常村選煤廠智能化改造的研究應用

程錦科

(潞安環能股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

在智能化建設過程中，常村煤礦選煤廠把智能化選煤廠的基本框架劃為底層自動化、中層智能管理系統(SCADA系統、IMS系統等)、上層企業云平臺(云服務器、智能終端等)三個層次。底層設備的自動化、生產信息數字化是智能化洗煤廠建設的基礎條件。常村煤礦選煤廠堅持從實際情況入手，逐步完成了生產系統的控制網絡建設、系統內的區域控制以及以壓濾系統的自動控制、洗選系統的洗水平衡、火車自動化裝車、浮選遠程定量加藥等為代表的底層設備的自動化控制。同時完成了智能管理系統中SCADA(數據采集與監視控制)系統。

1 生產系統的控制網絡

常村煤礦選煤廠在廠內構建了一個千兆光纖環形以太網工業控制平臺，調度室設置了兩個西門子1500系列PLC(一主一備)，在原煤、壓濾、重介-浮選、精煤倉、后落地裝車、外來煤系統等6處設置分站，各分站通過環形以太網與主站通訊，實現了快速采集全廠控制信息和實時設備控制，同時消除了信息壁壘，實現廠內生產設備信息共享。

本系統PLC采用模塊化程序設計，具有自診斷功能，可以準確判斷系統或單個設備是否具備開車條件，實現一鍵全流程啟動和設備單控。同時利用系統的開關量采集功能，常村煤礦洗煤廠自主設計了膠帶失速，刮板失速，溜槽堆煤等保護，確保現場設備在無人值守的情況下，安全可靠的運行。利用系統的模擬量采集功能，常村煤礦洗煤廠使用拉線傳感器、雷達料位計等傳感器采集閘板開度、煤倉倉位和水池液位等信息，通過SCADA系統反饋到調度室，對生產指導提供了寶貴信息。生產系統的控制的主要功能如下：

1) 控制方式：本系統分為集中自動、集中手動、就地三種控制方式。集中自動方式由集控室發出流程啟、停車命令，現場相關設備按預定流程進行順序的啟停；集中手動是在集控室對單臺設備分別進行有或無閉鎖單獨開停控制，設備間的閉鎖關系與選擇的路徑有關；就地控制是在設備操作箱上進行無閉鎖啟停，一般在設備檢修試車時使用。

2) 預警方式：預警采用聲光預警方式，各獨立系統單獨預警，根據預警的頻率和次數來區分預警信號。可以自動預警也可以手動預警。

3) 啟停過程：采用逆煤流啟動，順煤流停車，設備啟停時間間隔根據需要來設置。系統順序啟動時，先自動預警，預警結束后，系統按照設定程序順序開始啟動設備，直至整個流程啟動完成，其中，預警時間可以在計算機上設定；在預警和啟動過程中，現場工作人員發現問題時，可以通過按下停止按鈕、將控制方式改為就地、觸動膠帶保護等方式來結束預警和啟動過程，并且，這些操作都能直觀反映到調度室。

4) 自動停車：為了避免人為因素造成設備空轉，系統自動判斷運行條件，當設備空轉時，自動進入流程停車狀態。

5) 自動運行：根據液位、倉位以及其他人為設定條件(如時間、給煤機開停等)來維持系統的自動運行。

6) 電動閘板監控：對關鍵部位的閘板進行電動改造，并實現集中控制，如304處閘板和洗矸石倉下閘板，調度員可以根據膠帶的運行狀況來調節閘門的大小。

7) 分煤器監控：對關鍵部位的分煤器進行電動改造，并實現集中控制，調度員可以需求來調整流程和落煤點。

8) 電動閥門監控：對關鍵部位的電動閥門進行監控。

9) 電機保護監視：通過通信的方式來讀取電機綜合保護器的運行參數，當電機保護故障時，能判斷出故障原因，主要包括以下故障：過載、堵轉、相不平衡、欠載、欠壓等。

10) 膠帶保護監視：將生產系統中的膠帶保護信號接入到集控系統中來，當膠帶保護動作時，能及時發現故障點，并進行處理。

11) 倉位監視功能：選用雷達料位計對煤倉進行實時監測，為生產提供依據。

12) 液位監測功能：選用超聲波液位計對水箱水池的液位進行監測。

13) 膠帶計量監視：能監視膠帶稱的瞬時流量，并根據膠帶秤輸出，對各班膠帶運煤情況進行統計。

14) 變頻參數監視：對系統中的一些變頻器，能通過通信方式讀取變頻器的參數，根據運行參數，能及時發現設備異常。

15) 配電系統監控：能監視高低壓空開和斷路器的狀態，并能實現低壓主受開關的監控。

2 SCADA監控系統

SCADA監控系統負責監視和操作現場的設備及流程等，用于接收智能管理系統的控制策略同時向PLC發送操作指令和運行算法等命令。常村煤礦選煤廠的SCADA系統是由西門子上位機軟件Wincc和數據庫Microsoft SQL Server 2008組成，除具備數據采集與監視控制之外還有信息存儲功能，可以記錄操作員操作過程、設備運行日志、現場保護的動作日志、主運膠帶的煤量以及主要設備的電機電流、電機頻率等參數并可以用文檔的形式及時發布，為洗煤廠的日常管理和設備維護保養提供有效的依據。

