس المستوى المختلفة، برزت أجهزة قياس المستوى الرادارية ثلاثية الأبعاد باعتبارها-مغيرًا لقواعد اللعبة. ومن خلال الاستفادة من إمكانات المسح الشعاعي المتعدد- والتصوير ثلاثي الأبعاد، تمكنوا من التغلب على القيود المكانية للطرق التقليدية لتصور توزيع المواد بوضوح في الصوامع. لا توفر هذه الأنظمة قياسات دقيقة للمستوى فحسب، بل تتيح أيضًا إمكانية المراقبة في الوقت الفعلي لحجم المادة وكتلتها وشكل الأكوام. وباعتبارها الحل الأمثل لقياس المستوى الذكي في محطات الفحم، فإنها تسد بشكل فعال الفجوة التي خلفتها التقنيات التقليدية في بيئات الصوامع المعقدة.

2. مميزات تكنولوجيا الرادار

1.2 خصائص الرادارات التقليدية (بما في ذلك رادار الموجات الصغرية ورادار الموجات الموجهة التقليدي)

بُعد قياس واحد: يمكنه فقط الحصول على بيانات ارتفاع مستوى المادة، ولكن لا يمكنه إدراك التوزيع الأفقي للمواد في الصومعة. في مواجهة ظاهرة "انحراف المواد" و"القوس" الشائعة في صومعة الفحم، لا يمكنها تحديد الحجم الفارغ الفعلي في الصومعة، وهو ما يسهل التسبب في انحراف في حساب المخزون.

مقاومة محدودة لتداخل الغبار: تكون إشارات رادار الموجات الدقيقة عرضة للتشتت والتوهين في بيئات غبار الفحم ذات التركيز العالي-. عندما يتجاوز تركيز الغبار 50 جم/م3، تنخفض كثافة انعكاس الإشارة بشكل كبير، مما يؤثر بشكل كبير على دقة القياس. في حين أن أنظمة رادار الموجات الموجهة التقليدية تظهر قابلية أقل لتداخل الغبار، فإن مجساتها تكون عرضة لالتصاق غبار الفحم. الاستخدام المطول يؤدي إلى انحراف الإشارة الناتج عن الرواسب المتراكمة، مما يستلزم التنظيف والصيانة المتكررة.

تغطية محدودة: الرادارات التقليدية في الغالب عبارة عن تصميمات ذات شعاع -مفرد أو شعاع ضيق-، يمكنها فقط قياس "نقطة" أو "خط" داخل الصومعة ولا يمكنها التقاط الحالة الإجمالية لمستوى المادة في الصومعة بشكل كامل. بالنسبة لصوامع الفحم الكبيرة التي يبلغ قطرها أكثر من 8 أمتار، يلزم دمج أجهزة متعددة وتركيبها لتحقيق التغطية الأولية، مما يزيد من تكلفة المعدات وصعوبة تصحيح الأخطاء.

2.2 ميزات الرادار ثلاثي الأبعاد

التصوير البانورامي ثلاثي الأبعاد: باستخدام تقنية مصفوفة الشعاع المتعددة-، يصدر هذا النظام في الوقت نفسه 20-30 شعاعًا راداريًا عالي التردد لتغطية كل من المنطقة الأفقية 360 درجة والزاوية الرأسية 0-90 درجة داخل صومعة المواد. من خلال خياطة الإشارة وإعادة بناء البيانات، فإنه يولد صورًا ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي للمواد الموجودة داخل الصومعة، ويعرض بوضوح أنماط التراص، ومواضع التقوس، ودرجات انحراف المواد، والنقاط العمياء في الصوامع الفارغة. وهذا يحل بفعالية قيود الرادار التقليدي المتمثلة في "الاختفاء والقياس غير الدقيق".

