千萬(wàn)噸級(jí)選煤廠全流程一鍵啟車(chē)的智能化開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王川增

(山西焦煤 運(yùn)城鹽化集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000)

1 概 述

1.1 行業(yè)概況

選煤廠是一個(gè)具有綜合性、生產(chǎn)連續(xù)性、設(shè)備布局分散的工業(yè)化大生產(chǎn)系統(tǒng)，主要包括原煤篩分與破碎、重介質(zhì)循環(huán)與回收、循環(huán)水澄清及復(fù)用、煤泥浮選及壓濾脫水、產(chǎn)品轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)裙に嚟h(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)按時(shí)序分段作業(yè)，各自相對(duì)獨(dú)立但又環(huán)環(huán)相扣、錯(cuò)綜復(fù)雜，如果儲(chǔ)煤筒倉(cāng)上游任一環(huán)節(jié)或設(shè)備出現(xiàn)故障，可能引發(fā)堵壓設(shè)備、撒煤和跑水等生產(chǎn)事故，導(dǎo)致子系統(tǒng)甚至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)全線停產(chǎn)，進(jìn)而影響選煤廠產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著PLC可編程邏輯控制器廣泛應(yīng)用于選煤廠集中控制系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)部分先進(jìn)選煤廠在新建或集控系統(tǒng)改造時(shí)設(shè)計(jì)了按逆煤流順序自動(dòng)啟車(chē)程序。對(duì)于小廠型單系統(tǒng)布置的選煤廠，設(shè)備對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟車(chē)；對(duì)于多系統(tǒng)布置的選煤廠，因生產(chǎn)組織靈活，現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，特別是遇到單臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)故障、泵不上料等情況時(shí)，PLC難以適應(yīng)各種突發(fā)狀況，全流程自動(dòng)啟車(chē)基本不能投用；也有部分選煤廠將全系統(tǒng)設(shè)備按功能劃分為若干個(gè)模塊，并進(jìn)行PLC編程，靠人工判斷模塊之間的整體啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了小范圍內(nèi)的自動(dòng)啟車(chē)。因此，對(duì)多系統(tǒng)布置且生產(chǎn)組織靈活的煉焦煤選煤廠，實(shí)現(xiàn)全流程一鍵啟車(chē)，是選煤行業(yè)亟待解決的技術(shù)難題。

1.2 企業(yè)生產(chǎn)模式及存在的問(wèn)題

斜溝煤礦選煤廠生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)按工藝結(jié)構(gòu)主要分為準(zhǔn)備車(chē)間和主洗一、二期三大獨(dú)立系統(tǒng)，其中準(zhǔn)備車(chē)間共有參控設(shè)備91臺(tái)(給煤機(jī)共64臺(tái)，生產(chǎn)時(shí)投入6～10臺(tái))，一、二期系統(tǒng)參控設(shè)備各160臺(tái)(套)。主洗一、二期系統(tǒng)工藝和配置完全相同，鏡像布置，各擁有2套塊煤淺槽分選系統(tǒng)、3套重介旋流器主再洗系統(tǒng)及3套TCS粗煤泥分選系統(tǒng)。原煤準(zhǔn)備車(chē)間由一、二期2套生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成，4個(gè)原煤倉(cāng)(8號(hào)及13號(hào)原煤各2個(gè))下均布置1部收集帶式輸送機(jī)，通過(guò)機(jī)頭分岔溜槽可靈活選擇去一期系統(tǒng)還是二期系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)8號(hào)與13號(hào)煤?jiǎn)为?dú)入洗，或者按任意比例配煤入洗。

生產(chǎn)組織方式需根據(jù)原煤及產(chǎn)品倉(cāng)位、檢修情況、外運(yùn)計(jì)劃及煤質(zhì)變化等情況綜合平衡，結(jié)合各原煤倉(cāng)倉(cāng)位、產(chǎn)品方案來(lái)決定煤種單洗或配洗，主洗一期與二期之間各子系統(tǒng)的開(kāi)停，可以根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求靈活搭配。因參控設(shè)備眾多且生產(chǎn)方式靈活多變，PLC編程語(yǔ)言無(wú)法解決復(fù)雜邏輯控制算法的需求，故啟車(chē)時(shí)只能由調(diào)度員根據(jù)生產(chǎn)方式安排，按照逆煤流逐臺(tái)手工啟動(dòng)設(shè)備，系統(tǒng)匹配完全靠人工觀察判斷，參數(shù)調(diào)整完全靠人工操作，沉降過(guò)濾離心機(jī)和TCS粗煤泥分選系統(tǒng)需要現(xiàn)場(chǎng)崗位就地啟動(dòng)，啟車(chē)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40～60 min，空載時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備磨損嚴(yán)重。

