程錦科

(潞安環(huán)能股份有限公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

在智能化建設(shè)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(dòng)化、中層智能管理系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng)、IMS系統(tǒng)等)、上層企業(yè)云平臺(tái)(云服務(wù)器、智能終端等)三個(gè)層次。底層設(shè)備的自動(dòng)化、生產(chǎn)信息數(shù)字化是智能化洗煤廠建設(shè)的基礎(chǔ)條件。常村煤礦選煤廠堅(jiān)持從實(shí)際情況入手，逐步完成了生產(chǎn)系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域控制以及以壓濾系統(tǒng)的自動(dòng)控制、洗選系統(tǒng)的洗水平衡、火車自動(dòng)化裝車、浮選遠(yuǎn)程定量加藥等為代表的底層設(shè)備的自動(dòng)化控制。同時(shí)完成了智能管理系統(tǒng)中SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)。

1 生產(chǎn)系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)

常村煤礦選煤廠在廠內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)千兆光纖環(huán)形以太網(wǎng)工業(yè)控制平臺(tái)，調(diào)度室設(shè)置了兩個(gè)西門子1500系列PLC(一主一備)，在原煤、壓濾、重介-浮選、精煤倉(cāng)、后落地裝車、外來(lái)煤系統(tǒng)等6處設(shè)置分站，各分站通過環(huán)形以太網(wǎng)與主站通訊，實(shí)現(xiàn)了快速采集全廠控制信息和實(shí)時(shí)設(shè)備控制，同時(shí)消除了信息壁壘，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備信息共享。

本系統(tǒng)PLC采用模塊化程序設(shè)計(jì)，具有自診斷功能，可以準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)或單個(gè)設(shè)備是否具備開車條件，實(shí)現(xiàn)一鍵全流程啟動(dòng)和設(shè)備單控。同時(shí)利用系統(tǒng)的開關(guān)量采集功能，常村煤礦洗煤廠自主設(shè)計(jì)了膠帶失速，刮板失速，溜槽堆煤等保護(hù)，確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在無(wú)人值守的情況下，安全可靠的運(yùn)行。利用系統(tǒng)的模擬量采集功能，常村煤礦洗煤廠使用拉線傳感器、雷達(dá)料位計(jì)等傳感器采集閘板開度、煤倉(cāng)倉(cāng)位和水池液位等信息，通過SCADA系統(tǒng)反饋到調(diào)度室，對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)提供了寶貴信息。生產(chǎn)系統(tǒng)的控制的主要功能如下：

1) 控制方式：本系統(tǒng)分為集中自動(dòng)、集中手動(dòng)、就地三種控制方式。集中自動(dòng)方式由集控室發(fā)出流程啟、停車命令，現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備按預(yù)定流程進(jìn)行順序的啟停；集中手動(dòng)是在集控室對(duì)單臺(tái)設(shè)備分別進(jìn)行有或無(wú)閉鎖單獨(dú)開?？刂疲O(shè)備間的閉鎖關(guān)系與選擇的路徑有關(guān)；就地控制是在設(shè)備操作箱上進(jìn)行無(wú)閉鎖啟停，一般在設(shè)備檢修試車時(shí)使用。

2) 預(yù)警方式：預(yù)警采用聲光預(yù)警方式，各獨(dú)立系統(tǒng)單獨(dú)預(yù)警，根據(jù)預(yù)警的頻率和次數(shù)來(lái)區(qū)分預(yù)警信號(hào)?？梢宰詣?dòng)預(yù)警也可以手動(dòng)預(yù)警。

3) 啟停過程：采用逆煤流啟動(dòng)，順煤流停車，設(shè)備啟停時(shí)間間隔根據(jù)需要來(lái)設(shè)置。系統(tǒng)順序啟動(dòng)時(shí)，先自動(dòng)預(yù)警，預(yù)警結(jié)束后，系統(tǒng)按照設(shè)定程序順序開始啟動(dòng)設(shè)備，直至整個(gè)流程啟動(dòng)完成，其中，預(yù)警時(shí)間可以在計(jì)算機(jī)上設(shè)定；在預(yù)警和啟動(dòng)過程中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，可以通過按下停止按鈕、將控制方式改為就地、觸動(dòng)膠帶保護(hù)等方式來(lái)結(jié)束預(yù)警和啟動(dòng)過程，并且，這些操作都能直觀反映到調(diào)度室。

