小莊礦選煤廠智能化改造應用研究

劉 寧，王亞鵬

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

1 工程背景

1.1 小莊選煤廠基本概況

小莊礦選煤廠隸屬于陜西彬長礦業(yè)集團有限公司，2014年建成并投產(chǎn)，原煤處理能力與洗選能力為6.0 Mt/年。工藝系統(tǒng)主要分為原煤儲存、原煤準備、洗選系統(tǒng)、產(chǎn)品儲存、裝車系統(tǒng)等。

1.2 目前存在問題

選煤廠目前自動化、信息化程度處于中等水平：

1）洗選系統(tǒng)已實現(xiàn)啟停車遠程集中自動控制，但大部分設備和控制閥門尚未實現(xiàn)智能控制，使生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量人為不安全因素。

2）視頻監(jiān)測系統(tǒng)采用模擬圖像信號采集與傳輸模式，抗干擾能力較差。

3）由于生產(chǎn)及供電設備主要通過人工巡檢，設備運行轉臺信息不能實時傳送至集控室，造成設備故障停機率高，嚴重影響生產(chǎn)效能。

綜上可知，為增強系統(tǒng)可靠性、提高生產(chǎn)效益，現(xiàn)需對小莊礦選煤廠進行智能化改造。

2 智能化改造原理

結合小莊礦目前自動化、信息化程度不足的現(xiàn)狀，建立“信息層”、“網(wǎng)絡層”、“控制層”和“設備層”的智能化架構，如圖1所示，針對部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)制定具體智能化改造方案。

如圖1可知，智能化改造主要思路如下：

圖1 智能化改造原理架構圖

1）設備層：智能化改造的基礎在于“設備層”智能化，一方面是提高生產(chǎn)設備自動化水平；另一方面是通過智能監(jiān)測，實時采集主要設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)控安全生產(chǎn)狀況[1-2]。

2）控制層：“設備層”的生產(chǎn)、監(jiān)測設備直接受“控制層”系統(tǒng)調節(jié)管控，小莊礦選煤廠已建設基于PLC的控制系統(tǒng)，但由于版本較舊，穩(wěn)定性不足。

3）網(wǎng)絡層：穩(wěn)定安全、迅捷可靠的“網(wǎng)絡層”建設是保障生產(chǎn)信息傳輸、控制指令下達的關鍵。工業(yè)以太網(wǎng)和4G公網(wǎng)結合應用，保證控制信號傳輸?shù)陌踩院涂焖傩浴?/p>

4）信息層：現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲、分析通過“信息層”進行遠程終端控制。建造可視化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并采用數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)分析提供基礎。

3 智能化優(yōu)化具體方案

3.1 設備層智能化改造

根據(jù)小莊礦基礎設備自動化現(xiàn)狀，從底層生產(chǎn)設備、數(shù)據(jù)采集設備、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務中心四方面制定具體智能化改造方案：

1）底層生產(chǎn)設備智能化。將氣動閥門更換為電液動閥門，配套具有就地和遠程操作功能的控制箱，位置信號及動態(tài)監(jiān)控畫面上傳至集控室，從而實現(xiàn)遠程控制。改造中低壓配電系統(tǒng)綜保后臺，實現(xiàn)峰谷電能計量、能耗統(tǒng)計分析、電能質量監(jiān)測等功能，實現(xiàn)配電室無人值守。利用重介系統(tǒng)現(xiàn)有原煤、精煤皮帶配置的在線灰分儀，根據(jù)實時灰分反饋調節(jié)循環(huán)懸浮液密度、各介質桶液位、磁性物含量等參數(shù)，嚴格把控產(chǎn)品質量。

2）數(shù)據(jù)采集設備智能化。對主要設備安裝溫度傳感器和振動傳感器，實時監(jiān)測并進行故障報警。通過設備運行狀態(tài)的全面監(jiān)測，實時發(fā)現(xiàn)、排除故障，避免因設備造成生產(chǎn)停滯。

3）視頻監(jiān)視系統(tǒng)智能化。在原有視頻監(jiān)視系統(tǒng)基礎上，提高智能化水平，采用高清網(wǎng)絡攝像機＋交換機+視頻管理服務器＋工業(yè)電視墻的系統(tǒng)模式。建立智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要結構如圖2所示。

