齊 健,包國強(qiáng),尉維潔,劉 峰,周 南

(國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司洗選中心,新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

煤泥水處理是選煤廠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。煤泥壓濾指將高濃度煤泥漿通過過濾、壓榨等處理過程[1],生成可利用的煤泥以及可循環(huán)使用的循環(huán)水。目前,某選煤廠使用的壓濾機(jī)為單機(jī)自動化設(shè)備。在生產(chǎn)過程中,崗位人員需要定期巡視,通過現(xiàn)場控制柜進(jìn)行設(shè)備的操作與控制。同時,在濃縮機(jī)往壓濾系統(tǒng)補料的環(huán)節(jié)、壓濾機(jī)進(jìn)料結(jié)束過程控制以及系統(tǒng)內(nèi)壓濾機(jī)排隊卸料過程都依賴崗位人員手動操控,存在人員依賴性強(qiáng)、系統(tǒng)處理效率低的問題。

近幾年,不少的學(xué)者對壓濾機(jī)的智能化升級進(jìn)行研究。雷汝海[2]對控制精煤壓濾機(jī)濾餅水分進(jìn)行了研究,通過入料性質(zhì)和目標(biāo)水分來控制過濾時間。段斌[3]提出開發(fā)智能壓濾模塊,并將壓濾機(jī)可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)的Modbus信號轉(zhuǎn)為ModbusTCP信號后接入服務(wù)器后臺。該方法通過引入智能邏輯,自動判斷壓濾機(jī)進(jìn)料結(jié)束和智能排隊卸料;通過智能壓濾模塊,讀取壓濾機(jī)狀態(tài)信息以及對壓濾機(jī)進(jìn)行控制。王建美[4]針對選煤廠煤泥壓濾控制系統(tǒng)存在的智能化程度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、通信系統(tǒng)不完善的問題,設(shè)計基于控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線通信的煤泥壓濾智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)了壓濾系統(tǒng)的集中數(shù)采及智能控制。但是以上研究都未經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用。針對不同的洗選現(xiàn)場,由于每個選煤廠的洗選工藝不完全相同,則不同選煤工藝的研究方案會有差異。

借助以上研究成果,本文選取的選煤廠煤泥水處理工藝采用兩段濃縮回收的流程。具體流程為:脫泥篩篩下水及稀介磁選尾礦經(jīng)濃縮旋流器濃縮,底流進(jìn)入煤泥離心機(jī)脫水,脫水后的煤泥摻入混煤中;旋流器溢流和弧形篩篩下水進(jìn)入濃縮機(jī)濃縮,濃縮機(jī)底流經(jīng)壓濾機(jī)脫水回收細(xì)煤泥。濃縮機(jī)溢流和壓濾機(jī)的濾液作為循環(huán)水重復(fù)使用,以實現(xiàn)煤泥廠內(nèi)回收、洗水閉路循環(huán)。

本文針對選煤廠煤泥壓濾系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)狀,開展智能壓濾系統(tǒng)的研究。本文從底流泵自動補料、壓濾機(jī)的自動進(jìn)料、進(jìn)料結(jié)束自動識別、自動排隊卸料、卸料過程視頻跟蹤監(jiān)控、濃縮機(jī)與壓濾機(jī)聯(lián)動啟停控制等多個方面進(jìn)行試驗研究,以實現(xiàn)多工序智能管控、提升各環(huán)節(jié)智能化水平、減輕崗位勞動強(qiáng)度、提高壓濾整體效率[5]。本文研究對煤泥水處理過程的連續(xù)、穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 選煤廠壓濾系統(tǒng)現(xiàn)狀

本文研究的選煤廠設(shè)計生產(chǎn)能力為800萬噸/年。該廠采用2臺景津自動化程控隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行煤泥回收。來料為3個濃縮機(jī)底流。每臺濃縮機(jī)對應(yīng)2臺底流泵。底流泵將煤泥漿打入壓濾機(jī)入料桶。煤泥漿通過2臺壓濾機(jī)入料泵分別向2臺壓濾機(jī)供料。當(dāng)前壓濾機(jī)均為單機(jī)自動化設(shè)備,只能通過現(xiàn)場控制機(jī)柜進(jìn)行操作。

