再论智能化背景下选煤厂设计展望

卫中宽，李毅红，杨瑞峰，郭大林

(1.中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120；2.陕西煤化选煤技术有限公司，陕西 西安 710199)

1 选煤厂推广智能化的时代背景

1.1 第四次工业革命正在到来

第四次工业革命正在悄然来临，它是以人工智能、机器人技术、虚拟现实、量子信息技术、可控核聚变、清洁能源以及生物技术为突破口的工业革命[1]，也称之为“绿色工业革命”。各国为此均出台了相关政策。中国第一次与美国、欧盟、日本等发达国家站在同一起跑线上，在加速信息工业革命的同时，正式发动和创新第四次绿色工业革命。

第四次工业革命的一个主要分支体现在电脑的深度学习，让电脑能够进行深度思考并且做出决策是第四次工业革命最重要的事情。

煤炭作为一个传统的工业领域，不可能独善其身。国家能源局发文鼓励“加强煤炭产业自动化、数字化、智能化技术装备研发，提升煤炭采选效率和智能化水平”。作为煤炭产业重要组成部分的煤炭洗选加工业必将融入时代发展的大潮流，越来越多的业内人士开始构想选煤厂的智能化建设。

1.2 煤炭洗选加工领域工业化水平相对落后

应该清楚的看到，我国煤炭洗选加工领域的工业化水平还相对落后，主要体现在：

(1)主要靠要素投入，技术水平提升缓慢，不可持续；

(2)装备研发能力不强，加工制造水平弱；

(3)设计、研究与实际生产部分脱节；

(4)高端的工程技术与管理人员严重不足；

(5)选煤厂的经营决策、资源配置计划、生产调度与控制仍严重依赖工作经验，信息孤岛大量存在[2]；

(6)核心工艺智能化研究进展缓慢[2]；

(7)选煤厂在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显[2]；

(8)多数选煤厂用工数量依然较大，人员工效相比国外较低。

1.3 数字化、信息化、智能化的关系

再次澄清以下几个概念，便于更好的理解智能化选煤厂的含意。

(1)数字化：将复杂多变的信息转变为可以度量的数字和数据，一般是指利用计算机信息处理技术，把声、光、电、磁等信号转换成数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变为数字编码，用于传输与处理的过程[3]。

(2)数字化是基础，是信息化的起步，信息化是终极目标[3]。

(3)信息化囊括智能化，智能化是信息化的核心[3]。

1.4 新工业革命的大背景下，选煤厂必将经历变革

我国是一个选煤大国，但尚未达到选煤强国。我们的选煤厂发展水平非常不平衡，有些选煤厂的装备水平比较高，有些则处于20世纪末水平，良莠不齐，与之相适应的管理模式、生产流程等差异也非常大。

工业化是国家生产力发展水平的重要标志，我国的工业化进程尚未完成。为了追赶国际先进工业化的步伐，我国提出了“两化融合”发展道路，即以信息化带动工业化，以工业化促进信息化。

针对我国选煤工业发展现状，推进工业化与信息化的深度融合，提高装备水平和管理能力，是建设智能化选煤厂有效途径的探索。在新工业革命的引领下，选煤厂必将经历变革，选煤厂智能化势在必行。

选煤厂智能化的直接目标是提高效益(经济效益、社会效益、人文效益、安全效益等)。

2 国内典型“智能化”选煤厂案例

2.1 调研及技术交流

自2018年10月起，中煤天津设计公司分5次组织调研了智能化工厂建设情况。共调研工厂7座，其中选煤厂6座，分别是神东上湾选煤厂、西山斜沟选煤厂、伊泰酸刺沟选煤厂、陕煤张家峁选煤厂、临矿鲁西选煤厂和枣矿高庄选煤厂，调研化工厂1座，为中煤蒙大化工。

1年多来，公司还多次邀请高校老师、设备厂家等单位进行技术交流，沟通交流智能化选煤厂建设新技术，为智能化选煤厂建设项目建言献策，旨在为行业发展尽绵薄之力。

2.2 典型案例

2.2.1 神东上湾选煤厂

上湾选煤厂智能化升级始于2015年，主要内容涉及移动集控、信息化停送电、智能分选、智能加药、智能加介、铁器自动识别、设备在线监测、人员定位及智能照明等，其系统示意见图1。升级后生产效率提升5%；每天减少1 h运行时间，节电10%；减少岗位人员21人。

上湾选煤厂智能化建设点多面广，是唯一公布智能化效果数据的单位。其亮点是信息化停送电和移动集中控制系统，开创了选煤厂新时代管理模式的先河。信息化停送电无论从无纸化、程序的闭环管理，还是劳动强度的降低方面，其效果均十分明显。

