重介分選智能化控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳德奮，李麗麗，孟 濤，朱思斌，李 旭，劉正學(xué)

(棗莊礦業(yè)集團(tuán) 三河口礦業(yè)公司選煤廠，山東 棗莊 277000)

1 概 述

煤礦智能化是煤礦綜合自動(dòng)化發(fā)展的新階段，按照《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2020〕283號)、《山東省煤礦智能化建設(shè)實(shí)施方案》(魯能源煤炭字〔2019〕280號)及《智能化煤礦(井工)分類、分級技術(shù)條件與評價(jià)指標(biāo)體系》等文件要求，建立智能化選煤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能選煤過程管控常態(tài)化運(yùn)行，建立滿足指導(dǎo)生產(chǎn)及參數(shù)調(diào)整要求的數(shù)學(xué)分析模塊，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)智能管控，工藝參數(shù)實(shí)時(shí)智能調(diào)整，分選效果智能預(yù)判，做到產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定受控是目前選煤廠的發(fā)展方向。

三河口選煤廠按照智能建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合自身實(shí)際，堅(jiān)持“總體規(guī)劃、分步實(shí)施、重點(diǎn)突破、務(wù)求實(shí)效”的基本原則，利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，從重介分選各環(huán)節(jié)的智能化控制技術(shù)入手，著力打造示范型智能化選煤廠。

2 重介分選各環(huán)節(jié)的智能化控制技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 重介分選密度的智能控制

該控制系統(tǒng)是通過在線測灰儀與采樣機(jī)的有機(jī)結(jié)合，采樣機(jī)布置于綜合精煤產(chǎn)品膠帶機(jī)。采樣機(jī)與浮選精煤卸料刮板機(jī)聯(lián)動(dòng)，浮選精煤卸料時(shí)停止采樣，保證所采樣品全部為重介精煤，并通過測灰儀的現(xiàn)場精準(zhǔn)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)重介精煤煤質(zhì)的快速檢測、精準(zhǔn)分析；通過壓差式密度計(jì)、磁性物含量計(jì)，檢測當(dāng)前旋流器懸浮液實(shí)時(shí)密度、磁性物含量；分別根據(jù)不同煤層原煤浮沉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立浮沉組成數(shù)學(xué)模型，開發(fā)基于MPC先進(jìn)控制算法的重介懸浮液密度智能控制系統(tǒng)，通過灰分指標(biāo)反饋PLC控制系統(tǒng)，PLC對現(xiàn)場儀器儀表信號進(jìn)行采集和精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了密度的高精度控制，同時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水和自動(dòng)分流無擾切換，擴(kuò)大了密度調(diào)控范圍，為灰分回控奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；設(shè)自動(dòng)、智能兩種控制模式，實(shí)現(xiàn)灰分與密度的閉環(huán)控制。密度自動(dòng)設(shè)定上位機(jī)轉(zhuǎn)化界面如圖1所示。

圖1 密度自動(dòng)設(shè)定上位機(jī)轉(zhuǎn)化界面

本控制系統(tǒng)中的控制重點(diǎn)和難點(diǎn)是根據(jù)3上、3下煤不同煤質(zhì)數(shù)據(jù)建立不同工況下辨識模型，精確標(biāo)定先進(jìn)控制算法的控制時(shí)域、預(yù)測時(shí)域，消除不同密度級工況下控制超調(diào)量問題。三河口選煤廠通過此項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了密度—灰分的智能閉環(huán)控制，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了重介精煤的質(zhì)量和產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)選煤廠的優(yōu)質(zhì)高效運(yùn)作。

2.2 智能給煤與智能節(jié)能控制

為實(shí)現(xiàn)智能給煤與節(jié)能控制，三河口選煤廠利用入選原料煤在線質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際分選密度結(jié)合，建立各產(chǎn)品產(chǎn)率數(shù)學(xué)模型；分析給煤量與各臺給煤機(jī)供料頻率以及精煤、中煤、矸石生產(chǎn)量與頻率關(guān)系，開發(fā)智能給煤與節(jié)能控制系統(tǒng)平臺，通過控制系統(tǒng)參數(shù)與底層PLC變量之間的通訊，智能控制供料及產(chǎn)品膠帶機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)空載低速、重載智能調(diào)速，使系統(tǒng)達(dá)到最佳處理能力和運(yùn)輸設(shè)備的節(jié)能控制。