目前,壓濾系統(tǒng)生產(chǎn)崗位人員兼職管理地銷裝車環(huán)節(jié),壓濾系統(tǒng)的整體負(fù)荷不大,因此壓濾系統(tǒng)的生產(chǎn)開始及結(jié)束過程比較隨意。在壓濾機(jī)的進(jìn)料環(huán)節(jié),需要崗位人員手動啟動壓濾機(jī)入料泵。在進(jìn)料期間,崗位人員通過觀察壓濾機(jī)濾液水狀態(tài)判斷進(jìn)料結(jié)束時機(jī),在現(xiàn)場操作柜手動觸發(fā)進(jìn)料結(jié)束指令。在卸料環(huán)節(jié),崗位人員要同時兼顧2臺壓濾機(jī)的卸料順序和時機(jī),手動控制操作壓濾機(jī)的卸料。在煤泥轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié),崗位人員需要例行巡檢,確保下游設(shè)備正常運行,避免出現(xiàn)壓刮板事故。單臺壓濾機(jī)全部卸料完成后,下游轉(zhuǎn)載設(shè)備仍處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),崗位人員需及時停止下游設(shè)備。整個過程人工依賴性強(qiáng),會造成能源浪費。

生產(chǎn)期間,壓濾系統(tǒng)需要崗位人員巡視。在勞動強(qiáng)度大且卸料時機(jī)判斷不準(zhǔn)的情況下,這會一定程度影響壓濾系統(tǒng)的工作效率。因此,人員操作是制約壓濾系統(tǒng)處理效率和能力的主要影響因素,也間接影響洗煤系統(tǒng)的入洗能力。壓濾系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系如圖1所示。

圖1 壓濾系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系圖

2 智能化壓濾系統(tǒng)的研究內(nèi)容

選煤廠的智能化系統(tǒng)主要包括服務(wù)器系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、PLC、監(jiān)測儀表以及智能終端等,通過服務(wù)器與交換機(jī)實現(xiàn)各系統(tǒng)間通信。智能化壓濾系統(tǒng)在現(xiàn)有壓濾機(jī)自動化控制的基礎(chǔ)上,通過增加生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與存儲系統(tǒng)、后臺算法服務(wù)系統(tǒng),在客戶端應(yīng)用程序、工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)之間實現(xiàn)精確通信,并在移動端實時推送設(shè)備的監(jiān)控信息[6]。這在保證安全的前提下極大地方便了崗位人員對生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)管。

智能壓濾控制系統(tǒng)將現(xiàn)場生產(chǎn)工藝與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺相互融合,搭建了5層工業(yè)智能化系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)以設(shè)備及傳感器作為基礎(chǔ)設(shè)備層、各類通用數(shù)據(jù)接口和協(xié)議路由引擎作為物聯(lián)網(wǎng)層、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)組件作為組件工具層、智能控制與智能管理作為智能應(yīng)用層、智能終端作為展示層。通過特殊場景的計算算例及控制算法,可以實現(xiàn)壓濾系統(tǒng)智能化升級的落地及應(yīng)用。智能壓濾系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能壓濾系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 智能壓濾系統(tǒng)的應(yīng)用

結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝及規(guī)劃的智能系統(tǒng)架構(gòu),本文在智能壓濾系統(tǒng)中增加通信模塊、濃度計、流量計、液位計、智能軌道機(jī)器人等儀器設(shè)備,用于采集與壓濾機(jī)工作進(jìn)程相關(guān)的濃度、流量、液位等關(guān)鍵數(shù)據(jù),并將其融入現(xiàn)有工控系統(tǒng)。選煤廠工控系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的獲取和命令下發(fā)[7]。崗位人員首先通過現(xiàn)場搭建的無線網(wǎng)絡(luò),連接現(xiàn)場服務(wù);然后通過移動智能終端,實時、全面地監(jiān)控壓濾系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)、生產(chǎn)工藝參數(shù),并實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控;最后通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)+無線網(wǎng)絡(luò)+智能終端的搭配,打破了數(shù)據(jù)孤島,真正地實現(xiàn)了人機(jī)互聯(lián)。