2 全流程一鍵啟車(chē)的智能化開(kāi)發(fā)

2.1 智能啟車(chē)流程設(shè)計(jì)

2.1.1 方案選擇

選煤廠不同的生產(chǎn)方式，投入的子系統(tǒng)或設(shè)備有較大區(qū)別。智能啟車(chē)方案應(yīng)涵蓋選煤廠所有可能使用到的生產(chǎn)組織方式，提高系統(tǒng)選擇的靈活性，從而避免啟車(chē)時(shí)投入不相關(guān)設(shè)備，影響啟車(chē)進(jìn)度，增加無(wú)效電耗。根據(jù)選煤廠生產(chǎn)特點(diǎn)，啟車(chē)靈活性應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

(1)采用兩精方式，即兩期系統(tǒng)同時(shí)洗精煤，全部子系統(tǒng)開(kāi)啟；

(2)采用一精一混方式，洗精煤系統(tǒng)中子系統(tǒng)全部開(kāi)啟，洗混煤系統(tǒng)中塊煤開(kāi)單淺槽或雙淺槽，末煤系統(tǒng)可開(kāi)2套或3套主洗，再洗不開(kāi)；

(3)采用兩混方式，適用于精煤倉(cāng)滿(mǎn)而要保證礦井出煤的情況，再洗系統(tǒng)全部不開(kāi)；

(4)根據(jù)洗混煤水分情況，兩精生產(chǎn)時(shí)壓濾煤泥可全部摻入洗混煤，也可部分落地外排，煤泥外排運(yùn)輸系統(tǒng)相應(yīng)停開(kāi)；

(5)根據(jù)洗混煤發(fā)熱量情況，TCS粗煤泥分選系統(tǒng)可全部開(kāi)啟，也可以部分開(kāi)啟甚至全部不開(kāi)；

(6)每套TCS分選機(jī)有3個(gè)相互獨(dú)立的分選桶，生產(chǎn)時(shí)用2備1，啟車(chē)前應(yīng)選擇投入的2個(gè)桶；

(7)準(zhǔn)備車(chē)間實(shí)現(xiàn)8號(hào)煤和13號(hào)煤?jiǎn)为?dú)入洗或配煤入洗方案。

為適應(yīng)生產(chǎn)靈活性，智能啟車(chē)軟件優(yōu)化了啟車(chē)邏輯控制，根據(jù)生產(chǎn)方式配置啟車(chē)方案，將洗選系統(tǒng)劃分功能模塊，運(yùn)輸系統(tǒng)按產(chǎn)品性質(zhì)設(shè)置4條啟車(chē)線，將并行子系統(tǒng)的公用設(shè)備列為啟車(chē)線終點(diǎn)，產(chǎn)品倉(cāng)上分配刮板列為起點(diǎn)，使重介分選及TCS系統(tǒng)拆分而互不影響。在準(zhǔn)備車(chē)間、一期及二期系統(tǒng)界面分別選擇需要開(kāi)啟的子系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)選煤廠現(xiàn)行工藝所有生產(chǎn)方式的應(yīng)用，避免不相關(guān)設(shè)備投入啟車(chē)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)啟車(chē)。智能啟車(chē)Web端一期系統(tǒng)生產(chǎn)方式選擇如圖1所示。

圖1 智能啟車(chē)Web端一期系統(tǒng)生產(chǎn)方式選擇界面

2.1.2 啟車(chē)控制原理

(1)功能模塊劃分。啟車(chē)模型將廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備按工藝性質(zhì)劃分為若干個(gè)功能模塊，主要分為產(chǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)、煤泥水及稀介系統(tǒng)、介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、淺槽分選及原煤系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)分段逆煤流啟車(chē)集中控制策略。每個(gè)功能模塊又細(xì)分為若干啟動(dòng)單元，以同型號(hào)設(shè)備為分組依據(jù)，便于合理設(shè)定各設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以其下游的收集、轉(zhuǎn)載帶式或刮板輸送機(jī)的運(yùn)行信號(hào)為整組啟動(dòng)的前置條件，提高啟車(chē)效率。