4) 自動(dòng)停車：為了避免人為因素造成設(shè)備空轉(zhuǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷運(yùn)行條件，當(dāng)設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入流程停車狀態(tài)。

5) 自動(dòng)運(yùn)行：根據(jù)液位、倉(cāng)位以及其他人為設(shè)定條件(如時(shí)間、給煤機(jī)開停等)來(lái)維持系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

6) 電動(dòng)閘板監(jiān)控：對(duì)關(guān)鍵部位的閘板進(jìn)行電動(dòng)改造，并實(shí)現(xiàn)集中控制，如304處閘板和洗矸石倉(cāng)下閘板，調(diào)度員可以根據(jù)膠帶的運(yùn)行狀況來(lái)調(diào)節(jié)閘門的大小。

7) 分煤器監(jiān)控：對(duì)關(guān)鍵部位的分煤器進(jìn)行電動(dòng)改造，并實(shí)現(xiàn)集中控制，調(diào)度員可以需求來(lái)調(diào)整流程和落煤點(diǎn)。

8) 電動(dòng)閥門監(jiān)控：對(duì)關(guān)鍵部位的電動(dòng)閥門進(jìn)行監(jiān)控。

9) 電機(jī)保護(hù)監(jiān)視：通過通信的方式來(lái)讀取電機(jī)綜合保護(hù)器的運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)電機(jī)保護(hù)故障時(shí)，能判斷出故障原因，主要包括以下故障：過載、堵轉(zhuǎn)、相不平衡、欠載、欠壓等。

10) 膠帶保護(hù)監(jiān)視：將生產(chǎn)系統(tǒng)中的膠帶保護(hù)信號(hào)接入到集控系統(tǒng)中來(lái)，當(dāng)膠帶保護(hù)動(dòng)作時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，并進(jìn)行處理。

11) 倉(cāng)位監(jiān)視功能：選用雷達(dá)料位計(jì)對(duì)煤倉(cāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為生產(chǎn)提供依據(jù)。

12) 液位監(jiān)測(cè)功能：選用超聲波液位計(jì)對(duì)水箱水池的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

13) 膠帶計(jì)量監(jiān)視：能監(jiān)視膠帶稱的瞬時(shí)流量，并根據(jù)膠帶秤輸出，對(duì)各班膠帶運(yùn)煤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

14) 變頻參數(shù)監(jiān)視：對(duì)系統(tǒng)中的一些變頻器，能通過通信方式讀取變頻器的參數(shù)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。

15) 配電系統(tǒng)監(jiān)控：能監(jiān)視高低壓空開和斷路器的狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)低壓主受開關(guān)的監(jiān)控。

2 SCADA監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視和操作現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備及流程等，用于接收智能管理系統(tǒng)的控制策略同時(shí)向PLC發(fā)送操作指令和運(yùn)行算法等命令。常村煤礦選煤廠的SCADA系統(tǒng)是由西門子上位機(jī)軟件Wincc和數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server 2008組成，除具備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制之外還有信息存儲(chǔ)功能，可以記錄操作員操作過程、設(shè)備運(yùn)行日志、現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的動(dòng)作日志、主運(yùn)膠帶的煤量以及主要設(shè)備的電機(jī)電流、電機(jī)頻率等參數(shù)并可以用文檔的形式及時(shí)發(fā)布，為洗煤廠的日常管理和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提供有效的依據(jù)。

SCADA監(jiān)控系統(tǒng)主要功能如下：

1) 設(shè)備故障分析：當(dāng)設(shè)備停車時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)判斷停車原因。主要停車原因如下：電機(jī)保護(hù)故障停車、膠帶保護(hù)故障停車、現(xiàn)場(chǎng)停車、閉鎖停車、掉電停車、集控停車、自動(dòng)停車、流程停車、系統(tǒng)急停等，其中，電機(jī)保護(hù)故障能具體到故障原因，膠帶保護(hù)故障具體到故障的位置。