图1 上湾选煤厂智能化控制系统示意

2.2.2 西山斜沟选煤厂

斜沟选煤厂智能化改造工程始于2016年，主要涵盖了全厂自动化整合、移动办公OA、全厂集控优化、选煤工艺、供风系统、工业通信、加药模块、生产用水模块等20多项。目前已经完成的有通信网络、设备在线监控、压滤机智能管理、TCS粗煤泥分选机智能管理、智能鼓风管理等，其智能化系统示意见图2。部分模块已投入使用，比较成熟的有压滤机自动控制模块和浓缩机自动加药系统，据悉，近期密度智能控制系统也已上线试运行。

图2 斜沟选煤厂智能化系统示意

斜沟选煤厂智能化建设按统一平台规划实施，生产、管理的各个模块制定了同样的标准接口，这在国内选煤行业尚属首例。

2.2.3 伊泰集团酸刺沟选煤厂

酸刺沟选煤厂的智能化建设仅是主要设备在线监控与预测，其系统示意见图3。全厂共增加三维振动、温度二合一传感器约450个，主要有4类设备，分别是带式输送机、刮板机驱动、破碎机驱动、振动筛激振器。实施的目的有2点：

(1)在线监测设备运行状态，实现设备故障前的预先报警，减少系统非计划停机，优化备品备件库存。

(2)替代传统的人工点检，减少工作人员，降低劳动强度。

图3 酸刺沟选煤厂智能化系统示意

虽然酸刺沟选煤厂智能化建设内容较少，但其监测与预警功能突出，主要表现在对设备的在线监测，自动收集数据后有完整的预测、分析和诊断功能，并引入了“We”指数的概念，诊断结果精细，现场应用效果较好。

2.2.4 陕煤张家峁选煤厂

张家峁选煤厂智能化改造始于2017年，改造内容主要集中在3D展示、智能视频安全监控系统、设备在线监测、浓缩药剂自动添加和带式输送机节能调速等，其系统示意见图4。以自动控制系统升级为主，主要亮点为全煤流3D展示、电子安全围栏和视频随动系统。作为陕煤集团选煤厂智能化的试点项目，张家峁选煤厂取得了一定的探索经验。

图4 张家峁选煤厂智能化系统示意

2.2.5 临矿鲁西选煤厂

鲁西选煤厂智能化建设荣获“煤炭行业两化深度融合优秀项目”称号。该厂智能化整体推进按照“三步走”思路进行，目前建设了三维可视化智能巡检系统、信息报警系统、自动加药系统、快灰检测系统、压滤机自动清理系统、振动筛智能监测系统和智能卫生冲洗系统等，部分系统示意见图5。

图5 鲁西选煤厂智能化系统示意

鲁西选煤厂智能化的最大亮点是初步建立了一个三维可视化智能巡检平台，规划了生产管理平台与三维智能巡检平台的融合。但由于目前三维可视化系统未与现有集控系统联网，未读取集控系统的数据，因此多用于展示。

2.2.6 枣矿高庄选煤厂

高庄煤业公司在枣矿集团内部率先推进智能化选煤厂建设。在自动化方面建设了视频随动控制系统、顺逆煤流一键启停、旋流器压力自平衡条件、给煤机PID变频控制、密度跟踪控制、煤泥水自平衡系统、压滤机联机自动化以及网路化智能配电管理；在信息化方面建设了设备运行状态监测、自润滑系统、移动端智能巡检系统、MRP移动终端办公平台以及煤质数据管理平台。其系统示意见图6。

图6 高庄选煤厂智能化系统示意

高庄选煤厂所做的改造总体比较务实，出发点是为了解决实际问题。在自动化方面的改造可以改善生产过程控制的精细化程度；视频随动系统可以保证屏幕上投放相对重要的画面，能够指导现场人员作出快速反应。而网络智能化配电管理中远程分合闸虽可减少电工劳动强度，但是如果不手动分开隔离开关，设备检修将存在安全隐患，且未完成停送电网上流程审批，稍显遗憾。另外，APP智能巡检系统仅仅约束巡检人员的巡检路径，没有从根本上改善巡检强度。

2.2.7 中煤蒙大化工

中煤蒙大化工是中煤集团的全资子公司，2016年4月投料开机。蒙大公司以“全面感知、优化协同、绿色环保、智能蒙大”的理念着力打造智能工厂，成立初期就搭建了OA办公、ERP、档案管理等办公业务系统，设计之初就要求三维数字化交付。其系统示意见图7。

