張家峁智能化選煤廠的研究與設計

毛 浩 郝 強

(陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西省榆林市，719600)

★ 煤炭科技·機電信息化★

張家峁智能化選煤廠的研究與設計

毛 浩 郝 強

(陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西省榆林市，719600)

介紹了張家峁選煤廠現狀，利用張家峁選煤廠自動化設備及張家峁公司網絡基礎現狀，以PLC自動控制技術、視頻預警技術、3D虛擬現實概念、定制化生產概念以及全生命周期管理概念構建了張家峁智能化選煤廠的架構，詳細闡述了智能化選煤廠的數據采集、3D可視化數據采集與監控(SCADA)系統、定制化MES系統、定制化與自動化優化控制系統以及監測與通信系統，最后對該智能化選煤廠的社會效益和經濟效益進行了分析。

智能化選煤廠 定制化生產 虛擬現實

近年來，隨著德國工業4.0、美國工業互聯網以及中國制造2025等概念的提出，以數字化、網絡化、智能化為特征的新一輪科技革命正在悄然興起，各個領域和各個行業的智能化建設正躍躍欲試。選煤廠作為一個典型的流程工廠，其生產工藝過程自動化技術日臻成熟，對其開展智能化研究具有較好的起點和基礎。基于此，提出了陜煤集團神木張家峁礦業有限公司(以下簡稱張家峁)智能化選煤廠的概念，主要目的就是充分利用現有的自動化、網絡化、信息化等技術手段，使選煤廠在優化、高效、集約和智能的模式下運行，從而達到整體結構優化、資源節約、環境友好以及企業和諧的要求。

1 張家峁選煤廠現狀

張家峁選煤廠隸屬于張家峁公司，生產工藝為重介淺槽洗選工藝，2016年6月通過改擴建將原煤處理能力從6.0 Mt /a提升到10.0 Mt /a。該選煤廠分為地面生產系統和洗選系統，地面生產系統包括礦井主井口帶式輸送機機頭溜槽以下至裝車站全部儲運系統，包括筒倉和帶式輸送機等設備。洗選系統包括準備車間、主洗車間和濃縮車間，準備車間將原煤破碎、篩分后送入主洗車間；主洗車間對送入的原煤進行脫泥后，通過重介淺槽進行煤矸分離，再對煤矸進行脫介、分流、介質回收以及精煤分類儲運等；濃縮車間首先將煤泥水中的煤粉進行分離，然后將剩余的煤泥水進行沉淀、濃縮和壓濾。張家峁選煤廠工藝流程圖如圖1所示。

目前，張家峁選煤廠洗選系統實現了啟車/停車遠程集中自動控制，但大部分設備的運行屬于開環運行方式，重介質密度控制及煤泥水沉降加藥均由人工完成，現場數據的采集及反饋沒有加入參與到對設備的具體控制中，視頻監測系統采用模擬圖像信號采集與傳輸模式；集中控制室顯示大屏采用DLP方式，缺少Web網接入模式；全廠的生產計劃、成本控制、人員調度、設備管理維護以及材料管理等方面均是由管理人員憑經驗來實現決策和控制。因此，目前張家峁選煤廠還屬于半自動化選煤廠，沒有實現整個生產系統的自動化控制。此外，張家峁選煤廠只能對固定煤層開采出來的原煤進行入選，無法生產出特殊客戶所要求的產品，銷售對象相對固定，在煤炭市場蕭條的時候無法應對市場的沖擊，缺乏主動開拓市場的能力，更談不上根據市場進行定制化生產、安全與運營生產管理以及設備運行狀態評估等方面的優化控制與決策。因此，要提高張家峁選煤廠的生產效率和經濟效益，在選煤廠后期的建設上，必須要進行智能化方式的改造。

圖1 張家峁選煤廠工藝流程圖

2 張家峁智能化選煤廠架構設計

張家峁智能化選煤廠在網絡架構上可以利用張家峁公司的千兆工業以太網、辦公局域網以及以3G無線傳輸網為一體的基礎數據傳輸平臺和統一的企業信息化平臺，在此基礎上構建智能化選煤廠系統網絡框架，包括決策規劃層、管理控制層、生產執行層和生產過程控制層，并引入3D虛擬現實監測監控、定制化生產、無人值守、視頻預警以及設備全生命周期管理等功能。張家峁智能化選煤廠架構如圖2所示。

