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巴拉素选煤厂智能化建设实践

2023-11-30 13:17:37  来源:智能矿山杂志  作者:郑维国,冯小兵,薛蛟龙,吴琼璞,李京,齐鹏辉
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选煤是煤炭生产的重要环节,是煤炭企业的重要组成部分,其智能化建设可以提高煤炭洗选质量、减员增效、降低能耗等。传统选煤厂的监测装置和智能化系统大多缺乏实践验证,在生产控制及运营管理等方面,仍依靠人的主观经验分析决策,人为因素较大,缺乏科学性和严谨性;存在企业整体的生产效率和经济效益较低,工人劳动强度大等问题,限制了选煤厂的可持续发展。2020 年2 月,国家八部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》吹响了煤矿智能化建设的号角;中国煤炭加工利用协会2021 年1 月实施的《智能化选煤厂建设通用技术规范》团体标准(T/CCT 005.1-2020) 也为智能化选煤厂建设按下了加速键。

陕西延长石油巴拉素煤业有限公司(简称巴拉素煤矿) 是国家首批智能化示范建设煤矿,矿井规划生产能力1 000 万t/a (于2021 年底投产),二期规划生产能力3 000万t/a。巴拉素煤矿按照5G+智能化煤矿建设目标进行5G+顶层架构设计,从矿井及选煤厂设计建设开始就全面规划智能化。巴拉素煤矿智能化建设涵盖井田开拓、地测、采掘、运通、排水、提升、洗选、安全保障、生态保护、经营管理等,构建了煤炭生命周期全流程智能化系统,规划建成后具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力,能够实现煤矿的智能绿色安全高效运行。巴拉素选煤厂智能化建设重点围绕基础平台建设、基础自动化、智能控制、智能管理与决策4 个方面构建完整的智能化体系,实现工艺洗选参数由经验调整向大数据计算分析转变;人员盯岗向定点巡岗转变,打造无人生产线;设备人工巡检向在线实时诊断转变;设备被动维护向超前维护转变;生产经营数据纸质汇总通报向在线实时数据报表转变等,最终实现降本增效、稳质提效、安全高效。

巴拉素选煤厂智能化关键技术研究与应用

巴拉素选煤厂智能化建设充分利用大数据、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术,依靠性能可靠的智能科技装备,构建选煤厂数字孪生管控平台,实施洗选加工全流程的智能控制、人员和设备的智能安全保障、生产经营全过程的智能管理和决策等,其目标是建成行业内领先水平的智能化选煤厂示范工程。巴拉素智能化选煤厂网络拓扑如图1 所示。

智能洗选控制系统

(1) 智能集中控制系统

巴拉素选煤厂智能集中控制系统作为选煤厂集中控制系统的控制核心,进一步进行了升级优化,如启停车流程最短路径优化,减少了空载运行损耗,可实现一键启停车;打通了各个子系统(如浓缩、压滤、压风、装车、加药等环节) 的信息孤岛,实现了信息共享,打造“透明”工厂;采用面向对象的PLC编程设计方法,淘汰了传统的梯形图逻辑编程思路,提升了PLC的CPU运行扫描效率,方便程序修改和后期维护;智能集中控制系统还具有多级跳级锁闭和保护投撤选择功能,方便现场生产和维护。选煤厂集中控制系统上位机监控界面如图2所示。

(2) 智能重介分选系统

巴拉素选煤厂共有3 套重介浅槽洗选系统,在传统重介系统密度PID 调节的基础上,将精煤灰分作为一个变量引入密度控制环。智能重介分选系统中的密度值不再由人工设定,而是由该系统通过计算自动生成,再经之前已有的密度PID 自动调整环节,使重介系统密度自动跟随到设定值,升级以后的密度控制以精煤灰分为最终控制目标。利用模糊控制系统、专家控制系统、反馈控制系统和自学习训练系统软件模型,输出悬浮液的密度、悬浮液桶位的指导数据,再反馈给PLC,对以上数据进行自动调节。整个过程减少了人为干预因素,实现了以精煤灰分为最终控制目标的智能密度控制系统。

