常村选煤厂智能化改造的研究应用

程锦科

(潞安环能股份有限公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

在智能化建设过程中，常村煤矿选煤厂把智能化选煤厂的基本框架划为底层自动化、中层智能管理系统(SCADA系统、IMS系统等)、上层企业云平台(云服务器、智能终端等)三个层次。底层设备的自动化、生产信息数字化是智能化洗煤厂建设的基础条件。常村煤矿选煤厂坚持从实际情况入手，逐步完成了生产系统的控制网络建设、系统内的区域控制以及以压滤系统的自动控制、洗选系统的洗水平衡、火车自动化装车、浮选远程定量加药等为代表的底层设备的自动化控制。同时完成了智能管理系统中SCADA(数据采集与监视控制)系统。

1 生产系统的控制网络

常村煤矿选煤厂在厂内构建了一个千兆光纤环形以太网工业控制平台，调度室设置了两个西门子1500系列PLC(一主一备)，在原煤、压滤、重介-浮选、精煤仓、后落地装车、外来煤系统等6处设置分站，各分站通过环形以太网与主站通讯，实现了快速采集全厂控制信息和实时设备控制，同时消除了信息壁垒，实现厂内生产设备信息共享。

本系统PLC采用模块化程序设计，具有自诊断功能，可以准确判断系统或单个设备是否具备开车条件，实现一键全流程启动和设备单控。同时利用系统的开关量采集功能，常村煤矿洗煤厂自主设计了胶带失速，刮板失速，溜槽堆煤等保护，确保现场设备在无人值守的情况下，安全可靠的运行。利用系统的模拟量采集功能，常村煤矿洗煤厂使用拉线传感器、雷达料位计等传感器采集闸板开度、煤仓仓位和水池液位等信息，通过SCADA系统反馈到调度室，对生产指导提供了宝贵信息。生产系统的控制的主要功能如下：

1) 控制方式：本系统分为集中自动、集中手动、就地三种控制方式。集中自动方式由集控室发出流程启、停车命令，现场相关设备按预定流程进行顺序的启停；集中手动是在集控室对单台设备分别进行有或无闭锁单独开停控制，设备间的闭锁关系与选择的路径有关；就地控制是在设备操作箱上进行无闭锁启停，一般在设备检修试车时使用。

2) 预警方式：预警采用声光预警方式，各独立系统单独预警，根据预警的频率和次数来区分预警信号。可以自动预警也可以手动预警。

3) 启停过程：采用逆煤流启动，顺煤流停车，设备启停时间间隔根据需要来设置。系统顺序启动时，先自动预警，预警结束后，系统按照设定程序顺序开始启动设备，直至整个流程启动完成，其中，预警时间可以在计算机上设定；在预警和启动过程中，现场工作人员发现问题时，可以通过按下停止按钮、将控制方式改为就地、触动胶带保护等方式来结束预警和启动过程，并且，这些操作都能直观反映到调度室。

4) 自动停车：为了避免人为因素造成设备空转，系统自动判断运行条件，当设备空转时，自动进入流程停车状态。

5) 自动运行：根据液位、仓位以及其他人为设定条件(如时间、给煤机开停等)来维持系统的自动运行。

6) 电动闸板监控：对关键部位的闸板进行电动改造，并实现集中控制，如304处闸板和洗矸石仓下闸板，调度员可以根据胶带的运行状况来调节闸门的大小。

7) 分煤器监控：对关键部位的分煤器进行电动改造，并实现集中控制，调度员可以需求来调整流程和落煤点。

8) 电动阀门监控：对关键部位的电动阀门进行监控。

9) 电机保护监视：通过通信的方式来读取电机综合保护器的运行参数，当电机保护故障时，能判断出故障原因，主要包括以下故障：过载、堵转、相不平衡、欠载、欠压等。

10) 胶带保护监视：将生产系统中的胶带保护信号接入到集控系统中来，当胶带保护动作时，能及时发现故障点，并进行处理。

11) 仓位监视功能：选用雷达料位计对煤仓进行实时监测，为生产提供依据。

12) 液位监测功能：选用超声波液位计对水箱水池的液位进行监测。

13) 胶带计量监视：能监视胶带称的瞬时流量，并根据胶带秤输出，对各班胶带运煤情况进行统计。

14) 变频参数监视：对系统中的一些变频器，能通过通信方式读取变频器的参数，根据运行参数，能及时发现设备异常。

15) 配电系统监控：能监视高低压空开和断路器的状态，并能实现低压主受开关的监控。

2 SCADA监控系统

SCADA监控系统负责监视和操作现场的设备及流程等，用于接收智能管理系统的控制策略同时向PLC发送操作指令和运行算法等命令。常村煤矿选煤厂的SCADA系统是由西门子上位机软件Wincc和数据库Microsoft SQL Server 2008组成，除具备数据采集与监视控制之外还有信息存储功能，可以记录操作员操作过程、设备运行日志、现场保护的动作日志、主运胶带的煤量以及主要设备的电机电流、电机频率等参数并可以用文档的形式及时发布，为洗煤厂的日常管理和设备维护保养提供有效的依据。