2.3 重介旋流器智能防堵塞控制系統(tǒng)

由于入洗原煤不可避免的超?；螂s物進(jìn)入選煤系統(tǒng)，在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)旋流器二段堵塞的情況，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)使大量原煤進(jìn)入精煤(篩)，造成精煤產(chǎn)品質(zhì)量事故的發(fā)生。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)旋流器堵塞問題，三河口選煤廠研究出了一套旋流器二段入料口堵塞報(bào)警控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)中協(xié)助集控人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵塞問題，并代替崗位司機(jī)完成智能巡檢功能。

本系統(tǒng)主要依靠巡檢機(jī)器人采集矸石篩篩面視頻信號并進(jìn)行對比分析，再配合控制系統(tǒng)中重介旋流器的懸浮液入料壓力變化曲線、入洗膠帶機(jī)給煤情況等數(shù)據(jù)作為共同分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確及時(shí)地判斷重介旋流器是否有堵塞故障。若有，集控室的上位機(jī)操作界面就會(huì)彈出報(bào)警信息，巡檢機(jī)器人快速準(zhǔn)確到達(dá)報(bào)警位置，同時(shí)結(jié)合語音系統(tǒng)發(fā)出語音報(bào)警，并自動(dòng)停止給煤，以最快的速度、最少的影響范圍結(jié)束事故影響，避免了因堵塞造成的煤質(zhì)波動(dòng)。

本系統(tǒng)主要由智能AI視頻分析系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人系統(tǒng)、區(qū)域入侵廣播系統(tǒng)3部分組成。智能AI視頻分析系統(tǒng)采集正常和非正常生產(chǎn)的視頻圖像，通過預(yù)處理、樣本清洗、打標(biāo)簽、模型搭建及訓(xùn)練調(diào)試，最終確認(rèn)為深度學(xué)習(xí)模型。巡檢機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)

重介旋流器智能防堵塞控制系統(tǒng)在三河口重介選煤廠的研發(fā)應(yīng)用，解決了重介旋流器堵塞造成精煤產(chǎn)品質(zhì)量事故的問題，保障了生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人在這一領(lǐng)域的新突破。

2.4 智能巡檢

三河口選煤廠在脫介篩、配電室、膠帶運(yùn)輸機(jī)等處進(jìn)行了智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)并投用，實(shí)現(xiàn)智能巡檢。

(1)脫介篩智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，能夠取代巡檢工對重介旋流器堵塞的迅速判斷并停止給煤，避免了因堵塞造成的煤質(zhì)波動(dòng)。日常對篩子進(jìn)行巡檢，在篩子出現(xiàn)故障時(shí)快速到達(dá)故障位置，幫助調(diào)度室人員判斷事故原因。該系統(tǒng)還有區(qū)域入侵報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備帶電情況下，有人員在篩子附近的危險(xiǎn)區(qū)域，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，并現(xiàn)場語音擴(kuò)音廣播提醒，做到多網(wǎng)合一，配合辦公。

(2)智能配電巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，主要包括集中控制遠(yuǎn)程分合閘系統(tǒng)、選煤廠網(wǎng)管式停送電控制系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人系統(tǒng)、綜保后臺管理系統(tǒng)4部分，通過共同配合，PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對低壓660 V開關(guān)遠(yuǎn)程分合閘，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有效的遠(yuǎn)程停送電。

集中控制遠(yuǎn)程分合閘系統(tǒng)與選煤廠主洗系統(tǒng)共用1套PLC，主要由西門子416H PLC、上位機(jī)WINCC 7.3、下位機(jī)Step 7 5.4及通訊模塊 I/O模塊組成，通過PLC對電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程分合。

