基于大数据分析和人工智能决策的智能化选煤厂建设

【企业简介】

神华神东煤炭集团有限责任公司是国家能源集团的骨干煤炭生产企业，资产总额1078亿元。主要负责国家能源集团在神府东胜煤田骨干矿井和山西保德煤矿，以及配套项目的生产运营，以煤炭生产和洗选加工为主营业务。主要产品是优质动力、化工和冶金用煤，具有“低硫、低磷、低灰、中高发热量”（三低一高）的特点。累计创造中国企业新纪录百余项，获得授权专利862项，省部级以上荣誉131项、国家科技进步奖7项，20多项国家级环境奖。

【案例内容】

神华神东煤炭集团有限责任公司智能化选煤厂的建设应本着“统筹规划、统一标准、面向应用、突出重点、分步实施”的推进方式开展。基于大数据分析和人工智能决策，开发了选煤在线精准感知技术、选煤生产智能决策系统、选煤设备智能诊断与管理技术、选煤生产过程智能控制技术，形成了大型选煤厂智能化技术体系。获国家授权发明专利9项，实用新型专利9项。其中《重介质选煤厂选煤智能化研究》，经鉴定为国际领先，《煤泥水智能加药系统研究与应用》，经鉴定为国际先进。

一、保证选煤在线精准感知

1、维度协同的煤炭灰分在线精准感知

提出以灰分在线智能校正为核心的多维度灰分仪检测优化方法。采用三点接收模式，对煤流横截面上不同点进行测量；将干扰因素在模型中进行去噪运算；采用基于布谷鸟搜索的模糊最小二乘支持向量机算法进行灰分仪数据在线校正。保证在线灰分仪检测灰分平均绝对误差小于±0.3%，形成多维度协同的煤炭灰分在线精准感知技术。

图1 多维度协同的煤炭灰分在线精准感知技术

2、煤泥水处理相界面在线精准感知

开发浓缩机煤泥水沉降相界面在线精准感知技术。采用超声波测量煤泥沉积界面的高度。

对浓缩机内部浓度进行了大量采样分析，确定临界清水层高度为2400mm左右，超声波监控能准确显示清水层高度指导煤泥水沉降过程，实现浓缩过程实时动态检测，保证煤泥水系统的在线精准感知。

图2 煤泥水处理相界面在线精准感知技术

二、推进选煤生产智能决策

1、选煤生产组织智能决策

选煤生产组织智能决策系统是选煤厂集控系统的进一步扩展。系统以图形化工艺流程为基础，根据不同的洗选参数，衍生出多种生产方式，形成生产方式库。系统以筛分试验数据、浮沉试验数据为基础，根据预测模型，预测出所有生产方式下的产品产率、煤质信息。结合产品成本和售价信息，实现生产方式的效益预测分析、产品成本比较；并输出各厂效益汇总表、各厂效益明细表等报表。

选煤厂集控系统从介质密度计、皮带秤、洗选设备上获取数据，并向生产测算软件提供皮带秤计量、介质密度、设备状态等信息，形成实时生产方式，指导选煤厂的生产。

生产测算软件在预测分析过程中还需要从煤质系统获取日原煤、商品煤煤质数据。

图3 选煤生产组织智能决策系统整体框架

2、选煤过程调控智能决策

依据生产运作管理理论与动态决策理论，构建重介智能化分选系统模型，实现基于原煤性质、商品煤指标要求并通过原煤灰分在线检测和分选密度联动调节的智能分选，优化了生产管理网络及洗选过程工艺参数组合。

选煤过程是根据煤炭洗选要求参数智能化识别结果及商品煤洗选过程工艺参数、设备运行参数、质量参数、生产效率参数等要求，进行洗选过程不同发热量煤质的产量及其参数智能化控制。尤其重点根据原煤性质、商品煤指标要求，通过原煤的灰分在线检测和分选密度的自动调节，达到智能分选的目标。其中，智能化洗选过程主要是通过各类传感器的实时在线监测，将下辖各厂的大量的生产运营信息进行筛选、整合、处理，并通过智能化系统反馈给洗选中心进行统筹管理，从而纵观系统的动态平衡，及时协调指挥生产，一定程度上实现“闭环”生产管理。

3、选煤生产成本控制智能决策

根据集团内部控制体系及成本管控要求，为实现节能增效，减少选煤厂成本支出，形成煤炭洗选成本计划、成本控制、成本核算、成本分析、成本考核智能化管理系统。特别是在智能化管理系统中，坚定“保易控、抓可控、争难控”的管理思路，对洗选过程中电力消耗、介质药剂消耗、设备备件消耗等进行智能化监督、控制，全面管控选煤厂经营成本；为实现减员增效，建立在线监控系统，采用移动远程监测控制代替调度室控制、全自动装车代替操作员人工操作等，节省大量人力成本支出。

图4 选煤生产成本控制智能决策系统框架图

三、实施选煤设备智能诊断与管理

1、工业专用4G网络

4G网络实现了厂区无线网络全覆盖，为移动控制、数字配电系统、业务办公数据传输、视频传输、语音对讲、集群通信、多媒体调度提供了可靠高速的网络环境。第一套应用于选煤厂的4G数字信号对讲系统，除了更加清晰的通话质量外，还被赋予了丰富的多媒体业务功能、实现了视频和数据的传输及业务软件的安装应用，是一台工业级的移动智能设备。

2、设备在线监测智能诊断与管理

以故障特征数据分析为支撑，开发选煤设备智能诊断管理系统，实现设备状态的实时监测、在线分析、故障诊断和全生命周期的智能管理。

通过对设备特征参数的在线监测，分析设备故障特征的实时数据与历史数据，对比设备健康状态标准，实现设备运行状态智能诊断和报警信息的即时处理。从时间、事件、趋势、设备信息管理等不同维度对特征参数进行统计分析，为设备检修、可靠性提升和改造升级决策提供数据支撑。研发移动终端控制技术，实现设备启停和生产调度的移动控制管理。