張家峁智能化選煤廠建設的內容為：一是利用陜煤集團神木張家峁礦業有限公司的辦公局域網、工業以太環網及3G無線傳輸網對選煤廠進行數據采集，并在此基礎上構建智能化選煤廠的基礎架構；二是構建3D可視化數據采集與監控(SCADA)系統平臺，建立在線和離線數據采集系統，根據不同的目標要求對數據進行分類，建立分類(實時)數據庫；三是構建智能化分析、管理與決策系統，利用從SCADA獲得的相關數據所構建的選煤廠信息分類數據庫，根據不同的管理要求和目標對相關數據分析，實現利用數據進行決策的目的；四是在SCADA系統平臺的基礎上，根據可知的生產任務和產品目標要求，構建相應的控制模型和控制系統，實現定制化生產以及對生產過程的優化控制；五是構建監測通訊與設備保障系統，包括視頻監測、調度通訊、設備狀態實時監測與評估等，確保生產過程的安全運行，根據管理權限可以通過網絡(或客戶端)瀏覽器瀏覽系統的運行狀態、分析結果以及遠程故障告警通知等信息。張家峁智能化選煤廠功能結構如圖3所示。

圖2 張家峁智能化選煤廠架構

圖3 張家峁智能化選煤廠功能結構

3 數據采集

張家峁智能化選煤廠采用張家峁公司的工業以太環網為基礎建立數據采集網絡，以羅克韋爾自動化網絡系統為主要平臺，以采集現場生產數據為主要目的，以 PLC為采集核心，在各個子系統及采集點安裝工業級監測采集器，通過光纖環網將數據傳輸到數據服務器，主要采集的子系統如下：

(1)PLC自動化控制系統。分別采集集中控制系統、自動配煤、重介密度系統、自動加藥系統、自動壓濾等功能中的開關量和模擬量等，數據采集使用標準OPC接口與控制系統對接，生產數據歸檔到實時數據庫。

(2)智能供配電系統。采集所有供配電系統中的實時數據并歸檔到實時數據庫，實現高低壓數據監測，包括電流和電壓數據監測、故障報警、電量監測、遠程安全控制、各種操作日志等信息。

(3)工業電視系統。使用通用視頻瀏覽插件連接工業電視系統，實現工業電視報警、實時畫面查看以及歷史畫面回放等功能。

(4)設備狀態在線監測系統。采集設備靜態資料和動態運行參數(如溫度和振動等信息)，并將數據歸檔到實時數據庫，實現在線監控設備的振動頻譜、溫度以及設備報警等信息。

4 3D可視化數據采集與監控(SCADA)系統

使用數據采集器將生產過程中的各個子系統的實時數據采集并歸檔到數據服務器上，使用統一數據接口服務，將實時數據庫的信息在3D模型環境上顯示生產狀態，如設備資料、開停狀態、電流、振動頻譜、工業攝像頭實時畫面等信息。

4.1 3D可視化顯示系統

目前，國內現有的監測監控系統均是二維意義上的監控平臺。3D可視化顯示系統是利用虛擬現實技術結合選煤廠的結構、設備布局以及監測與控制的任務要求進行開發，并在3D環境下展示全廠的生產狀態。對廠區、樓層、設備等實體進行三維建模，達到三維動畫效果，并以縮放方式方便觀測被測控點(部位)的狀態或參數，能夠以曲線、表格等形式進行實時顯示、存儲與歷史數據調用等。可以在瀏覽器或移動設備上瀏覽全廠生產狀態，可自由在廠區、廠房內部行走漫游，也可以通過搜索的方式快速定位設備或區域。

4.2 供配電參數監測

從選煤廠的電力總進線開始，監測每一供電回路的電壓、電流、功率與功率因素等參數，一方面可以評價供電系統的運行效率，另一方面可以為能源管理做基礎。

4.3 設備運行參數監測

在3D可視化SCADA系統的基礎上，顯示選煤廠17臺被監測設備的運行狀態，并對運行狀態進行分類、記錄、存儲、統計以及表格輸出等。

4.4 儲運系統參數監測

儲運系統包括原煤準備和精煤儲運兩個部分，監測儲運系統參數包括煤倉煤位、給煤機給煤速度、帶式輸送機的帶速以及相關拖動系統(變頻器與電動機)等相關設備的運行參數。

4.5 洗選系統參數監測

監測洗選系統參數包括稀介桶液位、合介桶液位、合介密度與流量、介質磁性物含量以及相關拖動電機的運行參數等。

4.6 煤泥水處理系統參數監測

監測煤泥水處理系統參數包括煤泥桶液位、煤泥水濃度和流量、溢出水濁度、沉淀池pH值、煤泥水溫度以及相關拖動電機的運行參數等。

5 定制化MES系統

MES系統基于SCADA的數據采集，根據不同任務要求，建立管理與分析模型并得出分析結果，為優化管理和定制化高效生產提供決策依據，包括市場分析、煤質管理、材料配件管理、能耗管理以及綜合成本核算等功能。

5.1 市場分析

根據當前用戶的煤質需求，結合煤質管理系統獲取的當前原煤倉煤質數據，計算并提供多個配煤方案，并將用戶選定的配煤方案傳輸至選煤廠集中控制系統，集中控制系統根據配煤方案進行生產。