SCADA監控系統主要功能如下：

1) 設備故障分析：當設備停車時，系統能自動判斷停車原因。主要停車原因如下：電機保護故障停車、膠帶保護故障停車、現場停車、閉鎖停車、掉電停車、集控停車、自動停車、流程停車、系統急停等，其中，電機保護故障能具體到故障原因，膠帶保護故障具體到故障的位置。

2) 流程故障分析：在正常生產期間，因某一設備的停車而造成整個流程中斷時，控制計算機預警，并判斷出影響流程的設備，以便調度員及時發現和解決問題。

3) 運行時間統計：對每個設備的本次以及當天運行時間進行統計，為生產分析提供時間依據。

4) 設備運行記錄：實時記錄設備的開停狀況，能查詢1年內的設備的開停情況，并自動累計運行時間，開停次數等。記錄內容包括：設備名稱、開車時間、開車方式、停車時間、停車原因、運行時間等。

5) 設備故障記錄：能查詢設備的故障情況，并分析出各種故障的次數與累計時間。

6) 操作記錄查詢：能自動記錄操作人員的操作，為故障分析提供依據。

7) 網絡發布功能：能將系統運行狀況的各種信息發布礦局網絡內，在權限允許的范圍內可以進行遠程操作和查看。

3 系統內的區域控制

傳統選煤自動化生產均采用集中控制模式，存在調度員無法對供電、設備、工藝、安全所有環節與專業實施全面監控的困境，其他相關人員需要調度人員進行任務分配，存在較大的滯后等缺點。常村煤礦選煤廠在建設智能化選煤廠的過程中借助信息共享平臺，由崗點式管理改為巡崗式管理，將傳統的選煤集中控制模式向區域監控與集中監控相結合的模式轉變。模式構成后，不僅實現巡崗式管理，還達到了控員提效的目的。特別是在外來火車原煤卸煤、北煤場回煤及產品裝車、落地等環節上。在后期的規劃中，常村煤礦選煤廠將在機電車間增加區域監控站點，負責全廠供電系統的監控，由相關專業人員進行操作，減去調度人員與相關人員溝通的時間，提高工作效率。同時建立信息管理IMS系統和企業云平臺，形成移動互聯的可視化協作平臺。通過信息管理IMS系統和企業云平臺建設，實現選煤生產、煤質化驗、煤炭銷售各類信息匯于一體的協同管理平臺。同時通過與SCADA系統互聯，不僅實現對全廠設備的遠程監控與視頻在線，還可實現在授權情形下，設備及工藝過程的操作和控制。

4 底層設備的自動化建設

選煤屬于典型的流程工業范疇，過程控制是選煤生產的核心環節，傳統的選煤廠建設基本實現了選煤廠集中控制，僅僅解決了設備依據工藝的流程啟動以及保障了設備和人的安全，對提高生產的效率與效益作用有限。重介分選、粗煤泥分選和浮選三大過程智能控制才是真正可以實現穩定產品質量、提高分選精度和精煤回收率、降低介質消耗和藥劑消耗的關鍵。此外配煤過程、煤泥水處理過程、配裝過程對于穩定產品質量、提升效益也非常重要。因此常村煤礦選煤廠堅持不斷探索、循序漸進的原則，不斷完善底層設備的自動化。現以壓濾系統一鍵啟停和洗選系統洗水的自動平衡為例。

4.1 壓濾系統一鍵啟停

浮選系統的精煤、尾煤壓濾共計8臺壓濾機(各4臺)，改造前需要人工操作，完成壓濾機及其附屬的入料泵和卸料刮板啟停以及各臺壓濾機的入料順序，不僅環節繁瑣增加職工勞動強度，而且在生產環節的控制上因煤泥水池料位不易控制等人為影響會造成系統運行不暢。例如：在浮選4臺壓濾機控制上，一旦出現兩臺以上壓濾機同時卸料，會造成下方設備負荷增加和最終煤質不均的情況；尾煤壓濾出現兩臺壓濾機同時卸料的情況會使下方煤泥膠帶負荷增大，出現設備運行過流故障；在精煤泥水池液位變化較快的情況下，因壓濾機處理時間接續不好，造成水池漾料或泵開空吸入空氣等。