2) 流程故障分析：在正常生產(chǎn)期間，因某一設(shè)備的停車而造成整個(gè)流程中斷時(shí)，控制計(jì)算機(jī)預(yù)警，并判斷出影響流程的設(shè)備，以便調(diào)度員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

3) 運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)：對(duì)每個(gè)設(shè)備的本次以及當(dāng)天運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為生產(chǎn)分析提供時(shí)間依據(jù)。

4) 設(shè)備運(yùn)行記錄：實(shí)時(shí)記錄設(shè)備的開停狀況，能查詢1年內(nèi)的設(shè)備的開停情況，并自動(dòng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，開停次數(shù)等。記錄內(nèi)容包括：設(shè)備名稱、開車時(shí)間、開車方式、停車時(shí)間、停車原因、運(yùn)行時(shí)間等。

5) 設(shè)備故障記錄：能查詢?cè)O(shè)備的故障情況，并分析出各種故障的次數(shù)與累計(jì)時(shí)間。

6) 操作記錄查詢：能自動(dòng)記錄操作人員的操作，為故障分析提供依據(jù)。

7) 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能：能將系統(tǒng)運(yùn)行狀況的各種信息發(fā)布礦局網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在權(quán)限允許的范圍內(nèi)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和查看。

3 系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域控制

傳統(tǒng)選煤自動(dòng)化生產(chǎn)均采用集中控制模式，存在調(diào)度員無(wú)法對(duì)供電、設(shè)備、工藝、安全所有環(huán)節(jié)與專業(yè)實(shí)施全面監(jiān)控的困境，其他相關(guān)人員需要調(diào)度人員進(jìn)行任務(wù)分配，存在較大的滯后等缺點(diǎn)。常村煤礦選煤廠在建設(shè)智能化選煤廠的過程中借助信息共享平臺(tái)，由崗點(diǎn)式管理改為巡崗式管理，將傳統(tǒng)的選煤集中控制模式向區(qū)域監(jiān)控與集中監(jiān)控相結(jié)合的模式轉(zhuǎn)變。模式構(gòu)成后，不僅實(shí)現(xiàn)巡崗式管理，還達(dá)到了控員提效的目的。特別是在外來(lái)火車原煤卸煤、北煤場(chǎng)回煤及產(chǎn)品裝車、落地等環(huán)節(jié)上。在后期的規(guī)劃中，常村煤礦選煤廠將在機(jī)電車間增加區(qū)域監(jiān)控站點(diǎn)，負(fù)責(zé)全廠供電系統(tǒng)的監(jiān)控，由相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行操作，減去調(diào)度人員與相關(guān)人員溝通的時(shí)間，提高工作效率。同時(shí)建立信息管理IMS系統(tǒng)和企業(yè)云平臺(tái)，形成移動(dòng)互聯(lián)的可視化協(xié)作平臺(tái)。通過信息管理IMS系統(tǒng)和企業(yè)云平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)選煤生產(chǎn)、煤質(zhì)化驗(yàn)、煤炭銷售各類信息匯于一體的協(xié)同管理平臺(tái)。同時(shí)通過與SCADA系統(tǒng)互聯(lián)，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與視頻在線，還可實(shí)現(xiàn)在授權(quán)情形下，設(shè)備及工藝過程的操作和控制。

4 底層設(shè)備的自動(dòng)化建設(shè)

選煤屬于典型的流程工業(yè)范疇，過程控制是選煤生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的選煤廠建設(shè)基本實(shí)現(xiàn)了選煤廠集中控制，僅僅解決了設(shè)備依據(jù)工藝的流程啟動(dòng)以及保障了設(shè)備和人的安全，對(duì)提高生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高分選精度和精煤回收率、降低介質(zhì)消耗和藥劑消耗的關(guān)鍵。此外配煤過程、煤泥水處理過程、配裝過程對(duì)于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提升效益也非常重要。因此常村煤礦選煤廠堅(jiān)持不斷探索、循序漸進(jìn)的原則，不斷完善底層設(shè)備的自動(dòng)化。現(xiàn)以壓濾系統(tǒng)一鍵啟停和洗選系統(tǒng)洗水的自動(dòng)平衡為例。