(2)各功能模塊原則啟動(dòng)順序。首先開(kāi)啟產(chǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)：產(chǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)從倉(cāng)上配倉(cāng)刮板開(kāi)始啟動(dòng)直至廠房?jī)?nèi)各過(guò)程產(chǎn)品收集轉(zhuǎn)載帶式或刮板輸送機(jī)；輔助系統(tǒng)包含軸封水泵、冷卻水泵及高壓風(fēng)系統(tǒng)。高壓風(fēng)系統(tǒng)先行啟動(dòng)后，可保證各類(lèi)氣動(dòng)控制閥門(mén)執(zhí)行元件或機(jī)構(gòu)正常工作。

其次開(kāi)啟煤泥水系統(tǒng)及末煤稀介系統(tǒng)：按次序開(kāi)啟離心機(jī)、弧形篩、高頻篩、各煤泥水泵、低壓循環(huán)水泵，啟動(dòng)TCS系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，然后啟動(dòng)稀介系統(tǒng)的磁選機(jī)、磁尾泵、稀介泵。

再次開(kāi)啟合格介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)：先開(kāi)啟高壓循環(huán)水及各脫介篩，然后開(kāi)啟混料泵及合格介質(zhì)泵，完成合格介質(zhì)系統(tǒng)循環(huán)工作，主再洗懸浮液密度調(diào)節(jié)至帶煤狀態(tài)設(shè)定值，為帶煤生產(chǎn)做好準(zhǔn)備工作。

最后開(kāi)啟淺槽分選及入洗原煤系統(tǒng)：包括末原煤脫泥篩及分配刮板、塊煤系統(tǒng)所有設(shè)備(包括塊煤破碎機(jī)、淺槽及塊煤合格介質(zhì)泵、磁選機(jī)及稀介泵、脫介篩)、原煤分級(jí)脫泥篩、原煤入廠帶式輸送機(jī)，直到開(kāi)啟給煤機(jī)帶煤生產(chǎn)。

各功能模塊原則啟動(dòng)順序框圖如圖2所示，本模塊啟動(dòng)完成后才能觸發(fā)下一個(gè)模塊啟動(dòng)，避免設(shè)備提前投入增加電耗。

圖2 各功能模塊原則啟動(dòng)順序

2.1.3 優(yōu)化啟動(dòng)時(shí)序控制

(1)主啟動(dòng)單元?jiǎng)澐?。因各設(shè)備完成啟動(dòng)所需時(shí)間不同，大功率高壓設(shè)備如703洗混煤上倉(cāng)帶式輸送機(jī)、沉降過(guò)濾離心機(jī)，在主電機(jī)開(kāi)啟前需要先開(kāi)啟油泵充分潤(rùn)滑，間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)180 s。故在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)序上，單獨(dú)將沉降離心機(jī)及其冷卻水泵從煤泥水系統(tǒng)中提前抽取，與703洗混煤上倉(cāng)帶式輸送機(jī)列為主啟動(dòng)單元，等待上位機(jī)下發(fā)一鍵啟車(chē)命令時(shí)，執(zhí)行并行啟車(chē)。沉降離心機(jī)啟車(chē)完成后，洗混煤運(yùn)輸線也基本全部啟完，正好投入到煤泥水系統(tǒng)啟動(dòng)階段，減少了沉降離心機(jī)上下游設(shè)備啟動(dòng)的等待時(shí)間。

(2)在減小對(duì)電網(wǎng)沖擊的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備并行啟車(chē)。在保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化設(shè)備集中啟動(dòng)算法，實(shí)現(xiàn)同一啟動(dòng)單元內(nèi)多臺(tái)設(shè)備并行啟車(chē)，兩臺(tái)設(shè)備之間啟動(dòng)時(shí)間一般設(shè)置間隔3～5 s，以避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間大電流對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。