為解決以上問題，減少操作環節和人為控制的不利情況，常村煤礦選煤廠通過增設壓濾機入料管微細流量傳感器和壓濾機料桶(料池)雷達料位計，實現了入料泵、壓濾機、卸料刮板機以及煤泥運輸設備的自動控制程序，利用區域控制的監控設施實現壓濾機一鍵流程啟動，即：在正常生產情況下，通過自動控制程序，結合入料池(筒)料位情況，實現渣漿泵自動入料、壓濾機入滿料時(通過微細流量計+延時設定)實現自動停泵，卸料刮板機反轉卸水后正轉壓濾機卸料，卸完料在程序控制下實現相同用途的壓濾機依次順序入料，不同時卸料，同時根據壓濾入料池(桶)水位自動選擇要開啟的壓濾機臺數。

在改造過程中，常村煤礦選煤廠先后解決了水池料筒的液位計量不準、壓濾機流量監測不精確以及流程設備配合時間等問題，最終實現利用區域小流程控制精煤壓濾系統12臺設備和尾煤壓濾13臺設備一鍵啟動后系統自動運行的目的。

4.2 洗選系統洗水的自動平衡

生產過程中存儲生產用水的各類水池(桶)需維持一定的水位運行，保證產生系統的水平衡。原有控制水平衡是由崗位人員不定時地對各料桶、水池的水位進行觀察檢測，然后控制進出料的設備啟停，來控制洗水維持一定水位。為了減員提效，常村煤礦選煤廠逐步嘗試進行改造，現已初步實現生產系統中的洗水自動平衡。主要做法是：

各料筒(池)采用可靠的料位計量并根據料位的不同對料桶進行補水，生產系統中各旋流器進行壓力采集并遠程顯示，系統通過料筒的液位以及旋流器壓力來調節給料泵的頻率，監控點操作人員可以遠程輔助操作。智能控制過程和原理：當系統流程啟動后，某個料筒內水位達到一定高度，相應排水泵(給料泵)以一定頻率啟動(此頻率需保證旋流器的壓力)；當檢測到料筒液位不斷增長的時候，系統自動增加頻率(最大50 Hz)；當檢測到液位不斷下降后，系統自動降低頻率，當旋流器壓力達到下限的時候，系統停止降低頻率，同時開啟補水閥門。補水閥門開啟后如果液位不斷上升，系統自動關小補水閥門。如果液位不斷下降，液位降低到一定值的時候，排水泵(給料泵)自動停泵。

經過兩年的現場實際運用，洗水的自動平衡控制流程實現了生產過程中各水位的動態平衡。

5 常村煤礦選煤廠智能化改造規劃

常村煤礦選煤廠為成為更高標準的智能化選煤廠，未來兩年智能化建設項目規劃主要有“決策支持型選煤廠信息管理系統”、“配電室智能監控系統”、“選矸機械手”、“井口防串倉改造”、“浮選精煤泥均質給料技術研究”等。

1) 決策支持型選煤廠信息管理系統，計劃對技術、安全檢查、機電設備、生產調度等進行信息集成共享，需增加手機APP巡檢、流程審批、人員定位等功能，將集中控制系統中的倉位、液位、膠帶秤以及設備運行參數、故障保護參數、生產控制數據和煤質化驗數據無縫隙連接、無時限手機共享，實現生產管理、煤質管控、產銷協同，在生產系統的決策支持等方面的提檔升級。

2) 對供配電系統實施智能化控制改造，計劃構建遠程操控和監控平臺，實現對配電系統的實時監控功能，需要擴展配電室智能溫度調控功能、人臉識別和視頻跟隨功能，配電室電控門鎖功能等，為暫時不能實現數據遠程傳輸的配電柜預留端口，提高原系統設計的電器件標準，確保系統達到智能、安全運行。

3) 選矸機械手的應用，利用視頻判斷區分煤和矸石，使用機械手自動選取矸石排出系統，利用智能化設備替代人工。

4) 井口防串倉改造，通過對井口來料情況進行判斷，控制放倉閘板開啟程度，杜絕異常情況出現的井口滑倉情況，減少職工勞動強度和調整崗位人員安排。

5) 開展浮選精煤泥均質給料技術研究，尋找解決重介-浮選工藝并存狀態下，精煤泥與重介精煤不能均量摻混導致的綜合精煤灰分波動大，洗煤質量管控困難等問題，為今后實現精煤灰分的在線檢測，降低技檢人員的勞動強度做好技術鋪墊。

6) 集控系統擴展項目，計劃完善單機系統自動控制并入集中控制系統，增加集中潤滑系統。調研密控系統并入集控系統，實現密度自動調節；在壓濾機一鍵控制的基礎上增加精煤臥脫自動控制；繼續研究浮選機自動加藥系統，使現場設備完全脫離人工控制；實現全廠主要生產設備的集中潤滑；完善生產系統運行保護。

7) 完善視頻監控系統。實現視頻隨動、故障定位功能，增加廠房主要位置的人臉識別和視頻追蹤功能，更新現有視頻硬件，為提供遠程視頻實時監控提供有力保證。本項目與集控系統擴展同期進行。