智能化选煤厂架构及关键技术.pdf

工矿自动化 I n d u st r y a n d Min e Au t o ma t io n 第45卷第7期 2019年7月 Vo l, 45 No . 7 Ju l. 2019 i “智能化选煤厂建设关键技术”专题 言 4 **niii-iiiii-iiiii-iiiii-iiiiiiiiii-iiiiiiiiii*iiiiiiiiiiii inkiiiii-ii iiikniH-ii iiikiiiii*iiii 【编者按】随着以物联网、工业互联网、移动互联网、云平台、大数据、人工智能为代表的信息技术不断与各行 业深度融合并成为经济增长的新引擎，全球步入以智能制造为主导的时代，中国制定了“中国制造2025”发 展战略并快速渗透到各行业。作为煤炭工业的重要环节，选煤厂顺应国家战略规划需求，从自动化、信息化 向智能化方向发展。通过建设智能化选煤厂，可实现选煤生产透明化、选煤信息精细化和选煤决策智能化， 有力促进煤炭洗选行业由劳动密集型向技术密集型转变，实现选煤行业转型升级和提效降本。为深入探索 智能化选煤厂内涵，本刊组织策划了“智能化选煤厂建设关键技术”专题，围绕智能化选煤厂架构，报道了重 介质悬浮液密度宽域智能控制、用于指导加药量的煤泥浮选泡沫图像分类、选煤厂原煤智能配比控制、选煤 设备远程故障预测等技术的研究成果。特别感谢太原理工大学王然风教授对本专题的组稿工作衷心感谢 各位专家学者在百忙之中为本专题撰稿 文章编号1671-251X201907-0028-05 DOI10.13272/j. issn . 1671-251x . 17465 智能化选煤厂架构及关键技术 王然风1,高建川2,付翔1 1 太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024； 2.山西焦煤集团有限责任公司洗选加工部，山西太原030024 扫码移动阅读 摘要针对智能化选煤厂内涵，从物联网层、控制层、管理层和决策层方面介绍了智能化选煤厂架构；重点 阐述了智能化选煤厂建设采用的关键技术，包括重介质分选过程智能化、浮选过程智能化、煤泥水健康保障系 统智能化及选煤生产制造执行系统智能化，为将选煤厂从自动化、信息化向智能化方向发展奠定了技术基础。 关键词智能化选煤厂；重介质分选；浮选；煤泥水；制造执行系统 中图分类号TD948 文献标志码A Framework and key technologies of intelligent coal preparation plant WANG Ra n f en g1, GAO Jia n c h u a n2, FU Xia n g1 1. Co lleg e o f Min in g En g in eer in g , Ta iyu a n Un iv er sit y o f Tec h n o lo g y, Ta iyu a n 030024, Ch in a; 2. Wa sh in g a n d Pr o c essin g Depa r t men t , Sh a n x i Co k in g Co a l Gr o u p Co . , Lt d . , Ta iyu a n 030024, Ch in a Abstract Ac c o r d in g t o c o n n o t a t io n o f in t ellig en t c o a l pr epa r a t io n pla n t , f r a mew o r k o f in t ellig en t c o a l pr epa r a t io n pla n t w a s in t r o d u c ed f r o m a spec t s o f I n t er n et o f t h in g s la yer , c o n t r o l la yer , ma n a g emen t la yer a n d d ec isio n -ma k in g la yer . Key t ec h n o lo g ies a d o pt ed in c o n st r u c t io n o f in t ellig en t c o a l pr epa r a t io n pla n t w er e ex po u n d ed emph a t ic a