5.2 煤質管理

通過建立礦井原煤與選出產品的歷史煤質檔案，構造適當的數據模型，以反映礦井原煤煤質與選出產品煤質的對應關系。此外煤質管理功能可與市場分析功能結合，綜合當前市場需求數據，輸出定制化自動配煤系統的原煤配比方案，以供定制化自動配煤系統驅動生產。

5.3 材料配件管理

依據設備配件材料需求量和故障率，計算合理的庫存需求，對高于或低于庫存需求的材料配件提出報警，在保證正常生產的同時最大限度地減少庫存，節約生產成本。

5.4 能耗管理

依據從SCADA系統采集的實時電量消耗、介質消耗、水量消耗和藥劑消耗等，分析各個生產環節在單位產品生產中的能耗比例，以輔助企業的能源管理部門對能源的管控。

5.5 綜合成本核算

綜合成本核算包括產品產量的統計、產品成本構成項的數據統計以及不同產品構成項在一個數據統計周期內的分配量的計算等。通過分析產品的成本構成，建立合理的計算模型，估算單位產品的生產成本，提供產品不同成本項在總成本中的分布圖，為產品的成本控制提供數據支持。

6 定制化與自動化優化控制系統

定制化生產是根據礦井產出原煤的煤質參數以及市場對產品的要求，對不同原煤進行動態配比，并生產出符合要求的精煤產品，使選煤廠成為實際意義上的煤炭制造工廠，該目標的實現需要洗選系統的全自動化控制運行。

6.1 自動化系統集控功能

原煤準備、入選、產品輸出以及煤泥水處理等環節是一個連續的過程，需要實現從該過程的順序起停車的集中自動控制，滿足單臺設備的就地控制、互鎖和閉鎖等功能。

6.2 定制化自動配煤功能

不同原煤煤質存在差別，洗選時需要將定制化MES系統給出的入選比例進行參和并進入洗選系統，配比的準確性以及配料系統的可靠性將直接影響產品的質量。需要控制對應原煤倉下的閘板開度、給煤機的給煤速度來實現原煤的配比要求，并在相應的帶式輸送機上設置膠帶秤，以閉環控制方式核定給煤機給煤量的準確性，實現精準配煤，配比誤差在1%以內，設計算法時要考慮煤量檢測與給煤控制的滯后關系以及篩分過程中的煤量損失。該配煤功能主要由配煤專家和電氣控制組成，配煤專家隸屬于定制化MES系統中的煤質檢驗功能，通過計算機程序完成配煤方案的確定與審批，形成操作方案，它的控制核心是根據原料煤的特性以及用戶對產品煤的要求，采用遺傳算法，計算出可選的配煤方案。電氣控制部分通過生產控制系統控制給煤機、閘板及相應設備自動完成配煤任務及過程監控，并最終實現定制化生產。

6.3 重介密度自動調節功能

精煤質量的穩定取決于重介密度的穩定性，而重介密度受原煤的入選量、合介桶的液位和密度、重介流量、重介中磁性物和煤泥的含量以及重介分流比例等諸多因素影響，在設計介質密度控制時需要綜合考慮以上因素的影響和相互耦合關系，將重介密度控制在1.55±2% kg/L(或1.75±2% kg/L，并可以根據要求進行設置)的范圍內，將煤泥含量控制在40%～50%之間。

6.4煤泥水自動配/加藥控制功能和煤泥自動壓濾功能

煤泥水中煤泥的沉降速率與煤泥水的澄清效果受煤泥水的濃度、流量、濃縮池煤泥水的pH值以及加藥(絮凝劑、凝聚劑和火堿)量的速率和濃度有關，需要將溢出水濁度控制在0.5 g/L以內，實現藥劑在設定濃度下的自動配比，并按煤泥水的濃度、入池流量以及沉降速率自動加入，實現煤泥水自動配/加藥的閉環自動控制，同時實現煤泥水壓濾機的遠程無人操作功能。

6.5 帶式輸送機節能調速功能

張家峁選煤廠擁有501、502和530這3條產品煤帶式輸送機，長度約為200 m，目前運行狀態為變頻器軟啟動后工頻運行，在日常情況下填充率達不到最大，為了提高帶式輸送機的運行效率和減少電量消耗，需要對帶式輸送機的運行過程進行分析，調節帶式輸送機的帶速。當帶式輸送機運量變化時，只要根據運量調整相應的帶速，從而達到節能運行和延長設備生命周期的目的。將3條帶式輸送機設置成為節能調速功能，使帶式輸送機實現填充率最大(90%～100%)條件下以最小速度(可以將帶速固定為3～5個固定速度)閉環控制運行。