選煤廠網(wǎng)管式停送電控制系統(tǒng)，是基于三河口選煤廠開發(fā)的智能化軟件決策平臺終端服務(wù)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)立停送電管理模塊，依據(jù)選煤廠的停送電制度，實(shí)現(xiàn)停送電申請的電子流程，在回路停送電流程審批完成后，由操作員遠(yuǎn)程操作需要停送電設(shè)備。

巡檢機(jī)器人的配置包括巡檢機(jī)器人本體、智能終端監(jiān)控軟件、軌道及其他輔助設(shè)施。智能終端控制軟件與機(jī)器人進(jìn)行通信，顯示機(jī)器人發(fā)送的視頻以及各巡檢數(shù)據(jù)，并能夠下發(fā)控制指令，控制機(jī)器人的巡檢方式、運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)置各傳感器的報(bào)警閾值等。

綜保后臺管理系統(tǒng)通過485總線通訊方式采集各設(shè)備回路電機(jī)綜合保護(hù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)方式接入智能配電巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。當(dāng)某一配電回路產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)給巡檢機(jī)器人發(fā)定位指令，巡檢機(jī)器人自主移動(dòng)到報(bào)警回路位置，并將視頻、音頻信號上傳至集控中心。圖3為遠(yuǎn)程停送電控制界面。

圖3 遠(yuǎn)程停送電控制界面

三河口選煤廠智能配電巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的投入使用，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)有效的遠(yuǎn)程停送電、智能化巡檢和無人化值守，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，在提高重要設(shè)備巡維質(zhì)量的同時(shí)，增加了人機(jī)安全可靠性。

(3)膠帶機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，主要由機(jī)器人本體、基站、軌道系統(tǒng)和地面工作站組成。機(jī)器人本體吊掛在軌道上在巷道內(nèi)往復(fù)運(yùn)行，能夠完全代替巡檢工可靠巡檢。機(jī)器人搭載多種傳感器，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場的圖像、聲音、紅外熱像及溫度、煙霧、多種氣體濃度等參數(shù)；機(jī)器人具有智能識別功能，采用智能感知關(guān)鍵技術(shù)算法，能夠準(zhǔn)確判斷設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并基于大數(shù)據(jù)分析預(yù)警技術(shù)，對膠帶輸送機(jī)運(yùn)行故障超前預(yù)判、預(yù)警。與膠帶輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對膠帶機(jī)的故障視頻識別、工控視頻聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)預(yù)警、崗位巡查監(jiān)督等功能；接入工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度監(jiān)控中心對帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)崗點(diǎn)可“無人值守”的先進(jìn)的運(yùn)輸系統(tǒng)。

2.5 智能運(yùn)維

三河口在重點(diǎn)設(shè)備關(guān)鍵部位安裝了溫度、振動(dòng)、料位、液位、流量、密度、濁度、磁性物含量、稱重、速度、壓力、測灰儀等傳感器，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)檢測，通過各傳感器使用可以對重點(diǎn)設(shè)備做到提前預(yù)防、及時(shí)處理，避免設(shè)備事故的發(fā)生。圖4是設(shè)備的溫度振動(dòng)檢測界面，可以看到溫度振動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢和故障報(bào)警。

圖4 設(shè)備的溫度振動(dòng)檢測界面

3 結(jié) 語

三河口選煤廠通過一系列的智能化技術(shù)研究與應(yīng)用，重介分選智能水平得到進(jìn)一步提升，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性檢修，降低點(diǎn)檢人員工作量，提高效率，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本；減少人員對生產(chǎn)流程的干預(yù)，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，節(jié)能、提質(zhì)、增效；實(shí)現(xiàn)了崗位管理由“專人值守”到“無人值守、專人巡視”的集約化模式轉(zhuǎn)變。選煤廠智能化還有很長路要走，未來在保證選煤生產(chǎn)安全前提下，實(shí)現(xiàn)選煤信息精細(xì)化、選煤工藝最優(yōu)化和選煤決策智能化將是選煤人研究的課題。