lly, in c lu d in g in t ellec t u a liza t io n o f d en se med iu m sepa r a t io n pr o c ess, f lo t a t io n pr o c ess, slime w a t er h ea lt h g u a r a n t ee syst em a n d c o a l pr epa r a t io n ma n u f a c t u r in g ex ec u t io n syst em, w h ic h la id t ec h n ic a l f o u n d a t io n f o r d ev elo pmen t o f c o a l pr epa r a t io n pla n t f r o m a u t o ma t io n a n d in f o r ma t iza t io n t o in t ellig en c e. Key words in t ellig en t c o a l pr epa r a t io n pla n t； d en se med iu m sepa r a t io n ; f lo t a t io n ; slime w a t er ; ma n u f a c t u r in g ex ec u t io n syst em 收稿日期2019-06-19；修回日期2019-06-30；责任编辑盛男。 基金项目国家自然科学基金资助项目51775364。 作者简介王然风1970-,男，山西长子人，副教授，博士，主要研究方向为智能化开采与分选,E-ma ilw r f l97010163. c o r n . 引用格式王然风,高建川，付翔智能化选煤厂架构及关键技术[J1T矿自动化,2019,45728-32. WANG Ra n f en g,GAO Jia n c h u a n ,FU Xia n g . Fr a mew o r k a n d k ey t ec h n o lo g ies o f in t ellig en t c o a l pr epa r a t io n pla n t Qj]. I n d u st r y a n d Min e Au t o ma t io n,2019,45728-32. 2019年第7期王然风等智能化选煤厂架构及关键技术 29 0引言 随着以物联网、工业互联网、移动互联网、云平 台、大数据、人工智能为代表的信息技术不断与各行 业深度融合并成为经济增长的新引擎，全球步入以 智能制造为主导的时代，中国制定了“中国制造 2025”发展战略并快速渗透到各行业。作为煤炭工 业的重要环节，选煤厂顺应国家战略规划需求，从自 动化、信息化向智能化方向发展E o 智能化选煤厂内涵阂以选煤智能装备和合理 的选煤工艺为基础，以传感检测、物联网、工业互联 网、移动互联网、云平台、大数据和人工智能等技术 为手段，实现设备智能运行与运维、状态智能监测、 过程智能控制、工艺参数智能设定、管理智能精细和 决策智能调节的新模式与新业态，最终获得产品质 量稳定、劳动强度低、作业人员数量少、经济效益高 的多重目标。 本文在介绍智能化选煤厂架构的基础上，重点 阐述了智能化选煤厂建设涉及的重介质分选过程智 能化、浮选过程智能化、煤泥水健康保障系统智能化 及选煤生产制造执行系统Ma n u f a c t u r in g Ex ec u t io n Syst em, MES智能化等关键技术。 1智能化选煤厂架构 依据中国选煤厂组织架构和实际运行模式重介质悬浮液密度宽域智 能控制、重介质悬浮液密度设定值智能控制是制约 重介质分选过程智能化的重点和关键。 1 重介质悬浮液密度宽域智能控制。重介质 悬浮液密度宽域智能控制主要实现煤质和工况波动 条件下的密度自适应、大范围、智能化调整，涉及自 动补水、自动分流、自动加介3个核心控制环节，由 于设备空间距离的原因，形成了补水、分流和加介不 同的延迟与惯性特性，需要形成不同控制策略要求。 重介质悬浮液密度宽域智能控制核心技术 ①重介质分选工艺优化。通过反分流工艺实现较高 密度向较低密度大范围调整调整幅度可达0. 2〜 0.25 g /c m3o②智能控制算法优化。由简单的 PI D控制逐步过渡至预测控制、模糊控制和解耦控 制等智能控制算法，满足重介质分选过程不同执行 机构动作的需求。