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(3) 智能煤泥水检测系统

开创性地在浓缩池上设置了基于视觉传感器测量的煤泥水检测系统,通过位于煤泥水检测箱体内的图像采集装置对从浓缩池溢流堰收集至箱体内的溢流水进行图像拍照,以获得煤泥水浊度的资料,利用机器视觉识别技术辨别溢流水颜色的灰度,建立溢流水的灰度值与溢流水的浊度值映射关系,通过大数据平台数据分析,实现了煤泥水浊度的自动检测。智能煤泥水检测系统可智能分析浓缩池澄清水的浊度情况,并辅之以浊度仪和界面仪数据,经过逻辑计算,合理科学加药,保证浓缩池生产系统的稳定运行,同时预留工业以太网数据接口,方便选煤厂智能化综合管控平台读取数据。选煤厂煤泥水检测系统现场设备如图3 所示。

(4) 智能压滤系统

巴拉素选煤厂共有6 套压滤机,打造了从基础自动化至智能化的全流程压滤系统控制。将压滤机相关的浓缩机底流泵、入料桶液位及电动闸阀、入料泵、煤泥收集刮板、浓度计、流量计等辅助设备全部纳入压滤控制系统的操作范围。操作人员可以对压滤机的全过程实现监控和操作,可实现压滤机全系统远程监控、自动补料、自动判断结束进料、自动排队卸料、压滤生产统计等自动化操作和监控功能。

(5) 智能加介系统

传统介质添加以人工添加和铲斗添加为主,费时费力,劳动强度大。介质库智能加介系统采用无人值守定量添加模式,高效快捷。智能加介系统具有以下功能:①介质抓取全过程无人值守。智能加介系统可根据介质堆积情况选择抓取位置,全自动抓取介质并移至介质坑进行卸料,这将大幅降低工人的劳动强度,降低粉尘环境对工人健康的影响,消除不安全因素;②介质计量。实现介质消耗定量统计;③智能加介系统与智能重介分选系统联动。可准确判断加介时机,减少人工干预,提高重介系统的稳定性,从而稳定产品煤品质,提高生产效率。

人员定位系统

人员定位系统通过使用ZigBee 精准定位技术,能够实时准确地定位选煤厂内员工的位置信息(图4),具体定位精度根据现场实际情况和管理需要设置,如巡检、巡更、巡逻点处误差≤1.5 m;建筑物内部误差≤5 m;道路、空旷区域误差≤10 m。这些信息传输至中央监控室或其他相关管理人员,以便掌控生产人员工作状态。

人员定位系统应用范围含防爆区域,如地面原煤运输、筛破车间、原煤储煤区域、产品栈桥、产品仓等;非防爆区域如主厂房洗选区域。通过对厂区人员定位系统进行计算规划,共规划出26 个分站和184 个子站进行精确定位。选煤厂生产系统可根据实际生产工况及人员配置要求灵活设置人员定位系统,进入生产区域生产人员必须佩戴安全定位器,以便实时定位。ZigBee 精准定位系统分站子站网络通信架构如图5 所示。

人员定位系统在选煤厂具有以下作用:

(1) 正确巡检

确保巡检的人员在正确的时间、地点按照正确的路线进行规范巡检。

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(2) 应急救援

事故状态下,可第一时间,第一地点,发出和获得第一手人员位置信息,正确地求救和施救。

(3) 作业管理

统计作业人员信息,精确显示作业人员动态,第一时间掌握作业人员分布和活动情况,确保作业人员在安全的时间、地点进行安全的作业。

(4) 日常行为管理

对各类人员的身份、位置、环境、状态、行为等进行分区、分片、分层、分类管理,可预警、追溯、查询,全面提升企业精细化管理水平。

通过精准人员定位系统可加强生产现场人员管控,分类统计出入生产区域企业人员、外来人员信息,精确显示生产区域内在线人员动态,第一时间掌握企业应急状态时涉险人员情况,提高应急救援效率。通过刷脸考勤,杜绝了未经培训、未经批准人员进入生产区域,做到了事先预防,事中控制,事后总结,全面提升了巴拉素选煤厂风险管控能力和精细化安全管理水平。