图7 中煤蒙大化工智能化系统示意

蒙大公司于2015年7月开始建设实时数据库、MES、实验室管理、智能衡器、智能巡检、三维可视化工厂等信息化系统；2017年获工业和信息化部两化融合管理体系贯标试点示范企业；2018年成功入选国家工信部《2018年智能制造试点示范项目》和《人工智能应用试点示范》。

蒙大公司智能化建设有两大亮点工程：一是建设了信息化管理系统集成平台，打通了信息孤岛；二是建成了三维可视数字化工厂，实现了设计工程错漏碰撞检查、吊车吊装和土方挖掘方案模拟、系统参数集成显示、生产应急指挥等。在设计、施工、运维全过程中发挥着作用，提高了管理效率。

2.3 案例小结

(1)智能化建设的热潮已在煤炭洗选加工行业兴起，各大煤业集团都在积极布局，抢占制高点，力求赢得发展先机。

(2)化工行业的智能化建设理念和进度至少领先煤炭行业数年以上。未来，可以引入其他行业的新技术、新理念，结合选煤行业现状，尽早打造出属于煤炭行业的智能化工厂样板。

(3)选煤厂智能化建设呈现的相同特点是：起点务实，都是从某一环节着手开展智能化基础建设。

(4)智能化内容多集中在原有集控系统或自动化系统的完善升级，另外还有一部分数字化和信息化的提升工作，距离真正的智能化尚存在较大差距。但与以往的自动化、信息化又有明显的不同，现阶段更多强调数据的持续实时采集。

(5)工业大数据的重要性已逐步成为行业共识。但国内已开展智能化建设的选煤厂中，布局大数据资源池的项目几乎没有。工业大数据是实现选煤厂智能化的基础，应尽快规划建设。

(6)打破各方系统形成的独立“烟囱”，连接各个信息孤岛在行业内已逐步得到重视。在鲁西、斜沟2座选煤厂智能化改造中均已着手规划统一平台，进行系统性智能化建设。

(7)三维可视化工厂在选煤行业的开发与研究不够，没有得到实际应用。现阶段的展示意义大于对生产的指导意义。鲁西的三维可视化系统未与现有的集控系统联网，未读取集控系统的数据。

(8)设备在线监测与预警是现阶段选煤厂“智能化”建设的普遍内容，现场使用效果较为理想。但普遍存在浅尝辄止，数据监测类型单一，没有对在线预警数据进行深度挖掘、分析等问题。因此，对多数据进行监测与健康评估，实现故障定性、定量、定位诊断是未来发展的重点。

3 选煤厂智能化存在的问题与思考

3.1 应出台相关智能化选煤厂设计标准

从全国看，选煤厂的智能化建设尚处于起步阶段，各厂智能化建设内容千差万别，不尽相同，没有统一的标准和模式，且会随着现代信息技术、自动化技术的发展进步而变化。从某种意义上讲，选煤厂智能化建设不是一项具体的工程，而是一个目标。

编制煤炭洗选加工行业便于操作落实的“智能化标准”具有重要意义，应尽快出台，解决企业的盲目性。

3.2 选择好的“土壤”，建设示范项目

目前正在探索的智能化选煤厂有以下特点：工艺系统较简单，整体装备水平较高，经济效益较好，操作运营团队一流，所属集团公司理念新颖且高度重视，出发点比较务实。

各大选煤厂应结合自身条件，制定符合自身特点的“智能化选煤厂”实施方案，有选择地采用智能化技术，现阶段应以提高经济效益为主，逐步实现作业地点的无人化或少人化作业。

可通过建立示范试点项目的方式，进行智能化建设的探索工作，为推动煤炭洗选加工行业走新型工业化道路提供新模式。

3.3 他山之石，交流互鉴

化工、电力行业的智能化建设理念和进度已领先煤炭行业，他们的新建项目均要求三维数字化交付，称之为“数字化”工厂。其实数字化和智能化之间并没有明确的界限，数字化并没有过时之说。认真向其他行业学习，是推进选煤厂智能化的有效途径。

必须认识到，现阶段选煤厂智能化的直接效益有时并不明显。不能只着眼于眼前的利益，要考虑煤炭洗选加工行业的长远发展，着眼于建设选煤强国。

3.4 围绕核心，寻求突破

提高分选精度是选煤厂最大的增效环节，其利润点比较见图8[3]。但由于快速精准检测闭环反馈手段的制约，选煤厂核心工艺的智能控制技术尚未取得关键性突破，选煤厂智能化过程仍然任重道远。

