選煤廠智能化技術(shù)和設(shè)備現(xiàn)狀分析

張家富

(中國煤炭加工利用協(xié)會 煤炭行業(yè)智能選煤研究中心，北京 100013)

煤炭消費量占據(jù)我國能源總體消費量的70%以上，在當(dāng)前“雙碳”政策的大背景下，雖然煤炭消費總量和增速在可預(yù)期的將來會受到擠壓，但即使煤炭不再作為燃料使用，它依然將作為重要的化工原料，依然是我國的基礎(chǔ)能源和兜底能源。

第四次工業(yè)革命是科技革命，煤炭行業(yè)改革發(fā)展的歷史，是一部煤炭行業(yè)堅持科技創(chuàng)新、推動科技進步，以科技創(chuàng)新和科技進步實現(xiàn)煤炭工業(yè)科學(xué)發(fā)展、跨越發(fā)展、轉(zhuǎn)型發(fā)展的歷史。選煤行業(yè)向著智能化發(fā)展是時代發(fā)展的必然。選煤廠需要通過技術(shù)進步實現(xiàn)企業(yè)管理升級，智能化技術(shù)在選煤行業(yè)的應(yīng)用將成為主要的發(fā)展方向。

2020年3月，由國家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、煤監(jiān)局、工信部、財政部、科技部、教育部8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》。為了推動選煤廠的智能化建設(shè)，促進我國選煤工業(yè)的發(fā)展，中國煤炭加工利用協(xié)會發(fā)布并實施了T/CCT 005.1-2020《智能化選煤廠建設(shè) 通用技術(shù)規(guī)范》團體標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了選煤廠智能化建設(shè)工作。國內(nèi)大型現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)企業(yè)(集團)，中煤集團、國家能源集團、山東能源集團、山西焦煤集團等，都結(jié)合自己的實際出臺了企業(yè)內(nèi)部智能化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 智能化選煤廠的內(nèi)容

智能化選煤廠主要以基礎(chǔ)工藝流程和設(shè)備為基礎(chǔ)，以自動控制技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)為手段，集成和利用全流程信息資源，開發(fā)選煤智能化工具，依靠智能控制實現(xiàn)精準(zhǔn)分離，依靠智能管理實現(xiàn)精細管理，依靠智能裝備保障與提升生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性與智能程度，最終實現(xiàn)企業(yè)狀態(tài)與效益最優(yōu)[1]。

智能化選煤廠利用人工智能技術(shù)等高科技技術(shù)，和傳統(tǒng)的選煤技術(shù)高度融合在一起形成新的智能化選煤技術(shù)，從而促使選煤廠向著更加安全、節(jié)能、環(huán)保，以及高度自動化、高效益、智能管理、智能決策等智能方向發(fā)展。

1.1 基本架構(gòu)

智能化選煤廠基本架構(gòu)分為四層，即：設(shè)備層、控制層、管理層、決策層。設(shè)備層主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機電設(shè)備及檢測儀表、保護裝置、配電設(shè)備等；控制層主要包括基礎(chǔ)自動化和智能控制，基礎(chǔ)自動化主要包括生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)等，智能控制主要包括生產(chǎn)過程智能控制、智能倉儲與配煤、智能裝車、智能集控、智能視頻、智能停送電等；管理層主要包括生產(chǎn)管理、機電管理、安全管理、經(jīng)營管理、節(jié)能與環(huán)保管理、安全與職業(yè)健康管理等；決策層主要包括綜合分析、智能決策等[2]。詳見圖1。

圖1 智能化選煤廠基本架構(gòu)

1.2 建設(shè)內(nèi)容

智能化選煤廠的構(gòu)建包括基礎(chǔ)平臺、基礎(chǔ)自動化、智能控制、智能管理、智能決策等內(nèi)容。

1.3 智能化的進展

我國地域廣闊，原煤的年產(chǎn)量高，不同地區(qū)的原煤煤質(zhì)差別大。與其它國家相比，我國的煤質(zhì)比較難選。選煤行業(yè)是一個龐大的行業(yè)、各個地區(qū)、各個選煤廠的經(jīng)濟實力、技術(shù)條件和技術(shù)實力差別較大，選煤廠發(fā)展水平不平衡。有些選煤廠的裝備水平比較高，有些則處于20世紀(jì)末水平，與之相適應(yīng)的管理模式、生產(chǎn)流程等也存在差異。

雖然我國近年來已經(jīng)掀起了智能化建設(shè)的熱潮，各大煤業(yè)集團的部分選煤廠智能化建設(shè)進行了大膽的嘗試和探索，但是我國整體選煤廠的智能化建設(shè)處于初級階段，智能化與選煤行業(yè)的結(jié)合還只能算是剛起步，選煤行業(yè)內(nèi)已應(yīng)用的選煤智能化技術(shù)和設(shè)備還比較少。