无线WiFi6 网络系统

根据巴拉素选煤厂总图资料及厂区人员巡检活动区域,对选煤厂全部工业场区进行无线WiFi6 网络规划,共规划出108 个AP接入点放置位置。总体架构上采取无线多业务控制器+FIT AP 控制架构,实现了无线网络集中管理,集中认证。同时,结合多业务控制器自带的智能运维工具,对无线网络进行整体运维优化。无线网络规划控制架构如图6所示。

无线WiFi6 网络系统采用网管系统、网管服务器与核心交换机对无线网络进行控制,负责控制和管理下辖的所有AP,为顺应将来高速无线的趋势,AP转发出来的报文应用802.3 格式的Ethernet 报文。AP依据场强规划仿真计算,对现场实际环境来做信号的全面覆盖,室外AP的部署通常采用“抱杆”的方式,也可以根据现场实际情况布放在建筑物的墙体上。室外区域做无线覆盖时,采用最新WiFi6 协议标准AP,能够在信号或性能方面满足用户的使用要求。

选煤厂无线WiFi6 网络建成后,具有以下作用:

(1) 建立了1 条信息高速公路,大量网络数据可通过无线网络传输,如选煤厂工业PAD 移动控制、设备点检、巡检机器人、停送电管理、MES等系统,保证了数据通信无死角、信息发送接收高速率。后期智能化系统扩容,可充分利用无线网络系统,无需大量布线。对可能出现的远程PLC或仪表等无法使用以太网通信的设备, 使用云盒子的ModbusRTU功能将仪表的信息采集到云盒子中,使用云盒子将这些数据转换为ModbusTCP数据,通过专有的工业4G/5G无线路由器将数据传送至无线网络数据控制中心,以便其他系统取用。

(2) 设立专属硬件防火墙和上网行为管理监测,保证网络安全。

(3) 留有专用5G数据通信接口,可与矿井正在建设的F5G专网连接。

(4) 一次建成,无类似4G/5G系统网络的流量费用,经济实用。

工业PAD 移动监控

巴拉素选煤厂无线WiFi6 网络的建成,为工业PAD移动监控(图7) 打下了数据无线通信的基础,巴拉素移动PAD 在Windows10 界面下采用西门子WinCC V7.5 / WEBUX移动监视软件包,可在线监视设备运行状态,必要时经授权可移动写入数据,如紧急停掉某台设备。工业PAD成为集控室上位机监控的外在移动监控延伸,生产巡视人员可根据现场的生产工况,必要时采取临时管控措施,进一步保证安全生产。考虑到设备的稳定可靠及便携性,采用10.1 英寸工业手持PAD,全面支持无线WiFi6,同时可达到IP65的防护等级,满足了现场巡检需要。

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设备点检系统

设备点检系统用于监测设备生产运行情况,提前发现设备异常状况,做到预知性检修,提高了设备的可靠性。该系统主要由监控主机、服务器、软件、信息传输接口、隔爆兼本质安全型中继器、无线振动温度传感器单元构成。

巴拉素选煤厂应用智能设备健康管控体系,将设备电机功率≥110 kW的主煤流线上关键设备配置了无线温度振动传感器,具体安装位置为带式输送机的电机、减速机、滚筒,刮板输送机的电机、减速机,主要泵的电机、泵体,破碎机的电机、减速机,离心机的电机,筛机的底座、侧板、大梁、激振器和电机。全厂共计安装232 个无线温度振动传感器,系统总成形成1 套后台监控系统,为点检系统管控平台提供数据。

设备点检系统采用实时数据库,可浏览、查询设备测点的实时信息和报警信息。能实时完成对设备测点的连续监测、信息采集和处理,存储各种实时数据和历史数据,实时显示设备测点的实时信息,准确掌握设备运行生产情况。该系统具有实时状态显示、历史曲线、报警处理、信息查询、历史处理意见查看及设备维检管理等功能。

监测管理系统软件主要完成日常监测的管理功能,内容包括:报警参数设置、报警推送设置,数据分析功能、趋势分析工具,时域单指标趋势图、时域多指标趋势图、时域波形、频谱分析等,故障报告自动生成、异常预警和维修管理等。

