Medidor de nível de radar Solidat 3D: recursos e aplicações - Um estudo de caso de uma usina de carvão

Resumo

Este artigo se concentra em medidores de nível de radar 3D na tecnologia de medição de nível, explicando seus princípios de aplicação e comparando os principais recursos do radar tradicional e do radar 3D. Ele destaca os efeitos práticos da aplicação dos produtos de medição de nível por radar 3D da Solidat em usinas a carvão, fornecendo uma solução de referência para desafios de medição de nível em usinas a carvão.

Palavras-chave

Medidor de nível; radar 3D; usina de carvão; medição de nível de material; ambiente de poeira

1. Visão geral

Com a transformação inteligente acelerada da indústria do carvão, as usinas a carvão aumentaram significativamente as demandas por precisão, estabilidade e soluções inteligentes na medição de nível de material. Métodos tradicionais, como inspeções manuais, medidores de nível ultrassônicos e medidores de nível de radar convencionais, enfrentam limitações notáveis: as inspeções manuais são ineficientes e inseguras, tornando o monitoramento-em tempo real da dinâmica do silo um desafio; Os medidores de nível ultrassônicos são propensos à interferência de pó de carvão, resultando em severa atenuação de sinal e grandes erros de medição; Embora os medidores de nível de radar convencionais mitiguem parcialmente a interferência de poeira, eles ainda lutam para obter uma cobertura abrangente em condições complexas de silos (como arqueamento, desvio de material ou zonas mortas), muitas vezes levando a níveis de material mal avaliados que atrapalham a programação de produção e o gerenciamento de estoque.

Entre as diversas tecnologias de medição de nível, os medidores de nível por radar 3D surgiram como uma mudança-no jogo. Ao aproveitar a digitalização de múltiplos-feixes e os recursos de geração de imagens 3D, eles superam as limitações espaciais dos métodos tradicionais para visualizar claramente a distribuição de materiais em silos. Esses sistemas não apenas fornecem medições de nível precisas, mas também permitem o monitoramento-em tempo real do volume, da massa e da morfologia da pilha do material. Como a-solução ideal para medição de nível inteligente em usinas de carvão, eles efetivamente preenchem a lacuna deixada pelas tecnologias convencionais em ambientes de silos complexos.

2. Recursos da tecnologia de radar

2.1 Características dos radares tradicionais (incluindo radar de microondas e radar convencional de ondas guiadas)

Dimensão de medição única: Só consegue obter os dados de altura do nível do material, mas não consegue perceber a distribuição horizontal dos materiais no silo. Enfrentando o fenômeno comum de “desvio de material” e “arco” no silo de carvão, ele não consegue identificar o volume vazio real no silo, o que é fácil de causar desvio no cálculo do estoque.

Resistência limitada à interferência de poeira: os sinais de radar de micro-ondas são propensos a dispersão e atenuação em ambientes de alta-concentração de pó de carvão. Quando a concentração de poeira excede 50g/m³, a intensidade da reflexão do sinal cai drasticamente, comprometendo significativamente a precisão da medição. Embora os sistemas convencionais de radar de ondas guiadas mostrem menos suscetibilidade à interferência de poeira, suas sondas são suscetíveis à adesão de pó de carvão. O uso prolongado leva ao desvio do sinal causado por depósitos acumulados, necessitando de limpeza e manutenção frequentes.

Cobertura limitada: os radares tradicionais são, em sua maioria, projetos de feixe único-ou de feixe-estreito, que só podem medir um "ponto" ou "linha" dentro do silo e não podem capturar totalmente o status geral do nível de material do silo. Para grandes silos de carvão com diâmetro superior a 8 metros, vários dispositivos precisam ser combinados e instalados para obter cobertura preliminar, o que aumenta o custo do equipamento e a dificuldade de depuração.

2.2 Recursos do Radar 3D

Imagens panorâmicas 3D: utilizando tecnologia de matriz de-feixes múltiplos, esse sistema emite simultaneamente 20-30 feixes de radar de alta-frequência para cobrir a área horizontal de 360 ​​graus e o ângulo vertical de 0 a 90 graus dentro do silo de material. Através da junção de sinais e reconstrução de dados, ele gera imagens 3D em tempo real do material dentro do silo, exibindo claramente os padrões de empilhamento, posições de arqueamento, graus de desvio do material e pontos cegos em silos vazios. Isto resolve efetivamente as limitações do radar tradicional de "invisibilidade e medição imprecisa".