مقاومة الغبار والبيئة القاسية: يستخدم الرادار ثلاثي الأبعاد تقنية تعديل الإشارة المتخصصة، حيث يصدر إشارات بقوة 5-10 ميجاوات (5-10 مرات أعلى من رادارات الميكروويف التقليدية). يتوافق تصميم الطول الموجي المُحسّن بشكل خاص مع خصائص جسيمات غبار الفحم، مما يتيح الاختراق من خلال الغبار عالي التركيز (حتى 100 جم/م³) مع تقليل فقدان تشتت الإشارة. تتميز المعدات بحماية مصنفة IP67، وتتحمل درجات الحرارة القصوى (-40 درجة إلى 80 درجة) والتآكل، مما يجعلها مثالية لصوامع محطات الفحم حيث تمثل الرطوبة والغبار وتقلبات درجات الحرارة تحديات شائعة.

القياس المتزامن متعدد المعلمات: بالإضافة إلى القياس الدقيق لارتفاع مستوى المادة (الدقة ±5 مم، الدقة 1 مم)، يمكنه أيضًا حساب حجم المادة (خطأ أقل من أو يساوي 2%) والكتلة (مع وظيفة الإعداد المسبق للكثافة الظاهرية للفحم) استنادًا إلى صور ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى إنشاء تقارير المخزون تلقائيًا دون تحويل يدوي. وهذا يوفر دعمًا مباشرًا للبيانات لإدارة مخزون محطات الفحم وجدولة الإنتاج، مما يقلل من الأخطاء الإحصائية اليدوية.

صيانة منخفضة وتشخيص ذكي: لا يحتوي الجهاز على أجزاء متحركة ميكانيكية، مما يزيل مشكلات مثل تراكم المواد والتآكل الميكانيكي في مجسات رادار الموجة الموجهة التقليدية. يتم تقليل الصيانة السنوية إلى مرة واحدة-مرتين. ومن خلال وظائف التشخيص الذكية-المدمجة، فإنه يراقب حالة التشغيل في الوقت الفعلي (بما في ذلك قوة الإشارة وتكامل الشعاع وروابط الاتصال). عند حدوث حالات شاذة في الإشارة أو تعطل المعدات، فإنه يرسل تنبيهات تلقائيًا إلى نظام التحكم المركزي، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر التوقف عن العمل.

التكيف مع هياكل الصوامع المعقدة: يدعم قياس صوامع الفحم بأشكال مختلفة بما في ذلك الدائرية والمربعة والمستطيلة. من خلال إعدادات المعلمات، يمكنها استيعاب العوائق مثل السلالم وأجهزة الخلط داخل الصومعة، وتصفية إشارات التداخل تلقائيًا، ولا تتطلب أجهزة حماية إضافية. إنه يلبي احتياجات القياس لصوامع محطات الفحم المختلفة (مثل صوامع الفحم الخام، وصوامع الفحم المكرر، وصوامع ملاط ​​الفحم).

3. مبادئ الرادار التقليدي والرادار ثلاثي الأبعاد

3.1 الرادار التقليدي

تعمل أنظمة رادار الموجات الدقيقة التقليدية عن طريق إصدار شعاع كهرومغناطيسي واحد عالي التردد (نطاق جيجاهرتز). قاموا بحساب ارتفاع مستوى المادة باستخدام وقت انتشار الإشارات المنعكسة (استنادًا إلى سرعة الموجة الكهرومغناطيسية، أي ما يعادل سرعة الضوء) من خلال الصيغة: ارتفاع مستوى المادة=(سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية × وقت الانعكاس) / 2. ومع ذلك، في صوامع مصانع الفحم، تسبب التركيزات العالية من غبار الفحم تشتتًا متعددًا للموجات الكهرومغناطيسية. يتم امتصاص جزء من الإشارة بواسطة جزيئات الغبار، مما يؤدي إلى عودة طاقة الإشارة الفعالة إلى هوائي الاستقبال بنسبة 0.5%-1% فقط من الطاقة المرسلة. يؤدي هذا غالبًا إلى مشكلات "عدم وجود إشارة انعكاس" أو "إشارة انعكاس كاذبة". بينما تستخدم أنظمة رادار الموجات الموجهة التقليدية أدلة موجية (كابلات/قضبان فولاذية) لتقليل تداخل الغبار، فإن إشاراتها تنتشر فقط على طول مسار الدليل الموجي. يمنع هذا القيد التغطية الأفقية لمناطق الصوامع، ويمكن أن يؤدي تراكم المواد على قضيب المسبار إلى تغيير مقاومة الدليل الموجي، مما يسبب أخطاء في القياس.