③煤泥含量优化控制。煤泥含 量控制和分流控制存在较大的耦合特性，需要考虑 控制算法的解耦效应。④桶位平衡优化控制。需 要综合考虑桶位平衡、设备能力和容量限制，良好的 桶位平衡优化控制可为密度控制创造良好的边界条 件。⑤智能配煤。通过采用专家系统、智能分类 等，实现配煤过程优化，最大幅度减小密度调整范 围，为重介质悬浮液密度宽域智能控制创造条件。 2 重介质悬浮液密度设定值智能控制。重介 质悬浮液密度设定值智能控制是保证产品质量的关 键，其控制原理如图2所示。重介悬浮液密度设定 值智能控制采用双闭环控制，内环是重介悬浮液密 度宽域智能控制，外环以精煤灰分作为反馈，其与精 煤灰分设定值的差值作为内环给定输入。 重介质悬浮液密度设定值智能控制核心技术 ①精煤灰分在线检测。目前灰分在线检测包括有 源/无源灰分检测、同位素灰分检测、X射线灰分检 图2重介质悬浮液密度设定值智能控制原理 Fig . 2 I n t ellig en t c o n t r o l pr in c iple o f d en sit y set t in g v a lu e o f d en se med iu m su spen sio n 测及多元素分析仪灰分检测等，高精度精煤灰分在 线检测检测精度W0. 2灰分值需要围绕检测装 置安装位置、安装方式、检测方式与检测方法开展探 索和研究。②精煤统计过程控制St a t ist ic a l Pr o c ess Co n t r o l, SPC „煤炭自身具有天然随机特 性，精煤同样具有随机特性，因此对于产品质量指 标，研究其统计特性更具有现实性和可操作性。 ③ 基于云架构的并行SPC统计分析。采用并行 SPC统计分析技术可有效缩短灰分统计特性分析 时间，同时对灰分检测历史数据的分析有助于灰分 统计特性分析,为制定合理的灰分统计值提供支撑O ④ 闭环控制智能算法。由于从原煤到精煤经过的 路线长，各设备处理时间不同，导致悬浮液密度设定 值控制具有明显的大惯性和大滞后特性，可采用预 测控制、模糊控制、神经网络控制等智能算法。 2.2 浮选过程智能化 浮选是选煤厂处理细煤泥分选的主要方法。浮 选过程智能化的核心内容浮选全过程参数实时检 测、浮选药剂自动添加、浮选液位自动控制、浮选机 充气量自动控制、基于浮选产品指标的浮选智能闭 环控制、浮选药剂远程移动控制。其中浮选药剂自 动添加随着精密计量蠕动泵、精密计量螺杆泵、精密 计量隔膜泵的合理选型已进入工业性应用；浮选液 位自动控制相对来说容易实现；浮选机充气量自动 控制方面，压气式浮选机充气量更容易实现自动控 制，吸气式浮选机充气量控制得到了初步应用；浮选 药剂远程移动控制进行了试点应用金⑷；基于产品 指标的浮选智能闭环控制实现难度最大，其核心制 约因素是浮选精煤灰分检测和尾煤灰分检测。基于 产品指标的浮选智能闭环控制原理如图3所示。 基于产品指标的浮选智能闭环控制核心技术 ①浮选尾煤智能图像在线检测。通过浮选尾煤机 器视觉系统分析浮选尾煤煤浆表面图像，提取图像 2019年第7期王然风等智能化选煤厂架构及关键技术・31・ 煤质信息 值 尾煤灰分 设定值 执行机构 I | I 控 丨 制 | | 劉 , 制 器 起泡剂 加药泵 捕收剂 加药泵 尾矿 闸板 充气量 调节阀 煤泥浮选系统 浮选过程 尾煤煤浆 表面图像 特征 亍尾煤 .I灰分 T- 精煤 灰分 ,A T过程变量4 I 络、案例推理、深度学习等优化算法实现药剂协同添 加，其技术框架如图4所示。④浓缩与压滤过程并 行仿真。借鉴计算流体动力学进行浓缩和压滤过程 仿真，可展现浓缩和压滤过程更多细节，有利于系统 评价与优化。 图3基于产品指标的浮选智能闭环控制原理 Fig . 3 I n t ellig en t c lo sed -lo o p c o n t r o l pr in c iple o f f lo t a t io n ba sed o n pr o d u c t in d ex 特征,构建回归模型预测浮选尾煤灰分。②浮选精 煤灰分检测。采用软测量技术，即将可测量的辅助 变量（浮选入料流量、入料浓度、药剂用量、尾煤灰 分、浮选液位）作为输入，通过数据预测技术，实现浮 选精煤灰分检测。③浮选泡沫智能分类。目前浮 选泡沫图像研究更多集中于泡沫特征参数与精煤灰 分的映射关系构建，但该研究成果尚未大规模进入 工业应用阶段。而依据浮选泡沫分类结果对浮选药 剂进行合理调整是一种可行的研究思路，目前已通 过实验验证了其有效性,且更容易实现工业化应用。 ④浮选灰分智能闭环控制。浮选是一个典型的多 输入多输出复杂流程，因此采用基于吨干煤泥量和 液位、充气量专家规则的稳定控制作为控制内环，在 充分考虑浮选药剂起效延时长的前提下，采用推断 控制、预测控制和人工神经网络控制等智能算法实 现浮选灰分智能闭环控制。 2.3 煤泥水健康保障系统智能化 煤泥水健康保障系统主要包括浓缩和压滤2个 过程浓缩过程作用是保障清水洗煤,从而保证洗选 效果、降低介质消耗;压滤过程作用是保证煤泥水分 指标合格和煤泥处理负荷适配□幻。浓缩过程涉及 絮凝剂和凝聚剂2种药剂添加，压滤过程涉及助滤 剂添加。 煤泥水健康保障系统智能化核心技术①浓缩 与压滤过程透明检测。通过采集浓缩机入料流量、 入料浓度、溢流浓度、底流浓度、底流流量等实现浓 缩过程透明检测，通过采集压滤机入料浓度、入料流 量、压滤周期、滤饼水分等实现压滤过程透明检测。 ②絮凝剂、凝聚剂和助滤剂自动制备与添加。目前 絮凝剂、凝聚剂和助滤剂单机药剂自动制备已实现, 而药剂添加一般依据经验手动添加，需要建立多变 量闭环控制以实现药剂自动添加。③浓缩与压滤 过程药剂协同添加。絮凝剂、凝聚剂和助滤剂协同 添加是溢流水澄清、浓缩过程与压滤过程处理量负 荷匹配、药剂消耗降低的重要保障，可采用神经网 图4浓缩与压滤过程药剂协同添加技术框架 Fig . 4 Tec h n ic a l f r a mew o r k f o r syn er g ist ic r ea g en t a d d it io n in c o n c en t r a t io n a n d f ilt r a t io n pr o c ess 2.4 选煤MES智能化 有序组织生产是智能化选煤厂追求的目标之 一匚⑷，选煤MES智能化可改变传统选煤厂生产管 理模式，实现选煤生产过程精准、智能管控。选煤 MES智能化架构如图5所示。 选煤MES智能化核心技术①数据实时采集 与存储。智能化选煤厂采集设备、工艺、安全、能耗、 材料、煤质、视频等数据，并存储至实时数据库和历 史数据库。②数据标准化。数据是选煤MES的基 础，需要根据选煤数据类型，结合数据标准化格式, 建立比较完善的数据标准体系，既要保证数据标准 化的精简，又要保证数据的可扩展性，为后续数据利 用奠定基础。③选煤业务应用。选煤MES本质上 是管理系统，因此遵循管理学基本原理和借鉴精益 化管理精髓，同时结合选煤生产管理特点，形成适合 选煤工业的MES管理框架与业务应用。④基于混 合云的选煤MES远程服务。构建混合云架构，利 用云平台、大数据、人工智能等技术，将选煤MES 信息提交至公有云，借助远程管理专家团队和选煤 专家团队，实现选煤MES持续改进、选煤管理流程 再造和选煤管理智能化，提升管理的精益化程度和 智能化水平。 3结语 智能化选煤厂建设涵盖了选煤设备、选煤工艺、 选煤过程控制与选煤管理决策等多个方面，融合了 传感检测、物联网、工业互联网、移动互联网、云平 台、大数据和人工智能等新一代信息技术的最新成 32 工矿自动化2019年第45卷 用户显 展现层 击燻智餾化伯总汩甲合 虛洗垸 d二缰樂诩錢二颔庖相知砸 墓血工師*|公司 T选煤处H wt j 杯 W 与 ■ 规范陣罢 翌务 功能屋 生产刨追执行百理 统一舒理平t Hf E測吃I 福动阳肚备（APPJ 1 I 妣护皿帕 全生曲周朗管底 诲■題理阪城 II煽 荷息安全怩障体 M 1 7色录 11 「1E 电凤“理 」』陀LT理 ’* I “IL 訣据处理 数据备林 数据嵌産 數聒命薛 社据合应 敷据橫蹩 撤据住 熬撫评理 选煤生产过程、设务、供电救皓栗処，懊展*绩效U标呼人工录入.觇喷伯号采鲤 图5选煤MES智能化架构 Fr a mew o r k o f c o a l pr epa r a t io n MES in t ellig en tFig . 5 果。智能化选煤厂建设的本质是实现选煤生产革命 性变革和管理模式再造，智能化选煤厂建设将加快 选煤供给侧结构性改革，推动选煤工业从劳动密集 型行业转型升级为“高精尖”的技术密集型行业，实 现选煤提质增效的目标，全面提升选煤工业的核心 竞争力。 参考文献References 1]李太友，刘纯选煤行业新技术浪潮下的智能化选煤 厂[J].选煤技术,201917-13. 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