當(dāng)前，智能化選煤廠在一些方面已經(jīng)取得了發(fā)展和應(yīng)用。智能加藥系統(tǒng)、智能重介系統(tǒng)、智能浮選系統(tǒng)、智能裝車系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)等已經(jīng)得到了長足發(fā)展。隨著我國自行研發(fā)的各種工藝技術(shù)的日趨成熟，不論在工藝環(huán)節(jié)、系統(tǒng)調(diào)控水平、操作管理方面，還是在減少介耗、電耗、降低生產(chǎn)成本方面都取得了長足的進步，技術(shù)日臻完善。三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器等選煤技術(shù)達到技術(shù)國際領(lǐng)先水平，并大面積快速推廣應(yīng)用。智能裝車系統(tǒng)能夠提高裝車效率，解決交通擁擠，杜絕權(quán)力尋租，提高裝車質(zhì)量，減少裝車用人數(shù)量，避免裝車事故，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。為我國從世界選煤大國邁入世界選煤強國提供了堅實的技術(shù)支撐。

智能視頻系統(tǒng)可實現(xiàn)視頻事件的監(jiān)控、報警。實現(xiàn)區(qū)域入侵偵測、越界偵測等。視頻AI技術(shù)包括不安全行為監(jiān)測、膠帶機撕裂、膠帶機機頭堵塞、膠帶機跑偏、檢測帶上異物等圖像識別功能。能夠識別煙霧、火災(zāi)，并觸發(fā)報警。還能把工業(yè)控制系統(tǒng)和智能視頻系統(tǒng)進行聯(lián)動。在控制系統(tǒng)中，對應(yīng)設(shè)備可以實時鏈接到該區(qū)域的攝像頭，可以選擇該區(qū)域設(shè)備的攝像頭畫面進行查看。在生產(chǎn)過程中，某設(shè)備出現(xiàn)動作報警或者停機時，畫面上能夠自動彈出該區(qū)域攝像頭的實時畫面，以供生產(chǎn)管理人會員通過畫面了解、判斷設(shè)備的情況，并迅速做出反應(yīng)。智能視頻系統(tǒng)根據(jù)圖像提取、分析、識別、判斷，如果發(fā)生異常情況，報警信號將發(fā)給工業(yè)控制系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)對視頻報警信號做出反應(yīng)，執(zhí)行報警或者閉鎖停機。自動彈出工業(yè)控制畫面，供操作人員進一步?jīng)Q策[3]。將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于智能化選煤廠，將成為未來選煤廠科技創(chuàng)新及技術(shù)改造的重要方向之一。

智能化技術(shù)在選煤行業(yè)的發(fā)展要以服務(wù)于選煤廠的核心業(yè)務(wù)為中心，優(yōu)先選擇和發(fā)展對選煤行業(yè)發(fā)展起到基礎(chǔ)支撐作用的先進技術(shù)，實現(xiàn)技術(shù)落地和技術(shù)推廣。既要積極進取，又要避免冒進。在智能化的發(fā)展中，還存在著信息不對稱，人才短缺等條件限制。

所以，為了更好地服務(wù)于智能化選煤廠建設(shè)，調(diào)查和評估當(dāng)前選煤行業(yè)的技術(shù)和裝備水平十分必要。

2 技術(shù)和裝備的征集

2021年中國煤炭工業(yè)協(xié)會為了促進煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，面向煤炭行業(yè)開展了《煤礦智能化裝備指引》征集工作，收集到大量行業(yè)智能化裝備資料，其中也涵蓋了選煤行業(yè)的智能化裝備內(nèi)容。為便于分析，對其中的選煤廠智能化技術(shù)和裝備進行分類統(tǒng)計(表1)。

3 結(jié)果與討論

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺薄弱

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云平臺技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟并得到大規(guī)模應(yīng)用。但是對于選煤行業(yè)來說，選煤廠的數(shù)據(jù)點位多，數(shù)據(jù)量大，在生產(chǎn)運行中存在大量原始數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)占用空間大，格式不同，存儲設(shè)備多種多樣，牽涉到各種數(shù)據(jù)庫。這樣，在智能管理和智能決策中使用這些數(shù)據(jù)時，重復(fù)性勞動多。還需要建立統(tǒng)一、規(guī)范的數(shù)據(jù)平臺，規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，穩(wěn)定的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，從而為智能控制、智能管理、智能分析和智能服務(wù)提供數(shù)據(jù)平臺支撐。而且，還存在著數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性、相關(guān)性等問題。數(shù)據(jù)的存儲、清洗、抽取、利用等問題依然存在。數(shù)據(jù)的挖掘應(yīng)用于智能化管理、智能決策任重道遠。通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用中的清洗、整合等手段，積累有效數(shù)據(jù)，建立自我學(xué)習(xí)模型，不斷完善優(yōu)化生產(chǎn)工藝，動態(tài)分析品質(zhì)趨勢，智能預(yù)測設(shè)備故障，最終實現(xiàn)柔性生產(chǎn)和智能制造的目標(biāo)。