3.2 3رادار د

يعمل الرادار ثلاثي الأبعاد استنادًا إلى قياس انعكاس المجال-الزمني المتعدد-(Multi-beam TDR) وتقنية إعادة بناء البيانات ثلاثية الأبعاد، مع المبادئ الأساسية كما يلي:

إرسال واستقبال الحزم المتعددة-: تقوم صفيف هوائي الرادار بإصدار عدة حزم كهرومغناطيسية عالية التردد (24 جيجا هرتز) في نفس الوقت. يقوم كل شعاع بمسح سطح المادة في الصومعة بزوايا محددة مسبقًا (تباعد جانبي قدره 1 درجة -2 درجة، وتغطية طولية من 0 إلى 90 درجة)، مما يؤدي إلى إنشاء تغطية "تشبه السطح". يلتقط هوائي الاستقبال بشكل متزامن الإشارات المنعكسة من كل حزمة، ويسجل وقت الانتشار وقوة الإشارة لكل مجموعة حزمة.

معالجة الإشارات وتصفية التداخل: باستخدام خوارزميات متخصصة، يقوم النظام بمعالجة الإشارات المنعكسة المتعددة لتصفية التداخل الناتج عن تشتت غبار الفحم وانعكاسات الأجسام (استنادًا إلى عتبات قوة الإشارة وتحليل اتساق الشعاع)، مع الاحتفاظ بإشارات انعكاس السطح الصالحة. وفي نفس الوقت، يتم حساب إحداثيات الأبعاد الثلاثة -(محاور X وY وZ) لنقاط الانعكاس داخل الصومعة باستخدام معلمات زاوية الحزمة.

إعادة بناء الصور ثلاثية الأبعاد وحساب المعلمات: يقوم النظام أولاً بدمج الإحداثيات ثلاثية الأبعاد من جميع نقاط الانعكاس الصالحة لإنشاء نموذج سحابة نقطية ثلاثية الأبعاد للمادة داخل الصومعة. باستخدام تقنية عرض الصور، يتم إنشاء تصور ثلاثي الأبعاد بديهي. بناءً على هذا النموذج، يقوم النظام تلقائيًا بحساب الحد الأقصى ومتوسط ​​ارتفاعات مستوى المادة، مع تحديد حجم المادة من خلال خوارزمية التكامل. ومن خلال الجمع بين هذه الحسابات ومعلمات كثافة الفحم المحددة مسبقًا (على سبيل المثال، كثافة الفحم الخام 1.3-1.5 طن/م³)، يقوم النظام في النهاية بإخراج بيانات دقيقة لكمية المادة.

4. مقياس مستوى الرادار Solidat 3D: مقدمة وتطبيقات

4.1 الميزات التقنية الأساسية للمنتج

قامت شركة Solidat، الشركة الرائدة في مجال توفير معدات الأتمتة الصناعية، بتطوير مقياس مستوى الرادار ثلاثي الأبعاد (الطراز: سلسلة SLDL5300) لتلبية متطلبات قياس مستوى المواد في محطات الفحم، والذي يتميز بالخصائص التقنية الأساسية التالية:

أداء القياس: نطاق القياس 180 درجة، 360 درجة (مناسب لساحة الفحم الصغيرة والمتوسطة إلى الكبيرة)، دقة الحجم ±0.5%، دقة المسافة 1 مم، إعداد كثافة الدعم (0.5-3t/m³)، يلبي احتياجات القياس لأنواع الفحم المختلفة.