SCADA监控系统主要功能如下：

1) 设备故障分析：当设备停车时，系统能自动判断停车原因。主要停车原因如下：电机保护故障停车、胶带保护故障停车、现场停车、闭锁停车、掉电停车、集控停车、自动停车、流程停车、系统急停等，其中，电机保护故障能具体到故障原因，胶带保护故障具体到故障的位置。

2) 流程故障分析：在正常生产期间，因某一设备的停车而造成整个流程中断时，控制计算机预警，并判断出影响流程的设备，以便调度员及时发现和解决问题。

3) 运行时间统计：对每个设备的本次以及当天运行时间进行统计，为生产分析提供时间依据。

4) 设备运行记录：实时记录设备的开停状况，能查询1年内的设备的开停情况，并自动累计运行时间，开停次数等。记录内容包括：设备名称、开车时间、开车方式、停车时间、停车原因、运行时间等。

5) 设备故障记录：能查询设备的故障情况，并分析出各种故障的次数与累计时间。

6) 操作记录查询：能自动记录操作人员的操作，为故障分析提供依据。

7) 网络发布功能：能将系统运行状况的各种信息发布矿局网络内，在权限允许的范围内可以进行远程操作和查看。

3 系统内的区域控制

传统选煤自动化生产均采用集中控制模式，存在调度员无法对供电、设备、工艺、安全所有环节与专业实施全面监控的困境，其他相关人员需要调度人员进行任务分配，存在较大的滞后等缺点。常村煤矿选煤厂在建设智能化选煤厂的过程中借助信息共享平台，由岗点式管理改为巡岗式管理，将传统的选煤集中控制模式向区域监控与集中监控相结合的模式转变。模式构成后，不仅实现巡岗式管理，还达到了控员提效的目的。特别是在外来火车原煤卸煤、北煤场回煤及产品装车、落地等环节上。在后期的规划中，常村煤矿选煤厂将在机电车间增加区域监控站点，负责全厂供电系统的监控，由相关专业人员进行操作，减去调度人员与相关人员沟通的时间，提高工作效率。同时建立信息管理IMS系统和企业云平台，形成移动互联的可视化协作平台。通过信息管理IMS系统和企业云平台建设，实现选煤生产、煤质化验、煤炭销售各类信息汇于一体的协同管理平台。同时通过与SCADA系统互联，不仅实现对全厂设备的远程监控与视频在线，还可实现在授权情形下，设备及工艺过程的操作和控制。

4 底层设备的自动化建设

选煤属于典型的流程工业范畴，过程控制是选煤生产的核心环节，传统的选煤厂建设基本实现了选煤厂集中控制，仅仅解决了设备依据工艺的流程启动以及保障了设备和人的安全，对提高生产的效率与效益作用有限。重介分选、粗煤泥分选和浮选三大过程智能控制才是真正可以实现稳定产品质量、提高分选精度和精煤回收率、降低介质消耗和药剂消耗的关键。此外配煤过程、煤泥水处理过程、配装过程对于稳定产品质量、提升效益也非常重要。因此常村煤矿选煤厂坚持不断探索、循序渐进的原则，不断完善底层设备的自动化。现以压滤系统一键启停和洗选系统洗水的自动平衡为例。

4.1 压滤系统一键启停

浮选系统的精煤、尾煤压滤共计8台压滤机(各4台)，改造前需要人工操作，完成压滤机及其附属的入料泵和卸料刮板启停以及各台压滤机的入料顺序，不仅环节繁琐增加职工劳动强度，而且在生产环节的控制上因煤泥水池料位不易控制等人为影响会造成系统运行不畅。例如：在浮选4台压滤机控制上，一旦出现两台以上压滤机同时卸料，会造成下方设备负荷增加和最终煤质不均的情况；尾煤压滤出现两台压滤机同时卸料的情况会使下方煤泥胶带负荷增大，出现设备运行过流故障；在精煤泥水池液位变化较快的情况下，因压滤机处理时间接续不好，造成水池漾料或泵开空吸入空气等。