3.1 壓濾系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),可以將壓濾機(jī)及上下游設(shè)備通過各類數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程接入智能化系統(tǒng),打破原有的數(shù)據(jù)孤島。這可以實時獲取系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài),同時也可以通過智能終端遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制壓濾機(jī)的手動/自動、程序啟動、進(jìn)料、進(jìn)料結(jié)束、壓緊、松開、拉板/取板、壓榨、吹風(fēng)、系統(tǒng)復(fù)位、刮板聯(lián)鎖等狀態(tài)及控制信號[8]。通過智能化系統(tǒng)將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示并分發(fā)至智能壓濾系統(tǒng)終端,能夠為生產(chǎn)崗位提供實時生產(chǎn)信息。通過閾值設(shè)定,可以實現(xiàn)參數(shù)報警。報警信息將會通知到相關(guān)崗位人員,從而極大地方便了生產(chǎn)與操作。

智能壓濾系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖3所示。

圖3 智能壓濾系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3.2 壓濾系統(tǒng)自動啟停及自動補料

濃縮機(jī)作為壓濾系統(tǒng)的上游工藝環(huán)節(jié),根據(jù)自身底流濃度值和清水層厚度預(yù)判設(shè)備負(fù)荷,向下游壓濾系統(tǒng)供料。根據(jù)濃縮機(jī)煤泥沉降存在滯后的特性,本文創(chuàng)新性地設(shè)計了壓濾系統(tǒng)自動啟?？刂乒δ堋Ｔ摴δ芡ㄟ^獲取濃縮機(jī)向下游開始及結(jié)束供料時間和選煤廠主洗系統(tǒng)啟車及停車時間,以及時間差和系統(tǒng)帶煤量、煤泥系數(shù)等參數(shù),結(jié)合模糊控制算法,計算出濃縮機(jī)中煤泥動態(tài)累積量[9]。同時,本文結(jié)合濃縮機(jī)扭矩、煤泥層厚度、耙壓參數(shù)及變化趨勢,通過加權(quán)平均的計算方法獲得濃縮機(jī)負(fù)荷系數(shù),并根據(jù)設(shè)定閾值周期性預(yù)判濃縮機(jī)是否需要向下游環(huán)節(jié)進(jìn)行排料。本文通過安裝在濃縮機(jī)入料管路上的核子濃度計,判定當(dāng)前濃縮機(jī)底流濃度是否為最佳壓濾供料濃度。如果滿足最佳條件,系統(tǒng)判斷可以開始供料;反之,系統(tǒng)暫停補料,繼續(xù)等待。在濃縮機(jī)底流濃度滿足供料的條件下,系統(tǒng)根據(jù)入料桶設(shè)定自動補料的高低液位值,控制處于自動模式下的底流泵啟動以開始補料。通過以上控制邏輯的研究與應(yīng)用,解決了壓濾系統(tǒng)啟停時機(jī)不合理、補料過程完全依賴崗位人員操作的問題,實現(xiàn)了濃縮機(jī)生產(chǎn)負(fù)荷與下游壓濾脫水系統(tǒng)的智能聯(lián)動。