الاتصالات وإخراج البيانات: يدعم Ethernet الصناعية وAUTBUS و485 وطرق الاتصال الأخرى، ويمكنه إخراج بيانات ارتفاع مستوى المواد والحجم والكتلة وبيانات الصور ثلاثية الأبعاد (يدعم تصدير تنسيق BMP/JPG)، وهو متوافق مع واجهة بيانات نظام التحكم المركزي في مصنع الفحم.

التثبيت والتشغيل: يتميز التثبيت المثبت على الجزء العلوي-(وصلة الحافة، المتوافقة مع حواف DN50-DN200) بفتحات تثبيت صغيرة، مما يلغي الحاجة إلى إجراء تعديلات شاملة على الصومعة. يتم الانتهاء من التكليف عبر شاشة اللمس أو الكمبيوتر البعيد.

تأثير التصوير: معالجة وتحليل البيانات بسرعة عالية-، يتم إكمال معالجة البيانات بسرعة وبشكل تلقائي بواسطة الكمبيوتر، ونظام تشغيل رسومات ثلاثي الأبعاد بسيط لتحقيق إعادة إنتاج ثلاثية الأبعاد للهدف المقاس، ويمكن تنفيذ تدوير الرسومات والترجمة والتكبير المحلي والعمليات التفاعلية الأخرى، وتكون نتائج القياس واضحة في لمحة.

4.2 حالة تطبيق محطة الفحم

لنأخذ على سبيل المثال مصنعًا كبيرًا للفحم-مملوكًا للدولة (قدرته السنوية 5 ملايين طن). يحتوي المصنع على 8 صوامع فحم خام (قطر 10 م، ارتفاع 25 م) و4 صوامع فحم مكرر (قطر 8 م، ارتفاع 20 م). القياس السابق باستخدام جهاز قياس مستوى رادار الميكروويف العادي له ثلاث مشاكل:

تركيز غبار الفحم في صومعة الفحم الخام مرتفع (60 جم ​​/ م 3 في المتوسط)، وتوهين إشارة رادار الميكروويف أمر خطير. في حوالي 30% من الحالات، لا يمكن الحصول على بيانات فعالة لمستوى المواد، لذلك يلزم إجراء فحص يدوي، مما قد يؤدي إلى خطر السقوط من ارتفاعات عالية؛

غالبًا ما تواجه صوامع فحم الكوك "خللًا في المواد" (مستويات المواد غير المتساوية على جانب واحد). لا تستطيع أنظمة الرادار التقليدية، التي تقيس فقط بيانات النقطة-المفردة، اكتشاف مثل هذه الاختلالات. وينتج عن هذا معدل استخدام بنسبة 70% من السعة الفعلية للصومعة، مما يتسبب في كثير من الأحيان في "إصدار إنذارات لامتلاء الصومعة على الرغم من بقاء المساحة الفارغة".

تتطلب إحصائيات المخزون تقديرًا يدويًا استنادًا إلى ارتفاع مستويات المواد وحجم صناديق المواد في كل مستودع. يستغرق الأمر 2-3 ساعات في المرة الواحدة، ومعدل الخطأ هو 5%-8%، مما يؤثر على خطة الشراء وجدولة الإنتاج.

في بداية عام 2024، أدخل المصنع عدادات مستوى الرادار 83D (6 لصوامع الفحم الخام و2 لصوامع الفحم المكرر)، وتم تحسين تأثير التطبيق بشكل كبير:

تحسين استقرار القياس: يتمتع الرادار ثلاثي الأبعاد بقدرة اختراق قوية لغبار الفحم عالي التركيز، ويتم زيادة معدل الحصول على الإشارة الفعالة من 70% إلى 99.5%. لا يلزم إجراء فحص يدوي في المستودع، مما يقلل من تكلفة العمالة بنحو 120.000 يوان سنويًا ويزيل مخاطر السلامة الناجمة عن العمل على ارتفاعات عالية-؛