圖2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

4）數(shù)據(jù)服務中心智能化。為保證業(yè)務系統(tǒng)的高可用、可適應高負載，對系統(tǒng)服務器資源進行整合，設置4臺雙至強、內(nèi)存256G物理服務器和1套虛擬服務軟件“VMware vSphere”，提供約30臺虛擬服務器后臺服務。

3.2 網(wǎng)絡層智能化改造

全廠設置兩套工業(yè)以太網(wǎng)絡，一套為集控系統(tǒng)獨享，以保證安全性、實時性，另一套為其他系統(tǒng)共享，利用VLAN、QoS技術，保證各業(yè)務連接的安全高效。此外使用運營商的4G網(wǎng)絡，依托ISP的既有網(wǎng)絡和基站設備實現(xiàn)移動應用。

3.3 控制層智能化改造

升級現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，將PLC主機CPU由當前的L63升級為最新型號L75，將ControlNet網(wǎng)絡結構改為通訊速率更高、更為穩(wěn)定的以太網(wǎng)結構，采用單模光纖將各以太網(wǎng)控制分站構成光纖環(huán)網(wǎng)，完善PLC控制系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡先進性。

3.4 信息層智能化改造

根據(jù)小莊礦信息層管理現(xiàn)狀，從生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)和綜合管理系統(tǒng)終端三方面制定具體智能化改造方案：

1）生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫智能化。關系數(shù)據(jù)庫采用SQLServer，便于對數(shù)據(jù)進行查詢、搜索、同步、報告和分析等操作。實時數(shù)據(jù)庫采用iHistorian，對生產(chǎn)狀況進行實時采集，輔以工作人員手動輸入，建立完備的設備運行數(shù)據(jù)庫。

2）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)智能化。利用虛擬現(xiàn)實技術，結合選煤廠的結構、設備布局以及監(jiān)測與控制的任務，建立3D可視化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，見圖3。可便捷觀測生產(chǎn)空間狀態(tài)或設備參數(shù)，并將監(jiān)測參數(shù)以曲線、表格等形式進行實時顯示、存儲與歷史數(shù)據(jù)調用等。

圖3 設備運行3D可視化監(jiān)測界面

3）綜合管理系統(tǒng)終端智能化。基于手機終端開發(fā)專用APP軟件，管理人員在選煤廠4G網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域，可通過APP和系統(tǒng)交互，方便技術人員查詢生產(chǎn)信息，完成數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動下達的各項生產(chǎn)任務，提高選煤廠信息化水平。

4 工程應用

經(jīng)過本次智能化改造，小莊礦選煤廠規(guī)范建設了基層監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了各固定區(qū)域、固定崗位的無人化，升級PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大幅提高了生產(chǎn)現(xiàn)場的安全性。部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)由智能分析、控制和預警代替了人工操作，降低工人勞動強度的同時提升了選煤廠管理水平，為實現(xiàn)小莊礦選煤廠生產(chǎn)過程“有人巡視、無人值守”提供底層支撐[3-4]。

小莊礦選煤廠智能化改造后，可以減少基層現(xiàn)場人員9人，減少管理人員4人，達到現(xiàn)有員工的21%，節(jié)省工資成本約156萬元/年。重介系統(tǒng)智能化改造可以保持重介質密度穩(wěn)定，提高精煤洗出率約0.5%，節(jié)約重介質約23 t/年，節(jié)約重介質成本1.8萬元/年。3D可視化數(shù)據(jù)采集和智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測設備的運行狀況，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，提高整體生產(chǎn)系統(tǒng)開機率約5%，可多選精煤320 t/d，提高生產(chǎn)效率約2.5%，按照220萬t/年的精煤產(chǎn)量，合計增收約為6 062萬元/年。綜上所述，本次智能化改造可為小莊礦選煤廠增加經(jīng)濟效益合計約6 219.8萬元/年，見表1。

表1 智能化改造效益統(tǒng)計表

5 結論

1）通過分析選煤廠現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)特點，確定應從設備層、控制層、網(wǎng)絡層和信息層進行智能化改造的方案架構。

2）基于多層次的智能化改造架構，針對選煤廠部分生產(chǎn)、監(jiān)測和監(jiān)控環(huán)節(jié)制定了具體的改造措施。

3）選煤廠應用智能化改造方案后，達到了增強生產(chǎn)安全性、提高生產(chǎn)管理水平的目標，同時可增加綜合效益6 219.8萬元/年。