选煤厂智能化技术和设备现状分析

张家富

(中国煤炭加工利用协会 煤炭行业智能选煤研究中心，北京 100013)

煤炭消费量占据我国能源总体消费量的70%以上，在当前“双碳”政策的大背景下，虽然煤炭消费总量和增速在可预期的将来会受到挤压，但即使煤炭不再作为燃料使用，它依然将作为重要的化工原料，依然是我国的基础能源和兜底能源。

第四次工业革命是科技革命，煤炭行业改革发展的历史，是一部煤炭行业坚持科技创新、推动科技进步，以科技创新和科技进步实现煤炭工业科学发展、跨越发展、转型发展的历史。选煤行业向着智能化发展是时代发展的必然。选煤厂需要通过技术进步实现企业管理升级，智能化技术在选煤行业的应用将成为主要的发展方向。

2020年3月，由国家发展改革委、能源局、应急部、煤监局、工信部、财政部、科技部、教育部8部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。为了推动选煤厂的智能化建设，促进我国选煤工业的发展，中国煤炭加工利用协会发布并实施了T/CCT 005.1-2020《智能化选煤厂建设 通用技术规范》团体标准，规范了选煤厂智能化建设工作。国内大型现代化煤炭生产企业(集团)，中煤集团、国家能源集团、山东能源集团、山西焦煤集团等，都结合自己的实际出台了企业内部智能化建设标准。

1 智能化选煤厂的内容

智能化选煤厂主要以基础工艺流程和设备为基础，以自动控制技术、信息技术和人工智能技术为手段，集成和利用全流程信息资源，开发选煤智能化工具，依靠智能控制实现精准分离，依靠智能管理实现精细管理，依靠智能装备保障与提升生产系统的可靠性与智能程度，最终实现企业状态与效益最优[1]。

智能化选煤厂利用人工智能技术等高科技技术，和传统的选煤技术高度融合在一起形成新的智能化选煤技术，从而促使选煤厂向着更加安全、节能、环保，以及高度自动化、高效益、智能管理、智能决策等智能方向发展。

1.1 基本架构

智能化选煤厂基本架构分为四层，即：设备层、控制层、管理层、决策层。设备层主要包括网络设备、机电设备及检测仪表、保护装置、配电设备等；控制层主要包括基础自动化和智能控制，基础自动化主要包括生产集中控制系统、设备状态监测系统、视频监控系统、调度通信系统、安全监测系统等，智能控制主要包括生产过程智能控制、智能仓储与配煤、智能装车、智能集控、智能视频、智能停送电等；管理层主要包括生产管理、机电管理、安全管理、经营管理、节能与环保管理、安全与职业健康管理等；决策层主要包括综合分析、智能决策等[2]。详见图1。

图1 智能化选煤厂基本架构

1.2 建设内容

智能化选煤厂的构建包括基础平台、基础自动化、智能控制、智能管理、智能决策等内容。

1.3 智能化的进展

我国地域广阔，原煤的年产量高，不同地区的原煤煤质差别大。与其它国家相比，我国的煤质比较难选。选煤行业是一个庞大的行业、各个地区、各个选煤厂的经济实力、技术条件和技术实力差别较大，选煤厂发展水平不平衡。有些选煤厂的装备水平比较高，有些则处于20世纪末水平，与之相适应的管理模式、生产流程等也存在差异。

虽然我国近年来已经掀起了智能化建设的热潮，各大煤业集团的部分选煤厂智能化建设进行了大胆的尝试和探索，但是我国整体选煤厂的智能化建设处于初级阶段，智能化与选煤行业的结合还只能算是刚起步，选煤行业内已应用的选煤智能化技术和设备还比较少。

当前，智能化选煤厂在一些方面已经取得了发展和应用。智能加药系统、智能重介系统、智能浮选系统、智能装车系统、设备状态在线监测系统等已经得到了长足发展。随着我国自行研发的各种工艺技术的日趋成熟，不论在工艺环节、系统调控水平、操作管理方面，还是在减少介耗、电耗、降低生产成本方面都取得了长足的进步，技术日臻完善。三产品重介质旋流器等选煤技术达到技术国际领先水平，并大面积快速推广应用。智能装车系统能够提高装车效率，解决交通拥挤，杜绝权力寻租，提高装车质量，减少装车用人数量，避免装车事故，具有良好的经济效益和社会效益。为我国从世界选煤大国迈入世界选煤强国提供了坚实的技术支撑。

智能视频系统可实现视频事件的监控、报警。实现区域入侵侦测、越界侦测等。视频AI技术包括不安全行为监测、胶带机撕裂、胶带机机头堵塞、胶带机跑偏、检测带上异物等图像识别功能。能够识别烟雾、火灾，并触发报警。还能把工业控制系统和智能视频系统进行联动。在控制系统中，对应设备可以实时链接到该区域的摄像头，可以选择该区域设备的摄像头画面进行查看。在生产过程中，某设备出现动作报警或者停机时，画面上能够自动弹出该区域摄像头的实时画面，以供生产管理人会员通过画面了解、判断设备的情况，并迅速做出反应。智能视频系统根据图像提取、分析、识别、判断，如果发生异常情况，报警信号将发给工业控制系统，工业控制系统对视频报警信号做出反应，执行报警或者闭锁停机。自动弹出工业控制画面，供操作人员进一步决策[3]。将机器视觉技术应用于智能化选煤厂，将成为未来选煤厂科技创新及技术改造的重要方向之一。