حل مشكلة تحديد انحراف المواد: تعرض الصورة ثلاثية الأبعاد توزيع المواد في صندوق الفحم النظيف في الوقت الفعلي. عندما يحدث انحراف للمادة (الفرق بين جانبي مستوى المادة أكثر من 1 متر)، سيقوم النظام تلقائيًا بإنذار وتوجيه المشغلين لضبط موضع التغذية. يتم زيادة معدل استخدام سعة الصندوق إلى 90%، والذي يمكنه تخزين حوالي 1500 طن من الفحم النظيف كل عام وزيادة المنفعة الاقتصادية بحوالي 1.2 مليون يوان؛

الإدارة الذكية للمخزون: يقوم النظام تلقائيًا بحساب كميات الفحم في كل مستودع ويقوم بإنشاء تقارير المخزون مع تحديث البيانات كل دقيقة. يؤدي هذا إلى تقليل وقت إحصائيات المخزون من 2-3 ساعات إلى 10 ثوانٍ، مع تقليل معدلات الخطأ إلى أقل من 2%. وهو يوفر دعمًا دقيقًا للبيانات لتخطيط شراء محطات الفحم (على سبيل المثال، تحديد كميات شراء الفحم الخام بناءً على معدلات استهلاك المخزون) وجدولة الإنتاج (على سبيل المثال، تعديل ناتج غسل الفحم وفقًا لمستويات مخزون الفحم النظيف)، مما يقلل بشكل فعال من اضطرابات الإنتاج وهدر المواد الخام الناجمة عن سوء تقدير المخزون.

بالإضافة إلى ذلك، فإن خصائص الصيانة المنخفضة لمقياس مستوى الرادار ثلاثي الأبعاد تقلل أيضًا بشكل كبير من تكاليف التشغيل والصيانة لمحطة الفحم: تم تنظيف المعدات مرة واحدة فقط في العام الماضي، ولا يوجد سجل لإيقاف الفشل. بالمقارنة مع الرادار التقليدي (الذي يحتاج إلى صيانة مرة واحدة كل 3 أشهر في المتوسط)، يتم تقليل تكلفة الصيانة السنوية بنحو 80 ألف يوان.

5. الاستنتاج

تعمل عدادات مستوى الرادار Solidat 3D على الاستفادة من التقنيات المتطورة- بما في ذلك التصوير ثلاثي الأبعاد، وقياس المعلمات المتعددة-، وإمكانات مكافحة التداخل- القوية لمعالجة التحديات الأساسية في قياس تخزين المواد في محطات الفحم بشكل فعال. وتشمل هذه التداخلات الشديدة للغبار، والتكوينات المعقدة لمستوى المواد، وصعوبات تتبع المخزون. لا يعمل النظام على تعزيز دقة القياس واستقراره فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى إجراء ترقيات ذكية في إدارة مخزون محطات الفحم وجدولة الإنتاج. يستخدم نظام القياس SLDL5300 3D شعاعًا ضيقًا وعالي الاختراق يتكيف مع ظروف العمل المعقدة، ويظل غير متأثر بالبيئات القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة أو تآكل الغبار أو البخار أو المطر أو الضباب. بفضل نسب أداء التكلفة- الممتازة، يمكن تطبيقها على نطاق واسع لقياس المواد الصلبة في مواقع التخزين المختلفة بما في ذلك الصوامع والحاويات ومستودعات المواد الصلبة السائبة. في سياق التحول الذكي لصناعة الفحم، توفر عدادات مستوى الرادار ثلاثية الأبعاد Solidat حلول قياس مستوى موثوقة وفعالة مع آفاق تطبيق واسعة. ومن المتوقع أن تتكيف هذه الأنظمة بشكل أكبر مع سيناريوهات مثل صوامع محطات الفحم غير المأهولة وأنظمة التخزين الذكية، مما يوفر دعمًا أقوى للتطوير الرقمي لصناعة الفحم.