7 監測與通信系統

智能化選煤廠要求對洗選系統中關鍵節點和場所進行遠程視頻監測與分析，對系統中的主要場所進行監視，對主要設備進行實時監測和性能評價，建立系統設備的保養與維護檔案、管理措施以及選煤廠整體的性能評價體系等。

7.1 視頻監測系統

視頻監測系統對選煤廠的關鍵部位布置點位進行固定或掃描實行實時監控，圖像傳輸方式采用網絡IP傳輸方式，攝像頭之間采用自成環網，通過增加網閘的方式和Scada系統進行不同網段之間的互通，實現與3D可視化SCADA系統之間的融合。除具有基本功能外還應有視頻信號分析與現場異常情況(設備運轉異常、人員闖入等)的預警、記錄、存儲、統計等功能，異常情況預警需要具有算法軟件依據與說明，實現對非法闖入的限制和監視。

7.2 除塵與火災報警系統

在有粉塵的部位或場所安裝除塵裝置并接入監測監控系統，實現除塵設備的遠程監測與控制，根據消防要求，在重點部位(如配電室、運輸棧橋等)設置溫度或煙霧傳感器，并將它們并入監測監控系統，分析和預測被監測場所和部位的火災隱患。

7.3 語音電話調度系統

為了實現高效率和高質量的生產，保證生產現場與生產調度部門之間的通信暢通，建立并完善語音電話調度系統。

7.4 網絡化辦公與移動辦公系統

相關人員可以根據自己的業務和權限在線實時瀏覽智能化系統中的有關信息和內容(監測圖、系統運行狀態、報表、曲線等)，也可以通過手機實時瀏覽所需要查閱瀏覽的智能化系統中的有關信息和內容(報表、曲線等)。

8 效益分析

8.1 社會效益分析

張家峁智能化選煤廠建成后，現場工藝及設備的自動化程度將達到100%，前期人工主觀觀測及分析的部分由智能程序替代，大部分現場工序由PLC程序控制的設備替代，這將大幅度減少現場危險源數量，同時降低工人勞動強度，從管理方面由智能分析替代人工主觀介入，從而提升選煤廠的管理水平。在定制化生產方面，張家峁選煤廠由普通的自動化選煤廠升級為“煤炭智能工廠”，根據客戶需求緊緊把握市場煤炭需求，進一步提升企業效益。

8.2 經濟效益分析

(1)張家峁智能化選煤廠運行后可以減少現場運行人員50%，減少管理人員40%，減少工資成本約為360萬元(30人)；自動調節重介質密度可以保持重介質密度穩定，使精煤洗出率提升0.5%，年節約重介質約為30 t;自動配藥和加藥可使煤泥水處理的效率提高，年節約藥劑約為10 t，減少藥劑成本約為876萬元。

(2)定制化自動配煤可使精煤的銷售價格提高0.5% ，按提高價格1.5元/t計算，每年生產200萬t精煤增加經濟效益約為300萬元；帶式輸送機根據實際載荷進行調速，每年節約電費約為42.75萬元。

(3)定制化MES系統的構建通過設備的實時監測與性能評估，可以提早發現設備的隱患，提高整體系統的開機率5%，每天可以多選精煤530 t，同時可以使生產效率提高3%，按每年生產200萬t精煤計算，合計增收約為7047萬元。綜合各項節約和增收合計，每年可以給企業增加經濟效益約為8023.75萬元。

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ResearchanddesignofZhangjiamaointelligentcoalpreparationplant

Mao Hao, Hao Qiang

(Shenmu Zhangjiamao Mining Co., Ltd., Shaanxi Coal and Chemical Industry Group, Yulin, Shaanxi 719600, China)

In view of the current situation of Zhangjiamao coal preparation plant and its automation equipment and network fundamentals, the architecture of Zhangjiamao intelligent coal preparation plant was built based on PLC automatic control technology, video early warning technology, 3D virtual reality concept, customization production concept and product life-cycle management concept, and the data acquisition, 3D visual supervisory control and data acquisition (SCADA) system, customization MES system, customization and automatization optimal control system, supervision and communication system of the intelligent coal preparation plant were elaborated in detail, and the social and economic benefits of the intelligent coal preparation plant were analyzed in the end.

intelligentialized coal preparation plant, customization production, virtual reality

毛浩，郝強. 張家峁智能化選煤廠的研究與設計[J].中國煤炭，2017，43(10)：82-87.

Mao Hao, Hao Qiang.Research and design of Zhangjiamao intelligent coal preparation plant.[J].China Coal，2017，43(10)：82-87.

TD67

A

毛浩(1985-)，男，陜西延川人，機電工程師，主要從事煤礦洗煤廠電氣系統設計、管理與維護工作。

(責任編輯 路 強)