小庄矿选煤厂智能化改造应用研究

刘 宁，王亚鹏

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

1 工程背景

1.1 小庄选煤厂基本概况

小庄矿选煤厂隶属于陕西彬长矿业集团有限公司，2014年建成并投产，原煤处理能力与洗选能力为6.0 Mt/年。工艺系统主要分为原煤储存、原煤准备、洗选系统、产品储存、装车系统等。

1.2 目前存在问题

选煤厂目前自动化、信息化程度处于中等水平：

1）洗选系统已实现启停车远程集中自动控制，但大部分设备和控制阀门尚未实现智能控制，使生产现场存在大量人为不安全因素。

2）视频监测系统采用模拟图像信号采集与传输模式，抗干扰能力较差。

3）由于生产及供电设备主要通过人工巡检，设备运行转台信息不能实时传送至集控室，造成设备故障停机率高，严重影响生产效能。

综上可知，为增强系统可靠性、提高生产效益，现需对小庄矿选煤厂进行智能化改造。

2 智能化改造原理

结合小庄矿目前自动化、信息化程度不足的现状，建立“信息层”、“网络层”、“控制层”和“设备层”的智能化架构，如图1所示，针对部分生产环节制定具体智能化改造方案。

如图1可知，智能化改造主要思路如下：

图1 智能化改造原理架构图

1）设备层：智能化改造的基础在于“设备层”智能化，一方面是提高生产设备自动化水平；另一方面是通过智能监测，实时采集主要设备的运行状态数据，监控安全生产状况[1-2]。

2）控制层：“设备层”的生产、监测设备直接受“控制层”系统调节管控，小庄矿选煤厂已建设基于PLC的控制系统，但由于版本较旧，稳定性不足。

3）网络层：稳定安全、迅捷可靠的“网络层”建设是保障生产信息传输、控制指令下达的关键。工业以太网和4G公网结合应用，保证控制信号传输的安全性和快速性。

4）信息层：现场生产状态数据的存储、分析通过“信息层”进行远程终端控制。建造可视化数据采集系统，并采用数据库为数据分析提供基础。

3 智能化优化具体方案

3.1 设备层智能化改造

根据小庄矿基础设备自动化现状，从底层生产设备、数据采集设备、视频监控系统和数据服务中心四方面制定具体智能化改造方案：

1）底层生产设备智能化。将气动阀门更换为电液动阀门，配套具有就地和远程操作功能的控制箱，位置信号及动态监控画面上传至集控室，从而实现远程控制。改造中低压配电系统综保后台，实现峰谷电能计量、能耗统计分析、电能质量监测等功能，实现配电室无人值守。利用重介系统现有原煤、精煤皮带配置的在线灰分仪，根据实时灰分反馈调节循环悬浮液密度、各介质桶液位、磁性物含量等参数，严格把控产品质量。

2）数据采集设备智能化。对主要设备安装温度传感器和振动传感器，实时监测并进行故障报警。通过设备运行状态的全面监测，实时发现、排除故障，避免因设备造成生产停滞。

3）视频监视系统智能化。在原有视频监视系统基础上，提高智能化水平，采用高清网络摄像机＋交换机+视频管理服务器＋工业电视墙的系统模式。建立智能视频监控系统主要结构如图2所示。

图2 智能视频监控系统网络结构图

4）数据服务中心智能化。为保证业务系统的高可用、可适应高负载，对系统服务器资源进行整合，设置4台双至强、内存256G物理服务器和1套虚拟服务软件“VMware vSphere”，提供约30台虚拟服务器后台服务。

3.2 网络层智能化改造

全厂设置两套工业以太网络，一套为集控系统独享，以保证安全性、实时性，另一套为其他系统共享，利用VLAN、QoS技术，保证各业务连接的安全高效。此外使用运营商的4G网络，依托ISP的既有网络和基站设备实现移动应用。

3.3 控制层智能化改造

升级现有PLC控制系统网络，将PLC主机CPU由当前的L63升级为最新型号L75，将ControlNet网络结构改为通讯速率更高、更为稳定的以太网结构，采用单模光纤将各以太网控制分站构成光纤环网，完善PLC控制系统结构，提高系统网络先进性。

3.4 信息层智能化改造

根据小庄矿信息层管理现状，从生产信息数据库、数据采集与监控系统和综合管理系统终端三方面制定具体智能化改造方案：

1）生产信息数据库智能化。关系数据库采用SQLServer，便于对数据进行查询、搜索、同步、报告和分析等操作。实时数据库采用iHistorian，对生产状况进行实时采集，辅以工作人员手动输入，建立完备的设备运行数据库。

2）数据采集与监控系统智能化。利用虚拟现实技术，结合选煤厂的结构、设备布局以及监测与控制的任务，建立3D可视化数据采集与监控系统，见图3。可便捷观测生产空间状态或设备参数，并将监测参数以曲线、表格等形式进行实时显示、存储与历史数据调用等。

图3 设备运行3D可视化监测界面

3）综合管理系统终端智能化。基于手机终端开发专用APP软件，管理人员在选煤厂4G网络覆盖区域，可通过APP和系统交互，方便技术人员查询生产信息，完成数据系统自动下达的各项生产任务，提高选煤厂信息化水平。

4 工程应用

经过本次智能化改造，小庄矿选煤厂规范建设了基层监测监控系统，实现了各固定区域、固定岗位的无人化，升级PLC控制系统的稳定性，大幅提高了生产现场的安全性。部分生产环节由智能分析、控制和预警代替了人工操作，降低工人劳动强度的同时提升了选煤厂管理水平，为实现小庄矿选煤厂生产过程“有人巡视、无人值守”提供底层支撑[3-4]。

小庄矿选煤厂智能化改造后，可以减少基层现场人员9人，减少管理人员4人，达到现有员工的21%，节省工资成本约156万元/年。重介系统智能化改造可以保持重介质密度稳定，提高精煤洗出率约0.5%，节约重介质约23 t/年，节约重介质成本1.8万元/年。3D可视化数据采集和智能视频监控系统可以实时监测设备的运行状况，提前发现安全隐患，提高整体生产系统开机率约5%，可多选精煤320 t/d，提高生产效率约2.5%，按照220万t/年的精煤产量，合计增收约为6 062万元/年。综上所述，本次智能化改造可为小庄矿选煤厂增加经济效益合计约6 219.8万元/年，见表1。

表1 智能化改造效益统计表

5 结论

1）通过分析选煤厂现有生产系统特点，确定应从设备层、控制层、网络层和信息层进行智能化改造的方案架构。

2）基于多层次的智能化改造架构，针对选煤厂部分生产、监测和监控环节制定了具体的改造措施。

3）选煤厂应用智能化改造方案后，达到了增强生产安全性、提高生产管理水平的目标，同时可增加综合效益6 219.8万元/年。