智能礦山建設(shè)本質(zhì)是工業(yè)體系架構(gòu)變革，唯有建設(shè)統(tǒng)一架構(gòu)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺才能徹底解決問題[5]。選煤行業(yè)還需要進一步實現(xiàn)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的架構(gòu)，實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)共享、經(jīng)驗共享、人才共享、數(shù)據(jù)安全，真正做到高效、集約的智能化發(fā)展。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)依然有待突破

精準(zhǔn)感知是基礎(chǔ)自動化和智能管理、智能決策的基礎(chǔ)和前提?；曳?、水分、浮沉組成、粒度、濃度等數(shù)據(jù)的檢測在選煤廠實際生產(chǎn)過程中是很關(guān)鍵的指導(dǎo)依據(jù)。受現(xiàn)有技術(shù)水平的限制，快速、準(zhǔn)確地測量這些指標(biāo)的儀器和設(shè)備還處在發(fā)展當(dāng)中，需要進一步突破。

比如灰分的測量，煤的灰分含量是煤炭按質(zhì)論價的主要指標(biāo)之一，也是生產(chǎn)控制的主要參數(shù)。灰分會影響煤的發(fā)熱量，灰分增高發(fā)熱量降低，反之則增高。作為提供能源的有機化石礦物，灰分高就等于降低了其工業(yè)利用價值。因此測定煤中灰分對正確評價煤炭質(zhì)量和加工利用都有重要的意義。在大型鋁、電工廠煤炭需求量大，煤的檢測工作任務(wù)重，要求快速報出結(jié)果的同時又要保證結(jié)果準(zhǔn)確度。

在灰分控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，灰分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確和快速測量非常重要。當(dāng)前的灰分測量手段包括在線和離線測量。而測量技術(shù)包括中子活化、激光、X射線、γ射線等手段，這些測量方式的準(zhǔn)確性、實時性、有效性、簡便性還不太理想。有的技術(shù)設(shè)備成本還偏高，有的準(zhǔn)確性和適用性差。數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性是自動控制和進一步利用的基礎(chǔ)，因此，儀器裝備的發(fā)展依然制約著選煤智能化，還需要進一步進行科技攻關(guān)。

3.3 智能管理和智能決策等尚待進一步開發(fā)

企業(yè)智能管理是指企業(yè)充分抓住信息社會的科學(xué)技術(shù)，運用現(xiàn)代人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，不斷優(yōu)化現(xiàn)有的管理方式和運行模式，發(fā)揮科技智能化的優(yōu)勢，對企業(yè)運行的計劃、執(zhí)行和控制等方面進行整合，優(yōu)化企業(yè)運行系統(tǒng)，整合企業(yè)內(nèi)外部各項資源，實現(xiàn)其工作高效協(xié)同，同時提高決策的準(zhǔn)確性、全面性與科學(xué)性，從而達到提高決策效果的目的，使企業(yè)實現(xiàn)安全、高效運轉(zhuǎn)。智能化管理系統(tǒng)通過自動化、信息化、智能化等先進的技術(shù)手段為客戶創(chuàng)造經(jīng)濟效益，其表現(xiàn)形式為“降本”及“增效”[4]。在智能管理方面，個別選煤廠已經(jīng)先行先試，取得了一定的進步，實現(xiàn)了節(jié)約設(shè)備成本、節(jié)約人力成本、增加企業(yè)產(chǎn)值的目的。

智能決策是利用人類的知識并借助計算機通過人工智能方法來解決復(fù)雜問題的決策。目前市場上還沒有可行的、能夠得到客戶廣泛認可的產(chǎn)品和技術(shù)。

3.4 部分新裝備廠家參與度不高

當(dāng)前，永磁電機等先進技術(shù)已經(jīng)在選煤行業(yè)得到了較多的應(yīng)用，節(jié)能成效顯著，隨著技術(shù)進步和大規(guī)模的推廣，將逐步降低應(yīng)用成本，給企業(yè)帶來更顯著的經(jīng)濟效益。我國有發(fā)展永磁電機獨特的技術(shù)優(yōu)勢和資源優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊，但是在本次征集中還沒有看到廠家的積極參與。

4 結(jié) 語

我國智能化選煤廠建設(shè)還剛剛起步，即將進入加速發(fā)展的階段。經(jīng)過產(chǎn)學(xué)研的共同努力，已經(jīng)取得了局部的技術(shù)突破，但是還存在著基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)沒有突破，智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等環(huán)節(jié)還十分薄弱，還缺乏強大的智能分析工具，還不能夠支撐智能管理和智能決策。選煤廠的經(jīng)營決策、資源配置計劃、生產(chǎn)調(diào)度仍然嚴(yán)重依靠工作經(jīng)驗。

選煤行業(yè)高端的工程技術(shù)與管理人員嚴(yán)重不足。多數(shù)選煤廠用工數(shù)量依然較大，人員工效相對較低，不能適應(yīng)智能化大潮的要求。隨著智能化的發(fā)展，人才需要將更集中在高水平的技術(shù)人員，這需要在發(fā)展中通過新的用工模式和管理模式來解決。智能化的發(fā)展將伴隨著企業(yè)生產(chǎn)模式的變化，帶來機制創(chuàng)新和管理創(chuàng)新。