根據(jù)變壓器容量及負(fù)荷率，計(jì)算變壓器允許啟動(dòng)負(fù)荷。在變壓器負(fù)荷率允許的條件下，可保證同一臺(tái)變壓器所供電的設(shè)備按工藝要求進(jìn)行并行啟車(chē)；否則當(dāng)待啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)功率大于變壓器允許啟動(dòng)負(fù)荷時(shí)，則相應(yīng)調(diào)整設(shè)備啟動(dòng)時(shí)序，保證供電安全。

(3)優(yōu)化待啟設(shè)備前置條件。傳統(tǒng)PLC對(duì)設(shè)備的控制主要依靠順序控制或者計(jì)時(shí)控制，PLC自動(dòng)啟車(chē)的實(shí)現(xiàn)主要依靠延時(shí)啟動(dòng)，將要啟動(dòng)的設(shè)備按逆煤流方向單維度排序，設(shè)置計(jì)時(shí)器，無(wú)論滿(mǎn)不滿(mǎn)足條件都要啟動(dòng)，設(shè)備前后次序固化，無(wú)法跨設(shè)備啟動(dòng)。計(jì)時(shí)的控制邏輯在應(yīng)對(duì)泵啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)因無(wú)桶位導(dǎo)致泵空轉(zhuǎn)造成磨損。

智能啟車(chē)除了將運(yùn)行信號(hào)作為設(shè)備的啟動(dòng)前置條件，還可以根據(jù)不同設(shè)備的功能，將桶位、流量、電流等納入啟車(chē)前置條件，使設(shè)備一啟動(dòng)就投入到最佳工況或狀態(tài)，避免了空磨或堵壓事故的發(fā)生。

2.2 智能啟車(chē)系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)

斜溝煤礦選煤廠擁有完善的PLC生產(chǎn)環(huán)網(wǎng)及集中控制系統(tǒng)，因其穩(wěn)定性好、可靠性高，自建廠以來(lái)保證了生產(chǎn)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。但應(yīng)對(duì)生產(chǎn)組織靈活的全流程自動(dòng)啟車(chē)程序開(kāi)發(fā)時(shí)，基于PLC的梯形圖編程語(yǔ)言就顯得靈活性不足，風(fēng)格單一，使得設(shè)備啟動(dòng)前后次序固化，綜合應(yīng)變能力較差，形成信息孤島。

構(gòu)建智能工廠須擁有完備的基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)，為智能啟車(chē)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的軟硬件基礎(chǔ)。該廠將OPC服務(wù)器及Java服務(wù)器部署在智能化機(jī)房?jī)?nèi)，采用OPC通訊協(xié)議，建立了基于OPC技術(shù)管控一體化的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。

圖3 基于OPC 的智能啟車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意

OPC服務(wù)器安裝有kepserver軟件，創(chuàng)建地址空間并通過(guò)AB廠家PLC的EtherNet/IP通用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，將現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)存到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置，與設(shè)備實(shí)際控制物理地址一一對(duì)應(yīng)，完成選煤廠PLC集中控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，為應(yīng)用層實(shí)時(shí)提供生產(chǎn)工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)、故障報(bào)警及操作日志等海量數(shù)據(jù)，同時(shí)可接收來(lái)自Java應(yīng)用服務(wù)器的控制指令再下發(fā)至PLC執(zhí)行。

應(yīng)用服務(wù)器上部署有使用Java語(yǔ)言定制開(kāi)發(fā)的智能啟車(chē)服務(wù)端軟件，擁有強(qiáng)大而靈活的編程框架，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和各類(lèi)定制的計(jì)算。智能啟車(chē)軟件預(yù)先建立不同啟車(chē)方案工藝模型，根據(jù)操作員下發(fā)的生產(chǎn)方式和指令，對(duì)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合處理和綜合邏輯判斷，運(yùn)行“感知—分析—決策—控制—反饋—評(píng)估”的閉環(huán)控制機(jī)制，輸出最優(yōu)化結(jié)果進(jìn)而轉(zhuǎn)化成對(duì)設(shè)備的控制執(zhí)行。

客戶(hù)端是直接面向生產(chǎn)人員而開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)與Java后臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，包括web開(kāi)發(fā)的PC端(操作員站)、Android開(kāi)發(fā)的APP(Pad移動(dòng)端)。操作員及現(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)客戶(hù)端界面實(shí)時(shí)查看啟車(chē)進(jìn)度及設(shè)備監(jiān)控狀態(tài)，下發(fā)控制指令，對(duì)參數(shù)配置情況進(jìn)行查看和修改，需要人工干預(yù)時(shí)點(diǎn)擊按鈕響應(yīng)?？蛻?hù)端的兩種技術(shù)開(kāi)發(fā)，讓人機(jī)交互更適應(yīng)用戶(hù)和現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)更加智能。