壓濾系統(tǒng)自動啟停及自動補料控制邏輯如圖4所示。

圖4 壓濾系統(tǒng)自動啟停及自動補料控制邏輯圖

3.3 自動判斷結(jié)束進(jìn)料

作為單機(jī)自動化設(shè)備,壓濾機(jī)的生產(chǎn)方式分為手動和自動2種模式。當(dāng)壓濾機(jī)處于自動模式,崗位人員通過觀察壓濾機(jī)濾液水是否達(dá)到滴水不成線的狀態(tài)[10],同時結(jié)合進(jìn)料時長判斷壓濾機(jī)是否滿足進(jìn)料結(jié)束條件。當(dāng)條件滿足時,壓濾機(jī)需由崗位人員手動下發(fā)結(jié)束進(jìn)料指令同時停止壓濾機(jī)入料泵供料,從而進(jìn)行下一步壓榨、吹風(fēng)進(jìn)程。此進(jìn)料時長參數(shù)的設(shè)定對人為經(jīng)驗的依賴性強(qiáng)。由于壓濾機(jī)進(jìn)料過程同時受來料濃度、粒度組成、壓濾機(jī)壓榨風(fēng)壓、設(shè)備濾板濾布情況的影響,單純依靠人工經(jīng)驗判斷進(jìn)料結(jié)束的合理性較差。而且人工調(diào)節(jié)的實時性較差,會影響壓濾機(jī)自動模式的效果。通過2種方式可判斷壓濾機(jī)進(jìn)料結(jié)束時機(jī)。一是監(jiān)測壓濾機(jī)入料管壓力,根據(jù)壓濾機(jī)入料壓力大小判斷是否可以繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)料動作。若進(jìn)料壓力達(dá)到上限,則確定滿足進(jìn)料結(jié)束條件。二是監(jiān)測壓濾機(jī)濾液水流量,根據(jù)濾液水流量大小判斷壓濾機(jī)是否還可以繼續(xù)擠壓出煤泥中的水分。當(dāng)濾液水流量達(dá)到設(shè)定調(diào)節(jié)下限時,則確定滿足進(jìn)料結(jié)束條件。在前饋環(huán)節(jié),系統(tǒng)通過實時監(jiān)測壓濾機(jī)進(jìn)料管路壓力變化情況,判斷是否已經(jīng)達(dá)到了進(jìn)料末段;在反饋環(huán)節(jié),通過對傳統(tǒng)人工經(jīng)驗的分析及進(jìn)料過程中每組濾板的濾液水嘴水流規(guī)律的分析,并模擬人工判斷濾液水流的方式,在壓濾機(jī)濾液槽合適的位置選擇采樣隔斷。在采樣隔斷上增加涓流監(jiān)測單元,可以對壓濾機(jī)進(jìn)料末段的濾液水進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)壓濾機(jī)濾液水滴水不成線時,可視為壓濾機(jī)進(jìn)料可以結(jié)束。通過前饋+反饋這2種監(jiān)測途徑,再結(jié)合權(quán)重占比配置的方式,可以準(zhǔn)確判斷進(jìn)料結(jié)束時間。

壓濾機(jī)自動判斷進(jìn)料結(jié)束邏輯如圖5所示。

圖5 自動判斷進(jìn)料結(jié)束邏輯圖

本文在濾液水槽上加裝濾液水流量計,以實時監(jiān)測濾液水流量;同時,對濾液水槽進(jìn)行改造,通過增加隔板和底部開孔的方式截取其中一段濾液水槽,使濾液水匯集。濾液水優(yōu)先從底部開孔處排出,從而保證濾液水取樣的代表性。

通過設(shè)計安裝濾液水流量計管道,濾液水流經(jīng)流量計后再排回原有濾液水管道。通過管路變形設(shè)計,能夠使流量計安裝位置的管道內(nèi)始終保證滿管狀態(tài),以滿足流量計的測量工況。當(dāng)濾液水流量數(shù)值小于設(shè)定閾值參數(shù)并達(dá)到一段時間后,即判斷為進(jìn)料結(jié)束狀態(tài)。完成進(jìn)料結(jié)束判斷后,智能壓濾系統(tǒng)向壓濾機(jī)下發(fā)停止入料信號,從而停止壓濾機(jī)入料泵,使壓濾機(jī)在最佳時間進(jìn)入下一道工序,進(jìn)而實現(xiàn)壓濾機(jī)進(jìn)料過程的自動控制、減少崗位經(jīng)驗依賴、提高壓濾機(jī)工作效率。

3.4 智能排隊卸料

選煤廠的壓濾脫水系統(tǒng)中配置有2臺板框壓濾機(jī)。下游通過一條轉(zhuǎn)載刮板轉(zhuǎn)載至煤泥皮帶。在生產(chǎn)過程中,壓濾機(jī)卸料順序、卸料時機(jī)都由現(xiàn)場崗位人員控制,因此可靠性差,經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)控不及時的問題。這會造成下游轉(zhuǎn)載系統(tǒng)過負(fù)荷、壓濾機(jī)工作效率低、電耗高、設(shè)備磨損大。

自動排隊卸料控制在移動端設(shè)定允許卸料臺數(shù)。系統(tǒng)實時監(jiān)測壓濾機(jī)當(dāng)前進(jìn)程及下游設(shè)備運行狀態(tài),經(jīng)過后臺排隊卸料邏輯判斷算法,將計算結(jié)果輸出給壓濾機(jī)PLC控制單元,以實現(xiàn)壓濾機(jī)統(tǒng)籌排隊卸料。