Resistência a poeira e ambientes adversos: o radar 3D emprega tecnologia especializada de modulação de sinal, emitindo sinais com potência de 5-10mW (5 a 10 vezes maior que os radares de micro-ondas convencionais). Seu design de comprimento de onda otimizado corresponde especificamente às características das partículas de pó de carvão, permitindo a penetração através de poeira de alta concentração (até 100g/m³) e minimizando a perda de dispersão de sinal. Apresentando proteção com classificação IP67, o equipamento resiste a temperaturas extremas (-40 graus a 80 graus) e corrosão, tornando-o ideal para silos de usinas de carvão onde umidade, poeira e flutuações de temperatura são desafios comuns.

Medição sincronizada com vários-parâmetros: além da medição precisa da altura do nível do material (precisão de ±5 mm, resolução de 1 mm), ele também pode calcular o volume do material (erro menor ou igual a 2%) e a massa (combinada com a função predefinida de densidade aparente do carvão) com base em imagens 3D, gerando automaticamente relatórios de inventário sem conversão manual. Isso fornece suporte direto de dados para gerenciamento de inventário de usinas de carvão e programação de produção, reduzindo erros estatísticos manuais.

Baixa manutenção e diagnóstico inteligente: O dispositivo não possui peças mecânicas móveis, eliminando problemas como acúmulo de material e desgaste mecânico em sondas de radar de ondas guiadas tradicionais. A manutenção anual é reduzida para 1-2 vezes. Com funções de diagnóstico inteligentes-integradas, ele monitora o status operacional em tempo real (incluindo intensidade do sinal, integridade do feixe e links de comunicação). Quando ocorrem anomalias de sinal ou falhas de equipamentos, envia automaticamente alertas para o sistema de controle central, reduzindo significativamente os riscos de paralisação.

Adapte-se a estruturas complexas de silos: Suporta medição de silos de carvão com vários formatos, incluindo circular, quadrado e retangular. Através de configurações de parâmetros, ele pode acomodar obstáculos como escadas e dispositivos de mistura dentro do silo, filtrar automaticamente sinais de interferência e não requer dispositivos de blindagem adicionais. Ele atende às necessidades de medição de vários silos de usinas de carvão (como silos de carvão bruto, silos de carvão refinado e silos de polpa de carvão).

3. Princípios do radar tradicional e do radar 3D

3.1 Radar tradicional

Os sistemas tradicionais de radar de micro-ondas operam emitindo um único feixe eletromagnético de alta-frequência (faixa de GHz). Eles calculam a altura do nível do material usando o tempo de propagação dos sinais refletidos (com base na velocidade da onda eletromagnética, equivalente à velocidade da luz) através da fórmula: Altura do nível do material=(Velocidade de propagação da onda eletromagnética × Tempo de reflexão) / 2. No entanto, em silos de usinas de carvão, altas concentrações de pó de carvão causam espalhamento múltiplo de ondas eletromagnéticas. Parte do sinal é absorvida por partículas de poeira, resultando no retorno efetivo da energia do sinal para a antena receptora, sendo apenas 0,5%-1% da energia transmitida. Isso geralmente leva a problemas de "sem sinal de reflexão" ou "sinal de reflexão falso". Embora os sistemas convencionais de radar de ondas guiadas utilizem guias de ondas (cabos/hastes de aço) para reduzir a interferência de poeira, seus sinais se propagam apenas ao longo do caminho do guia de ondas. Esta limitação impede a cobertura horizontal das áreas do silo, e o acúmulo de material na haste da sonda pode alterar a impedância do guia de ondas, causando erros de medição.