3 全流程一鍵啟車(chē)的智能化應(yīng)用

3.1 智能啟車(chē)的創(chuàng)新功能點(diǎn)

(1)每條啟車(chē)線和啟車(chē)單元均可配置啟動(dòng)延時(shí)，靈活設(shè)置設(shè)備啟動(dòng)順序和啟車(chē)參數(shù)，從控制邏輯層面避免啟車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)的卡、堵、壓現(xiàn)象。當(dāng)需要修改啟車(chē)流程改變控制邏輯時(shí)，操作員可通過(guò)連接后臺(tái)服務(wù)器的web前端配置頁(yè)面進(jìn)行參數(shù)修改，不需要專(zhuān)業(yè)電氣工程師進(jìn)PLC程序修改，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)靈活性，降低了維護(hù)成本。

(2)啟車(chē)前對(duì)所選啟車(chē)方案進(jìn)行全系統(tǒng)自檢，自動(dòng)診斷各設(shè)備運(yùn)行條件、輸入狀態(tài)及保護(hù)接點(diǎn)是否滿(mǎn)足啟車(chē)條件，識(shí)別影響啟車(chē)因素，并可進(jìn)行一鍵處理集中/就地的轉(zhuǎn)換、報(bào)警復(fù)位等操作。

(3)啟車(chē)過(guò)程中自動(dòng)應(yīng)對(duì)處理故障，如泵不上料、設(shè)備故障等。系統(tǒng)將故障、報(bào)警信息內(nèi)容實(shí)時(shí)推送至相關(guān)檢修人員、生產(chǎn)人員佩戴的智能手環(huán)上，以便第一時(shí)間前往報(bào)警發(fā)生地進(jìn)行處理，提高處理效率。

(4)遇短時(shí)可處理好的故障設(shè)備可使用跳過(guò)功能，實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備啟動(dòng)，減少系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時(shí)間；設(shè)備啟車(chē)完成后對(duì)所有設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行整體掃描，狀態(tài)異常設(shè)備集中顯示，便于觀察處理。

(5)系統(tǒng)啟車(chē)后可一鍵恢復(fù)生產(chǎn)閉鎖、一鍵恢復(fù)設(shè)備保護(hù)、一鍵切換帶煤頻率等功能，最大限度地減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性。

3.2 應(yīng)用效益分析

智能啟車(chē)的實(shí)現(xiàn)，安全、平穩(wěn)、快速地完成了從產(chǎn)品倉(cāng)上配倉(cāng)刮板到原煤倉(cāng)下給煤機(jī)全流程設(shè)備的一鍵啟動(dòng)工作，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)控制水平及穩(wěn)定性、可靠性，大大減少了啟車(chē)過(guò)程中的人工參與，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

相比傳統(tǒng)啟車(chē)方式，智能啟車(chē)由之前的40 min以上減少為20 min，單次啟車(chē)消耗功率約減少4 000 kW·h。按每天啟車(chē)1次計(jì)算，全年可為選煤廠節(jié)約用電146萬(wàn)kW·h，電費(fèi)單價(jià)按0.5元/(kW·h)計(jì)算，全年可節(jié)約電費(fèi)73萬(wàn)元，同時(shí)因減少了設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)間而降低設(shè)備磨損，節(jié)省了材料配件費(fèi)用。

4 結(jié) 論

針對(duì)多系統(tǒng)并行布置的千萬(wàn)噸級(jí)煉焦煤選煤廠，生產(chǎn)組織靈活多變，傳統(tǒng)的PLC自動(dòng)啟車(chē)難以適應(yīng)全流程一鍵啟車(chē)的要求?；?OPC 技術(shù)的Java語(yǔ)言軟件由于其良好的開(kāi)放性和靈活的編碼規(guī)劃，適應(yīng)工控領(lǐng)域復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)了選煤廠全流程一鍵智能啟車(chē)及運(yùn)行優(yōu)化，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。