图8 选煤厂利润点比较

4 智能化背景下选煤厂设计展望

4.1 从政策层面正向引导呼吁

《煤炭洗选工程设计规范》中应增加选煤厂智能化的内容，甚至像矿井一样，单独编制选煤厂智能化的设计标准。做为煤炭人，应借助“智能化”的东风，参考电力、化工行业，全面修订提高选煤厂设计标准。包括建设单位(业主)等应从思想上、行动上支持煤炭洗选加工行业的这次变革，以推动煤炭行业高效、安全、绿色发展。

4.2 提高认识，理念引领

设计人员应充分认识到智能化是大势所趋，做到设计理念与时俱进。选煤厂设计中要体现智能化的思想(工艺高效、系统简洁、设备可靠、非标及管道寿命长等)，或者为今后弥补、完善智能化内容奠定必要的基础(检测方便(煤流、水流等))。

生产智能化一定是建立在高效可靠的硬件基础上，二者是一个递进的关系，不能割裂开来谈智能化，而且需要一厂一策，切忌“好马拉破车”。应正确看待智能化建设中的现有系统自动化升级完善所产生的费用，这是必须要发生的。

4.3 BIM技术将应用于选煤厂设计

在设计方面，不仅是利用三维设计检查错漏碰撞，更是对目前二维设计习惯的颠覆，参与设计的人员均在一个大平台上协同工作，最终完成三维设计的数字化交付。设计成果将指导施工和今后的运营，设计产品生命周期延长且意义深远。

智能化将带动BIM技术的推进速度，专业相对较全的综合院所更容易推广，也会推动打通各种BIM软件的横向壁垒，甚至催生适合选煤厂设计的国产BIM软件(版权及软件租赁制使得设计成本骤增)。

三维设计数字化交付中的网络安全也是应该关注的重要方面。

4.4 模拟仿真与BIM技术相得益彰

BIM技术的三维仿真功能可进一步应用于智能化选煤厂设计中(见图9)，做到事前模拟(煤流、介质、煤泥水、加药、供风等)，动态调整，提前优化，使之更好的符合实际生产现状。 不久的将来，煤炭洗选加工行业的“BIM设计标准”将呼之欲出。

图9 选煤厂三维设计与动态仿真示意

4.5 全系统装配式钢结构选煤厂大有发展前景

未来智能化选煤厂的设计与建设，一定是朝着工艺系统简洁、设备大型化、用人少、建设速度快、质量好、复用率高等方向发展。全系统装配式钢结构选煤厂(见图10至图13)将是未来智能化选煤厂设计与建设的主要发展方向[2-4]。

图10 装配式钢结构选煤厂主厂房

图11 装配式钢结构选煤厂浓缩池

图12 装配式钢结构选煤厂筒仓

图13 装配式钢结构选煤厂栈桥

4.6 智能化过程将引发设备制造领域重新洗牌

智能化选煤厂离不开可靠的洗选加工设备，而设备故障率与选煤生产运营密切相关，是影响智能化选煤厂推广的瓶颈[2]。伴随智能化的推广，以质量求生存的理性竞争局面即将形成，设备制造商领域将重新洗牌并更加透明，附带智能化信息的设备(单机智能化成套设备)将更受欢迎。

对设计企业而言，会要求设备制造商提供含有技术信息且统一软件格式的三维电子版图纸，以便于直接采用。设备的健康管理是智能化选煤厂设计的重要内容。

4.7 设备质量“认证机构”将随之产生

煤炭洗选加工行业设备迫切需要普遍认同的“质量”认证机构，煤炭行业协会可申请作为牵头单位，对设备质量进行定期评级，如从“A”到“5A”，给生产商设备贴上“商标”，以推动选煤行业设备做强做优，质价相符，良性发展。适当设置门槛更有利于国产设备参与国际竞争，走向海外。

4.8 选煤厂生产模式可能改变

迎合智能化的步伐，需必要的体制、机制创新，改变生产模式。如可能催生专业的网上预约维修公司、洗选行业设备超市、工业IT运营等新型产物。

生产管理调度可能更加便捷，电子留痕、自动统计代替人工。

工业5G等高速同步传输远程控制技术将得到大量应用。

工作强度大幅降低，工作环境大幅改善。数年后的变化，可能超乎人们的想象。

5 结 语

选煤厂智能化是一个循序渐进的探索过程，行之有效的方式是确立试点，整体规划，分环节、分系统、分层次逐步实现。既不能让其野蛮生长，也不能遇到问题一棒子打死，容错是应该的。

总之，选煤厂智能化发展之路还很长。新建选煤厂设计时一定要同步规划智能化的相关内容，对于已经成熟的智能化技术应大胆采用。