智能AI 视频监控系统

智能AI 视频监控系统(图8) 通过设置在生产现场的各类高清网络摄像机对厂区生产状况进行实时监控,在选煤厂数据中心设置DH-IVS-DLT8000型智能算法服务器,单台服务器支持10 路并发视频流分析,30 s 可轮巡1 次,采用机器深度学习部署技术,可实现电子围栏、越界抓拍、不戴安全帽、抽烟、人员擅自离岗、刮板拉斜、筛板跌落、溜槽堵塞、带式输送机上的大块异物及跑偏等异常生产状况监控,一旦出现故障,及时工控联动报警,以便采取措施避免事故的发生。

停送电管理系统

停送电管理系统在满足无纸化管理的同时,实现了岗位工通过手机、PC端、触控一体机实现在线停送电申请、审批、控制、存档和查询功能。选煤厂停送电管理系统进一步优化了停送电工作流程,操作流程如图9 所示。

停送电管理系统配置情况:在主厂房配电室设置2 套人脸指纹识别门禁系统,用于高低压系统人员出入口门禁管理。该系统包括人脸指纹识别终端、电磁门锁、一体机显示终端和门禁管理软件系统。人脸指纹识别终端对停送电人员进行身份识别,通过刷脸和指纹验证,识别通过后电磁门锁自动打开配电室门,同时停送电人员信息自动登录一体机(一体机还配有人脸和指纹识别登录,防止无资质人员闯入误操作),一体机显示需要停送电的设备,停送电操作完成后,操作人员通过一体机确认操作结果。在选煤厂数据中心配置停送电管理系统服务器和配套软件,采用My SQL 数据库,控制整个停送电管理审批操作流程,进行实时数据存储和历史查询。同时,选煤厂停送电管理系统与门禁子系统和生产集中控制系统PLC进行数据交互,可实现工控联动,并为MES提供标准的数据访问接口;手机端APP (可满足150 部手机配置), 通过全厂无线WiFi6 网络,提交停送电申请、审核和信息反馈。触控一体机端APP进行现场停送电申请、审核、操作和信息反馈。PC端Web 终端(可满足30 台PC同时访问) 进行停送电申请、审核、信息反馈、报表打印、用户管理和后台服务综合管理。选煤厂配电室停送电一体机现场操作如图10 所示。

巴拉素选煤厂智能停送电管理系统的应用为选煤厂供配电管理带来了许多便利,淘汰了传统的纸质倒闸操作票,采用网上申请、审批、停送电操作和历史数据记录,大幅提高了电力调度效率和操作的准确性、安全性。选煤厂停送电系统手机端现场操作如图11 所示。

巡检机器人系统

依据厂区生产系统实际情况,在201 一号转载点至大块煤破碎车间带式输送机,206 大块筛分破碎车间至1 号原煤仓带式输送机,301 原煤仓至主厂房带式输送机,802 主厂房至产品仓末煤带式输送机,881 产品煤转载点至火车装车站带式输送机和主厂房高压配电室共设置6 台本安型移动巡检机器人。可满足视频采集、红外测温、音频采集、气体检测、烟雾探测、定点监测、输送带跑偏监测、遥控定位、远程视频对讲、无线通信、无线充电、自动电量监测、自主充电、数据存储查询、突发情况处理等移动巡检功能。选煤厂配电室巡检机器人运行、301 带式输送机巡检机器人控制中心现场分别如图12、图13所示。

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智能照明控制系统

针对行业内选煤厂现有照明设计无法根据照度要求自动控制照明光源;照明系统运行状态、照度和能耗等照明数据无法通过远程监控、存储和分析等痛点问题,就地控制或者集控室远程控制的传统照明控制系统已无法适应智能化选煤厂发展的要求。

巴拉素选煤厂主厂房照明系统可对现场各无线照度传感器进行照度数据的实时读取,通过RS485通信网络将读取的数据传送到照明系统PLC中,该PLC 根据实际生产照度与采集的照度数据对比实时控制现场光源的开和关,自动进行照度控制;HMI触摸屏用于对照度值控制参数进行设定和控制、手动开关控制、时间控制和监视照明系统整体运行状态,PLC云网关连接PLC和云端,可实现照明数据连接到云端,利用云技术将照明数据在云端存储,照明系统最终能以监控图形方式在PC端和手机端呈现,必要时可实现远程操控(图14)。