设备智能管理系统依托先进的智能控制、计算机网络技术，通过对生产设备添加在线温度振动监测、煤块超粒度识别检测、胶带机大型铁器检测等模块，实现生产过程在线监测、无人值守及设备智能在线点检、远程控制，保障设备的稳定运行，提高设备效能与生产效率。

四、推进选煤生产过程智能控制

1、重介质分选智能控制系统（智能分选）

开发数据驱动的煤炭重介分选控制参数在线实时智能整定与精准控制技术。构建包含原煤和商品煤质量数据、历史分选参数数据、选煤专家知识数据在内的重介分选智能控制数据库；建立了产品质量与分选密度之间的反馈控制模型，实时给定分选密度，并通过大数据分析和数据挖掘，构建分选密度的预测和优化机制，实现重介质分选过程参数在线智能给定与优化；开发基于专家知识和模糊控制策略的重介分选参数精准控制执行技术，有效匹配重介质分选参数时变、非线性和强耦合等特点。工业应用表明，在原煤性质同等条件下商品煤产率提高1.09%，矸石带煤率平均0.8%，重介质系统降低介耗约13.46%。

2、煤泥水处理智能控制系统（智能加药）

开发基于煤泥水浓缩过程入料特性与固液界面协同的智能化加药控制系统。实时监控煤泥水处理系统技术参数数据，通过对煤泥水入料进行分析的基础上生成药剂添加量的前馈模型；以超声波发射源获取浓缩机内煤泥水清水层界面，实时准确检测煤泥水浓缩过程真实状态，反馈优化药剂制度，形成入料特性与浓缩装置界面参数协同的控制策略，实现煤泥水浓缩系统稳定运行。通过煤泥水处理智能控制技术的工业应用，阴离子药剂平均消耗量为5.82g/t，降幅达到8.81%；阳离子平均药剂消耗量为36.2g/t，降幅达到6.73%，溢流澄清水浓度小于1g/l。

3、保障选煤生产过程稳定可靠

（1）自动装车系统

快速装车系统已广泛应用于大型煤炭企业的产品煤装车外运环节当中，装车速度快、称量准确。但在使用快速装车系统过程中也存在若干问题，主要表现在：1、装车系统需要人工手动反复操作装车放煤闸板开关和装车溜槽伸缩，工作强度大。2、人工操作过程中，会出现操作不规律，造成装车高度不均匀，不美观，严重时甚至出现超、偏载等问题影响铁路运输安全。3、人工操作中，易造成精神高度紧张、身心疲劳，如稍有不慎，会造成溜槽撞到火车车箱或洒煤的问题，极大影响装车速度和效率，对正常状车外运产生不良影响。为了解决上述问题，洗选中心研究开发了自动装车系统。通过雷达测速传感器来检测火车运行速度，通过加装5套光电传感器来检测溜槽进入车厢的位置，通过火车实时车速、溜槽进入车厢位置开始分别计算预测开启装车闸板的理想节点和溜槽升降理想位置，进而实现自动装车，在保证装车质量的前提下，提升装车系统的安全性。

图5 自动装车效果示意

（2）数字化配电平台

之前，停送电管理流程存在涉及人员多、流程步骤多、隐患环节多、纸质记录多，且存在记录填写不规范的现象。数字化配电平台对目前问题进行针对性优化，可自动生成相关记录，提高时效性的同时减少电气作业人员的投入。数字配电系统是用配电室的一体机来展示停送电情况和对停送电的过程进行记录，用手持终端来进行停送电申请操作、用门禁识别作为进入配电室的身份验证。 

数字配电系统是OPC服务通过和PLC接口通讯，读取PLC系统的供配电状态点，进行相应逻辑条件判断，实现终端停送电操作。系统自动生成停送电记录，包括申请人、申请时间、停电时间、停电人、送电时间、送电人等详细记录，时间均为实时自动生成。

为确保停送电环节的安全执行，在后台设置十三个流程，在所有安全条件满足的情况下，下达停送电指令，并自动生成相关记录，实现停送电移动化、流程化、工作票数字化，高压柜自动执行。

图6 数字配电系统

（3）人员定位与智能照明

之前，在选煤厂照明领域，一直使用普通隔爆型灯具，每盏灯功率为150瓦或250瓦，控制功能单一，日常维护量大，总功耗大。根据如何降低照明系统功耗、照明控制怎样能够更加灵活，提高产品的质量来降低维护量等建设性问题，最终提出照明智能系统改造。首先将厂房内的照明灯进行更换为智能节能LED灯，采用无线技术，实现厂房内智能照明节能控制；将人员定位卡的信号接收器集成至LED灯内部，实现人员定位、考勤等功能。智能照明控制功能可实现手动调光操作和自动调光操作；①手动调光操作主要在现场照明不符合当时需求时进行的操作，手动操作主要包括区域、分段的关灯、调光及巡检操作。②自动调光设置指灯具通过判断现场作业人员携带人员定位卡的位置，来控制现场灯具的开关及亮度。此工作模式下，人员周围的灯具呈高亮度照明状态，远离现场作业人员的灯具呈关灯或低亮度状态。

人员定位控制功能可以在线查看在线人员及其所在位置，而且可以选择人员查看其历史轨迹。解决传统定位系统无法立体定位的问题，实现人员在立体空间的精准定位，定位精度＜5m，可显示人员实时位置、回放人员运动轨迹，为无人值守及单岗作业提供安全保障，有效提高人员安全管理水平。