4.1 壓濾系統(tǒng)一鍵啟停

浮選系統(tǒng)的精煤、尾煤壓濾共計(jì)8臺(tái)壓濾機(jī)(各4臺(tái))，改造前需要人工操作，完成壓濾機(jī)及其附屬的入料泵和卸料刮板啟停以及各臺(tái)壓濾機(jī)的入料順序，不僅環(huán)節(jié)繁瑣增加職工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制上因煤泥水池料位不易控制等人為影響會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行不暢。例如：在浮選4臺(tái)壓濾機(jī)控制上，一旦出現(xiàn)兩臺(tái)以上壓濾機(jī)同時(shí)卸料，會(huì)造成下方設(shè)備負(fù)荷增加和最終煤質(zhì)不均的情況；尾煤壓濾出現(xiàn)兩臺(tái)壓濾機(jī)同時(shí)卸料的情況會(huì)使下方煤泥膠帶負(fù)荷增大，出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)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(jī)處理時(shí)間接續(xù)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(huán)節(jié)和人為控制的不利情況，常村煤礦選煤廠通過增設(shè)壓濾機(jī)入料管微細(xì)流量傳感器和壓濾機(jī)料桶(料池)雷達(dá)料位計(jì)，實(shí)現(xiàn)了入料泵、壓濾機(jī)、卸料刮板機(jī)以及煤泥運(yùn)輸設(shè)備的自動(dòng)控制程序，利用區(qū)域控制的監(jiān)控設(shè)施實(shí)現(xiàn)壓濾機(jī)一鍵流程啟動(dòng)，即：在正常生產(chǎn)情況下，通過自動(dòng)控制程序，結(jié)合入料池(筒)料位情況，實(shí)現(xiàn)渣漿泵自動(dòng)入料、壓濾機(jī)入滿料時(shí)(通過微細(xì)流量計(jì)+延時(shí)設(shè)定)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停泵，卸料刮板機(jī)反轉(zhuǎn)卸水后正轉(zhuǎn)壓濾機(jī)卸料，卸完料在程序控制下實(shí)現(xiàn)相同用途的壓濾機(jī)依次順序入料，不同時(shí)卸料，同時(shí)根據(jù)壓濾入料池(桶)水位自動(dòng)選擇要開啟的壓濾機(jī)臺(tái)數(shù)。

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(jì)量不準(zhǔn)、壓濾機(jī)流量監(jiān)測(cè)不精確以及流程設(shè)備配合時(shí)間等問題，最終實(shí)現(xiàn)利用區(qū)域小流程控制精煤壓濾系統(tǒng)12臺(tái)設(shè)備和尾煤壓濾13臺(tái)設(shè)備一鍵啟動(dòng)后系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的目的。

4.2 洗選系統(tǒng)洗水的自動(dòng)平衡

生產(chǎn)過程中存儲(chǔ)生產(chǎn)用水的各類水池(桶)需維持一定的水位運(yùn)行，保證產(chǎn)生系統(tǒng)的水平衡。原有控制水平衡是由崗位人員不定時(shí)地對(duì)各料桶、水池的水位進(jìn)行觀察檢測(cè)，然后控制進(jìn)出料的設(shè)備啟停，來(lái)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(jìn)行改造，現(xiàn)已初步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中的洗水自動(dòng)平衡。主要做法是：

各料筒(池)采用可靠的料位計(jì)量并根據(jù)料位的不同對(duì)料桶進(jìn)行補(bǔ)水，生產(chǎn)系統(tǒng)中各旋流器進(jìn)行壓力采集并遠(yuǎn)程顯示，系統(tǒng)通過料筒的液位以及旋流器壓力來(lái)調(diào)節(jié)給料泵的頻率，監(jiān)控點(diǎn)操作人員可以遠(yuǎn)程輔助操作。智能控制過程和原理：當(dāng)系統(tǒng)流程啟動(dòng)后，某個(gè)料筒內(nèi)水位達(dá)到一定高度，相應(yīng)排水泵(給料泵)以一定頻率啟動(dòng)(此頻率需保證旋流器的壓力)；當(dāng)檢測(cè)到料筒液位不斷增長(zhǎng)的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)增加頻率(最大50 Hz)；當(dāng)檢測(cè)到液位不斷下降后，系統(tǒng)自動(dòng)降低頻率，當(dāng)旋流器壓力達(dá)到下限的時(shí)候，系統(tǒng)停止降低頻率，同時(shí)開啟補(bǔ)水閥門。補(bǔ)水閥門開啟后如果液位不斷上升，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)小補(bǔ)水閥門。如果液位不斷下降，液位降低到一定值的時(shí)候，排水泵(給料泵)自動(dòng)停泵。