数字孪生平台

巴拉素选煤厂数字孪生平台将Revit BIM 数字三维引擎进行轻量化处理,采用Unity 3D软件进行3D渲染,从大数据平台抽取数据,进行三维空间数据植入,实现了选煤厂物理车间至虚拟数字车间的映射,构造选煤厂的元宇宙。选煤厂数字孪生平台主厂房系统监控界面如图15所示。

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巴拉素选煤厂在3D系统上完成设备运行状态信息监测、设备故障显示诊断及预警保护、视频摄像头画面提取监视、多功能数字仪表数据提取显示、停送电系统、人员定位系统、设备健康监测系统等的三维动态展现。该平台可与选煤厂MES管理信息系统平台实现信息交互,实现了选煤工艺效果评定、选煤质量控制与市场销售联动、生产经营分析等功能。巡检工程师可通过日臻完善的数字孪生平台进入虚拟厂房内进行模拟快速巡检,取代现场巡检的低效率并消除部分恶劣工况条件下的不安全因素。数字孪生平台可融合教育培训软件对生产设备的工作原理和检修维护做三维动态展示,这种沉浸式3D体验便于职工学习,进一步提高了职业技能水平。此外,该平台类似井下GIS 数字孪生技术,在事故发生时,为应急指挥提供三维现场工况展示,辅助抢险指挥决策。

基于数字孪生技术的选煤厂智能管控系统的研发和应用,为多系统数据融合、人机交互、综合管控提供了平台和窗口。同时,将智能洗选技术、智能仪表接入技术、人员定位技术、智能停送电技术、设备健康监测技术、智能AI 视频技术等融合到数字孪生管控系统,真正实现了选煤厂数据的“采集、分析、管控、决策”全周期管控,降低了人工干预,减少了用工人员,实现了选煤厂生产管理全流程的数字化、智能化。

结 语

巴拉素选煤厂智能化建设对许多关键技术进行了创新发展,主要特点如下:

(1) 对传统自动化编程思路进行了革新,采用面向对象的编程方法,提高了编程效率,便于后期维保。

(2) 按照工艺流程启停车时间最短科学路径和减少空载时间启停车原则进行一键启停车设计,减少了空载能耗。

(3) 全厂无线WiFi6 网络设计,搭建信息传输高速公路,工业移动控制、停送电管理、设备点检、巡检机器人等系统数据可利用无线网络传输,减少了现场布线工作量,提高了通信效率和降低成本。

(4) 全厂人员定位系统采用ZigBee 按需定位技术,在三维空间实现人员定位,避免了传统的井下常用的UWB人员定位技术在选煤厂建筑物立体架构空间内定位漂移不准的问题。

(5) 煤泥水沉降监测技术采用澄清水灰度监测和浊度仪、界面仪检测结合技术,科学分析计算絮凝剂加药量,实现了浓缩池系统稳定高效运行。

(6) 智能定量加介系统采用无人化机器抓斗自动加介,简捷高效,减轻了人工加介劳动强度。

(7) 智能照明技术开创性地引入照度传感器,采用照度调节控制、时控和手动人机界面触控3 种方式开闭灯具,节能高效,避免了“长明灯”现象。

(8) 智能AI 摄像头技术对电子围栏、人员异常行为监测(如不戴安全帽、抽烟、攀爬等)、溜槽堵塞、筛板跌落、刮板输送机故障、输送带跑偏及输送带带面大块异物监测等的投入,进一步提高了系统工作效率,保障人员和设备安全。

(9) TBDS 大数据平台、TStack 私有云技术、基于BIM 平台的三维可视化数字孪生技术的应用,实现了选煤厂重要生产场所三维数字孪生再造,为后期全面管控数据信息的植入及系统扩容提供了信息底座。

通过上述技术的实践应用,巴拉素选煤厂实现了全自动运行和生产参数的自动调节,日常生产无需额外人工干预,可24 h 连续运转,避免了机械事故造成的计划外停车。产品质量稳定,进一步提高了精煤产率,分选密度波动范围在0.005 g/cm3之内,吨煤介耗控制在0.5 kg/t 以内, 絮凝剂控制在2 g/t以内,生产用水量控制在0.1 m3/t 以内。通过精细化管理,延长了设备寿命,减少了材料(介、药、电、易损件等) 消耗,提升了员工的工作效率和成就感。


助理编辑:江振鹏

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