自動排隊卸料控制邏輯如圖6所示。

圖6 自動排隊卸料控制邏輯圖

3.5 壓濾視頻聯(lián)動跟隨

壓濾機(jī)在卸料過程中會有煤餅粘滯在濾布上無法脫落的現(xiàn)象。因此,崗位人員需要巡視壓濾機(jī)的卸料過程。當(dāng)出現(xiàn)煤餅無法脫落的現(xiàn)象時,可通過拉繩開關(guān)暫停壓濾機(jī)進(jìn)程,對濾布進(jìn)行人工清理,并在清理完成后人工恢復(fù)壓濾機(jī)工作進(jìn)程[11]。整個卸料過程完全依賴人工操作,故壓濾系統(tǒng)的工作效率將無法得到有效的保證。

為實現(xiàn)壓濾機(jī)及上下游設(shè)備運行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場壓濾機(jī)卸料過程的無人值守,基于404與405壓濾機(jī)單排排列的空間布置情況,本文在壓濾機(jī)上方安裝軌道巡檢機(jī)器人。機(jī)器人平臺與智能壓濾系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信,可實現(xiàn)與壓濾機(jī)工作數(shù)據(jù)的信息交互。智能壓濾后臺服務(wù)系統(tǒng)可根據(jù)壓濾機(jī)工作進(jìn)程信號,聯(lián)動控制軌道巡檢機(jī)器人按照預(yù)定位置移動跟隨。同時,軌道巡檢機(jī)器人可配合鏡頭的旋轉(zhuǎn)、變倍、聚焦等視角調(diào)整,實時采集壓濾機(jī)卸料過程中清晰的視頻信號,使崗位人員可以在遠(yuǎn)程控制終端實現(xiàn)卸料過程的監(jiān)控。這在很大程度上降低了崗位人員的勞動強(qiáng)度。

3.6 壓濾系統(tǒng)生產(chǎn)統(tǒng)計

本文除了對選煤廠壓濾系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了智能化探索與研究以外,還對壓濾系統(tǒng)上下游的安全閉鎖、生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計進(jìn)行了設(shè)計與研究。通過壓濾機(jī)運行信息的采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,實現(xiàn)壓濾過程信息的在線統(tǒng)計,使崗位人員可通過智能終端完成數(shù)據(jù)的獲取。這可以為指導(dǎo)生產(chǎn)和實時掌握壓濾機(jī)工作狀態(tài)提供有效的數(shù)據(jù)支撐,以進(jìn)一步提升壓濾系統(tǒng)的智能化建設(shè)。

3.7 應(yīng)用效果

通過對壓濾系統(tǒng)的升級研究,本文設(shè)計的相關(guān)遠(yuǎn)程監(jiān)控、壓濾機(jī)系統(tǒng)自動啟停及自動補料、自動判斷結(jié)束進(jìn)料、智能排隊卸料、壓濾視頻聯(lián)動跟隨、生產(chǎn)統(tǒng)計均已實現(xiàn)。智能化壓濾系統(tǒng)在選煤廠現(xiàn)場投入使用后,壓濾系統(tǒng)的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)控制較之前都有了大幅提升。這在很大程度上減少了人工巡檢的工作量,提升了壓濾系統(tǒng)的智能化水平。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)煤泥水壓濾脫水處理基本依靠人工完成。由于選煤廠煤泥水處理環(huán)節(jié)的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣,崗位人員通常技術(shù)力量薄弱。智能化壓濾系統(tǒng)解決了這個問題。該系統(tǒng)將信息技術(shù)與傳統(tǒng)煤炭行業(yè)洗選工藝相結(jié)合,優(yōu)化生產(chǎn)工藝,輔助實現(xiàn)生產(chǎn)管理,進(jìn)而減少人工作業(yè)數(shù)量、降低勞動強(qiáng)度,實現(xiàn)了全自動化作業(yè)。壓濾的智能化控制作業(yè)提高了壓濾機(jī)工作效率,保障了洗水閉路循環(huán)質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量,并進(jìn)一步降低了能耗及生產(chǎn)成本。智能壓濾系統(tǒng)提升了現(xiàn)有生產(chǎn)管理過程的效率,為其他選煤廠煤泥的管理現(xiàn)狀提供了指導(dǎo),具有一定的社會效益。