智能化技术在选煤行业的发展要以服务于选煤厂的核心业务为中心，优先选择和发展对选煤行业发展起到基础支撑作用的先进技术，实现技术落地和技术推广。既要积极进取，又要避免冒进。在智能化的发展中，还存在着信息不对称，人才短缺等条件限制。

所以，为了更好地服务于智能化选煤厂建设，调查和评估当前选煤行业的技术和装备水平十分必要。

2 技术和装备的征集

2021年中国煤炭工业协会为了促进煤炭行业的高质量发展，面向煤炭行业开展了《煤矿智能化装备指引》征集工作，收集到大量行业智能化装备资料，其中也涵盖了选煤行业的智能化装备内容。为便于分析，对其中的选煤厂智能化技术和装备进行分类统计(表1)。

3 结果与讨论

3.1 基础数据平台薄弱

当前，网络技术和云平台技术都已经相当成熟并得到大规模应用。但是对于选煤行业来说，选煤厂的数据点位多，数据量大，在生产运行中存在大量原始数据。这些数据占用空间大，格式不同，存储设备多种多样，牵涉到各种数据库。这样，在智能管理和智能决策中使用这些数据时，重复性劳动多。还需要建立统一、规范的数据平台，规范的数据格式，稳定的数据访问服务，从而为智能控制、智能管理、智能分析和智能服务提供数据平台支撑。而且，还存在着数据的准确性、实时性、相关性等问题。数据的存储、清洗、抽取、利用等问题依然存在。数据的挖掘应用于智能化管理、智能决策任重道远。通过大数据应用中的清洗、整合等手段，积累有效数据，建立自我学习模型，不断完善优化生产工艺，动态分析品质趋势，智能预测设备故障，最终实现柔性生产和智能制造的目标。

智能矿山建设本质是工业体系架构变革，唯有建设统一架构的工业互联网平台才能彻底解决问题[5]。选煤行业还需要进一步实现数字化、标准化、模块化，通过统一的标准、统一的架构，实现行业数据共享、经验共享、人才共享、数据安全，真正做到高效、集约的智能化发展。

3.2 关键技术依然有待突破

精准感知是基础自动化和智能管理、智能决策的基础和前提。灰分、水分、浮沉组成、粒度、浓度等数据的检测在选煤厂实际生产过程中是很关键的指导依据。受现有技术水平的限制，快速、准确地测量这些指标的仪器和设备还处在发展当中，需要进一步突破。

比如灰分的测量，煤的灰分含量是煤炭按质论价的主要指标之一，也是生产控制的主要参数。灰分会影响煤的发热量，灰分增高发热量降低，反之则增高。作为提供能源的有机化石矿物，灰分高就等于降低了其工业利用价值。因此测定煤中灰分对正确评价煤炭质量和加工利用都有重要的意义。在大型铝、电工厂煤炭需求量大，煤的检测工作任务重，要求快速报出结果的同时又要保证结果准确度。

在灰分控制的闭环控制系统中，灰分数据的准确和快速测量非常重要。当前的灰分测量手段包括在线和离线测量。而测量技术包括中子活化、激光、X射线、γ射线等手段，这些测量方式的准确性、实时性、有效性、简便性还不太理想。有的技术设备成本还偏高，有的准确性和适用性差。数据的实时性和准确性是自动控制和进一步利用的基础，因此，仪器装备的发展依然制约着选煤智能化，还需要进一步进行科技攻关。

3.3 智能管理和智能决策等尚待进一步开发

企业智能管理是指企业充分抓住信息社会的科学技术，运用现代人工智能和大数据技术，不断优化现有的管理方式和运行模式，发挥科技智能化的优势，对企业运行的计划、执行和控制等方面进行整合，优化企业运行系统，整合企业内外部各项资源，实现其工作高效协同，同时提高决策的准确性、全面性与科学性，从而达到提高决策效果的目的，使企业实现安全、高效运转。智能化管理系统通过自动化、信息化、智能化等先进的技术手段为客户创造经济效益，其表现形式为“降本”及“增效”[4]。在智能管理方面，个别选煤厂已经先行先试，取得了一定的进步，实现了节约设备成本、节约人力成本、增加企业产值的目的。

智能决策是利用人类的知识并借助计算机通过人工智能方法来解决复杂问题的决策。目前市场上还没有可行的、能够得到客户广泛认可的产品和技术。

3.4 部分新装备厂家参与度不高

当前，永磁电机等先进技术已经在选煤行业得到了较多的应用，节能成效显著，随着技术进步和大规模的推广，将逐步降低应用成本，给企业带来更显著的经济效益。我国有发展永磁电机独特的技术优势和资源优势，应用前景广阔，但是在本次征集中还没有看到厂家的积极参与。

4 结 语

我国智能化选煤厂建设还刚刚起步，即将进入加速发展的阶段。经过产学研的共同努力，已经取得了局部的技术突破，但是还存在着基础关键技术没有突破，智能化网络架构和数据接口、数据标准化等环节还十分薄弱，还缺乏强大的智能分析工具，还不能够支撑智能管理和智能决策。选煤厂的经营决策、资源配置计划、生产调度仍然严重依靠工作经验。

选煤行业高端的工程技术与管理人员严重不足。多数选煤厂用工数量依然较大，人员工效相对较低，不能适应智能化大潮的要求。随着智能化的发展，人才需要将更集中在高水平的技术人员，这需要在发展中通过新的用工模式和管理模式来解决。智能化的发展将伴随着企业生产模式的变化，带来机制创新和管理创新。