3.2 3Radar D

O radar 3D opera com base em reflectometria de domínio de tempo-multi-feixe (TDR multi{3}}feixe) e tecnologia de reconstrução de dados 3D, com os seguintes princípios básicos:

Transmissão e recepção de vários-feixes: o conjunto de antenas do radar emite simultaneamente vários feixes eletromagnéticos de alta-frequência (24 GHz). Cada feixe varre a superfície do material no silo em ângulos predefinidos (espaçamento lateral de 1 grau -2 graus, cobertura longitudinal de 0-90 graus), criando uma cobertura "semelhante à superfície". A antena receptora captura de forma síncrona os sinais refletidos de cada feixe, registrando o tempo de propagação e a intensidade do sinal de cada grupo de feixes.

Processamento de sinais e filtragem de interferências: Utilizando algoritmos especializados, o sistema processa vários sinais refletidos para filtrar interferências de dispersão de pó de carvão e reflexões de objetos (com base em limites de intensidade de sinal e análise de consistência de feixe), enquanto retém sinais de reflexão de superfície válidos. Simultaneamente, ele calcula as coordenadas tri-dimensionais (eixos X, Y, Z) dos pontos de reflexão dentro do silo usando parâmetros de ângulo de feixe.

Reconstrução de imagem 3D e cálculo de parâmetros: O sistema primeiro mescla coordenadas 3D de todos os pontos de reflexão válidos para gerar um modelo de nuvem de pontos 3D do material dentro do silo. Usando tecnologia de renderização de imagem, ele cria uma visualização 3D intuitiva. Com base neste modelo, o sistema calcula automaticamente as alturas máxima e média do nível do material, ao mesmo tempo que determina o volume do material através de um algoritmo de integração. Ao combinar esses cálculos com parâmetros predefinidos de densidade de carvão (por exemplo, densidade de carvão bruto de 1,3 a 1,5 t/m³), o sistema produz dados precisos sobre a quantidade de material.

4. Medidor de nível de radar Solidat 3D: introdução e aplicações

4.1 Principais recursos técnicos do produto

A Solidat, fornecedora líder de equipamentos de automação industrial, desenvolveu o medidor de nível por radar 3D (Modelo: Série SLDL5300) para atender aos requisitos de medição de nível de material de usinas de carvão, apresentando as seguintes características técnicas principais:

Desempenho de medição: Faixa de medição de 180 graus, 360 graus (adequado para pátios de carvão de pequeno e médio a grande porte), precisão de volume ± 0,5%, precisão de distância de 1 mm, configuração de densidade de suporte (0,5-3t/m³), atende às necessidades de medição de diferentes tipos de carvão.

Comunicação e saída de dados: Suporta Ethernet industrial, AUTBUS, 485 e outros modos de comunicação, e pode produzir altura de nível de material, volume, massa, dados de imagem 3D (suporta exportação de formato BMP/JPG) e é compatível com interface de dados do sistema de controle central de usina de carvão.

Instalação e comissionamento: a instalação montada-na parte superior (conexão de flange, compatível com flanges DN50-DN200) apresenta pequenos furos de instalação, eliminando a necessidade de modificações extensas no silo. O comissionamento é concluído via tela sensível ao toque ou computador remoto.

Efeito de imagem: processamento e análise de dados em alta-velocidade, o processamento de dados é concluído de forma rápida e automática pelo computador, sistema operacional de gráficos 3D simples para obter reprodução tri-dimensional do alvo medido e pode realizar rotação de gráficos, tradução e ampliação local e outras operações interativas, os resultados da medição são claros à primeira vista.

4.2 Caso de Aplicação de Usina de Carvão

Tomemos como exemplo uma grande usina-de carvão estatal (capacidade anual de 5 milhões de toneladas). A planta possui 8 silos de carvão bruto (diâmetro 10m, altura 25m) e 4 silos de carvão refinado (diâmetro 8m, altura 20m). A medição anterior usando medidor de nível de radar de micro-ondas comum tem três problemas:

A concentração de pó de carvão no silo de carvão bruto é alta (60g/m³ em média) e a atenuação do sinal do radar de microondas é grave. Cerca de 30% das vezes, os dados efetivos do nível do material não podem ser obtidos, portanto, é necessária a inspeção manual, que apresenta o risco de queda de grandes altitudes;

Os silos de carvão coqueificável frequentemente apresentam “desequilíbrio material” (níveis desiguais de material de um lado). Os sistemas de radar convencionais, que medem apenas dados de{1}ponto único, não conseguem detectar tais desequilíbrios. Isto resulta numa taxa de utilização de 70% da capacidade real do silo, causando frequentemente “alarmes de silo cheio apesar do espaço vazio restante”.