經(jīng)過兩年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用，洗水的自動(dòng)平衡控制流程實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中各水位的動(dòng)態(tài)平衡。

5 常村煤礦選煤廠智能化改造規(guī)劃

常村煤礦選煤廠為成為更高標(biāo)準(zhǔn)的智能化選煤廠，未來(lái)兩年智能化建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃主要有“決策支持型選煤廠信息管理系統(tǒng)”、“配電室智能監(jiān)控系統(tǒng)”、“選矸機(jī)械手”、“井口防串倉(cāng)改造”、“浮選精煤泥均質(zhì)給料技術(shù)研究”等。

1) 決策支持型選煤廠信息管理系統(tǒng)，計(jì)劃對(duì)技術(shù)、安全檢查、機(jī)電設(shè)備、生產(chǎn)調(diào)度等進(jìn)行信息集成共享，需增加手機(jī)APP巡檢、流程審批、人員定位等功能，將集中控制系統(tǒng)中的倉(cāng)位、液位、膠帶秤以及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、故障保護(hù)參數(shù)、生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)和煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫隙連接、無(wú)時(shí)限手機(jī)共享，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、煤質(zhì)管控、產(chǎn)銷協(xié)同，在生產(chǎn)系統(tǒng)的決策支持等方面的提檔升級(jí)。

2) 對(duì)供配電系統(tǒng)實(shí)施智能化控制改造，計(jì)劃構(gòu)建遠(yuǎn)程操控和監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，需要擴(kuò)展配電室智能溫度調(diào)控功能、人臉識(shí)別和視頻跟隨功能，配電室電控門鎖功能等，為暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)呐潆姽耦A(yù)留端口，提高原系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電器件標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)達(dá)到智能、安全運(yùn)行。

3) 選矸機(jī)械手的應(yīng)用，利用視頻判斷區(qū)分煤和矸石，使用機(jī)械手自動(dòng)選取矸石排出系統(tǒng)，利用智能化設(shè)備替代人工。

4) 井口防串倉(cāng)改造，通過對(duì)井口來(lái)料情況進(jìn)行判斷，控制放倉(cāng)閘板開啟程度，杜絕異常情況出現(xiàn)的井口滑倉(cāng)情況，減少職工勞動(dòng)強(qiáng)度和調(diào)整崗位人員安排。

5) 開展浮選精煤泥均質(zhì)給料技術(shù)研究，尋找解決重介-浮選工藝并存狀態(tài)下，精煤泥與重介精煤不能均量摻混導(dǎo)致的綜合精煤灰分波動(dòng)大，洗煤質(zhì)量管控困難等問題，為今后實(shí)現(xiàn)精煤灰分的在線檢測(cè)，降低技檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度做好技術(shù)鋪墊。

6) 集控系統(tǒng)擴(kuò)展項(xiàng)目，計(jì)劃完善單機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制并入集中控制系統(tǒng)，增加集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。調(diào)研密控系統(tǒng)并入集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)密度自動(dòng)調(diào)節(jié)；在壓濾機(jī)一鍵控制的基礎(chǔ)上增加精煤臥脫自動(dòng)控制；繼續(xù)研究浮選機(jī)自動(dòng)加藥系統(tǒng)，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完全脫離人工控制；實(shí)現(xiàn)全廠主要生產(chǎn)設(shè)備的集中潤(rùn)滑；完善生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)。

7) 完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)視頻隨動(dòng)、故障定位功能，增加廠房主要位置的人臉識(shí)別和視頻追蹤功能，更新現(xiàn)有視頻硬件，為提供遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控提供有力保證。本項(xiàng)目與集控系統(tǒng)擴(kuò)展同期進(jìn)行。