为解决以上问题，减少操作环节和人为控制的不利情况，常村煤矿选煤厂通过增设压滤机入料管微细流量传感器和压滤机料桶(料池)雷达料位计，实现了入料泵、压滤机、卸料刮板机以及煤泥运输设备的自动控制程序，利用区域控制的监控设施实现压滤机一键流程启动，即：在正常生产情况下，通过自动控制程序，结合入料池(筒)料位情况，实现渣浆泵自动入料、压滤机入满料时(通过微细流量计+延时设定)实现自动停泵，卸料刮板机反转卸水后正转压滤机卸料，卸完料在程序控制下实现相同用途的压滤机依次顺序入料，不同时卸料，同时根据压滤入料池(桶)水位自动选择要开启的压滤机台数。

在改造过程中，常村煤矿选煤厂先后解决了水池料筒的液位计量不准、压滤机流量监测不精确以及流程设备配合时间等问题，最终实现利用区域小流程控制精煤压滤系统12台设备和尾煤压滤13台设备一键启动后系统自动运行的目的。

4.2 洗选系统洗水的自动平衡

生产过程中存储生产用水的各类水池(桶)需维持一定的水位运行，保证产生系统的水平衡。原有控制水平衡是由岗位人员不定时地对各料桶、水池的水位进行观察检测，然后控制进出料的设备启停，来控制洗水维持一定水位。为了减员提效，常村煤矿选煤厂逐步尝试进行改造，现已初步实现生产系统中的洗水自动平衡。主要做法是：

各料筒(池)采用可靠的料位计量并根据料位的不同对料桶进行补水，生产系统中各旋流器进行压力采集并远程显示，系统通过料筒的液位以及旋流器压力来调节给料泵的频率，监控点操作人员可以远程辅助操作。智能控制过程和原理：当系统流程启动后，某个料筒内水位达到一定高度，相应排水泵(给料泵)以一定频率启动(此频率需保证旋流器的压力)；当检测到料筒液位不断增长的时候，系统自动增加频率(最大50 Hz)；当检测到液位不断下降后，系统自动降低频率，当旋流器压力达到下限的时候，系统停止降低频率，同时开启补水阀门。补水阀门开启后如果液位不断上升，系统自动关小补水阀门。如果液位不断下降，液位降低到一定值的时候，排水泵(给料泵)自动停泵。

经过两年的现场实际运用，洗水的自动平衡控制流程实现了生产过程中各水位的动态平衡。

5 常村煤矿选煤厂智能化改造规划

常村煤矿选煤厂为成为更高标准的智能化选煤厂，未来两年智能化建设项目规划主要有“决策支持型选煤厂信息管理系统”、“配电室智能监控系统”、“选矸机械手”、“井口防串仓改造”、“浮选精煤泥均质给料技术研究”等。

1) 决策支持型选煤厂信息管理系统，计划对技术、安全检查、机电设备、生产调度等进行信息集成共享，需增加手机APP巡检、流程审批、人员定位等功能，将集中控制系统中的仓位、液位、胶带秤以及设备运行参数、故障保护参数、生产控制数据和煤质化验数据无缝隙连接、无时限手机共享，实现生产管理、煤质管控、产销协同，在生产系统的决策支持等方面的提档升级。

2) 对供配电系统实施智能化控制改造，计划构建远程操控和监控平台，实现对配电系统的实时监控功能，需要扩展配电室智能温度调控功能、人脸识别和视频跟随功能，配电室电控门锁功能等，为暂时不能实现数据远程传输的配电柜预留端口，提高原系统设计的电器件标准，确保系统达到智能、安全运行。

3) 选矸机械手的应用，利用视频判断区分煤和矸石，使用机械手自动选取矸石排出系统，利用智能化设备替代人工。

4) 井口防串仓改造，通过对井口来料情况进行判断，控制放仓闸板开启程度，杜绝异常情况出现的井口滑仓情况，减少职工劳动强度和调整岗位人员安排。

5) 开展浮选精煤泥均质给料技术研究，寻找解决重介-浮选工艺并存状态下，精煤泥与重介精煤不能均量掺混导致的综合精煤灰分波动大，洗煤质量管控困难等问题，为今后实现精煤灰分的在线检测，降低技检人员的劳动强度做好技术铺垫。

6) 集控系统扩展项目，计划完善单机系统自动控制并入集中控制系统，增加集中润滑系统。调研密控系统并入集控系统，实现密度自动调节；在压滤机一键控制的基础上增加精煤卧脱自动控制；继续研究浮选机自动加药系统，使现场设备完全脱离人工控制；实现全厂主要生产设备的集中润滑；完善生产系统运行保护。

7) 完善视频监控系统。实现视频随动、故障定位功能，增加厂房主要位置的人脸识别和视频追踪功能，更新现有视频硬件，为提供远程视频实时监控提供有力保证。本项目与集控系统扩展同期进行。