As estatísticas de estoque exigem estimativa manual com base na altura dos níveis de material e no volume das caixas de material em cada armazém. Leva de 2 a 3 horas por vez e a taxa de erro é de 5% a 8%, o que afeta o plano de compras e a programação da produção.

No início de 2024, a planta introduziu medidores de nível de radar 83D (6 para silos de carvão bruto e 2 para silos de carvão refinado), e o efeito da aplicação foi significativamente melhorado:

Estabilidade de medição aprimorada: o radar 3D tem forte capacidade de penetração de pó de carvão de alta concentração e a taxa efetiva de aquisição de sinal aumentou de 70% para 99,5%. Nenhuma inspeção manual é necessária no armazém, o que reduz o custo de mão de obra em cerca de 120.000 yuans por ano e elimina o risco de segurança do trabalho em-altas altitudes;

Resolvendo o problema de identificação de desvios de material: A imagem 3D exibe a distribuição de material no depósito de carvão limpo em tempo real. Quando ocorre o desvio do material (a diferença entre os dois lados do nível do material é superior a 1m), o sistema irá alarmar automaticamente e orientar os operadores para ajustar a posição de alimentação. A taxa de utilização da capacidade do depósito aumentou para 90%, o que pode armazenar cerca de 1.500 toneladas a mais de carvão limpo a cada ano e aumentar o benefício econômico em cerca de 1,2 milhão de yuans;

Gestão Inteligente de Estoque: O sistema calcula automaticamente as quantidades de carvão em cada armazém e gera relatórios de inventário com atualizações de dados a cada minuto. Isso reduz o tempo de estatísticas de inventário de 2 a 3 horas para 10 segundos, ao mesmo tempo que reduz as taxas de erro para menos de 2%. Ele fornece suporte de dados precisos para o planejamento de aquisição de usinas de carvão (por exemplo, determinação de quantidades de compra de carvão bruto com base nas taxas de consumo de estoque) e programação de produção (por exemplo, ajuste da produção de lavagem de carvão de acordo com os níveis de estoque de carvão limpo), minimizando efetivamente interrupções na produção e desperdício de matéria-prima causados ​​por erros de julgamento de estoque.

Além disso, as características de baixa manutenção do medidor de nível por radar 3D também reduzem significativamente os custos de operação e manutenção da usina a carvão: o equipamento foi limpo apenas uma vez no ano passado e não há registro de desligamento por falha. Comparado com o radar tradicional (que precisa ser mantido em média uma vez a cada 3 meses), o custo anual de manutenção é reduzido em cerca de 80.000 yuans.

5. Conclusão

Os contadores de nível de radar 3D Solidat aproveitam tecnologias-de ponta, incluindo imagens 3D, medição de vários-parâmetros e recursos robustos de-interferência para enfrentar com eficácia os principais desafios na medição de armazenamento de materiais de usinas de carvão. Isso inclui interferência severa de poeira, configurações complexas de nível de material e dificuldades de rastreamento de estoque. O sistema não apenas melhora a precisão e a estabilidade da medição, mas também promove atualizações inteligentes no gerenciamento de inventário de usinas de carvão e na programação de produção. O sistema de medição SLDL5300 3D emprega um feixe estreito e de alta-penetração que se adapta a condições de trabalho complexas, permanecendo inalterado por ambientes agressivos, como altas temperaturas, corrosão por poeira, vapor, chuva ou neblina. Com excelentes relações de custo-desempenho, ele é amplamente aplicável para medição de materiais sólidos em vários locais de armazenamento, incluindo silos, contêineres e armazéns de materiais sólidos a granel. No contexto da transformação inteligente da indústria do carvão, os contadores de nível de radar 3D Solidat fornecem soluções de medição de nível confiáveis ​​e eficientes com amplas perspectivas de aplicação. Espera-se que estes sistemas se adaptem ainda mais a cenários como silos de centrais de carvão não tripuladas e sistemas de armazenamento inteligentes, oferecendo um apoio mais forte ao desenvolvimento digital da indústria do carvão.