淮北矿业集团产超 张松山 陈沉——《基于无人行车控制的介质制备车间智能管控研究》

 

 

 

 

摘 要：涡北选煤厂介质制备系统存在自动化程度较低、能耗较大等问题，本文借鉴先进的智能化技术，设计了一套完整的智能管控系统，包括传感器集成、数据采集与处理、自动调节与监控等功能。通过改造，介质制备系统在生产效率和操作自动化方面取得了显著的改善。

关键词：介质制备、无人化、智能管控

 

1.概述

淮北矿业股份有限公司涡北选煤厂为矿区型炼焦煤选煤厂，设计规模为年入选原煤1200万吨。一期工程规模600万吨，于2013年3月18日竣工投产。涡北选煤厂介质制备车间设计时配置有一台10吨通过起重机（行车），通此行再经取介质落入漏斗，再进给料机输送至球磨机研磨后，进入储介桶，根据生产系统需要开启鼓风阀、补介泵通过管道将介质输送至生产厂房储介桶，行车、阀门、泵均由人工现场操作。

2.介质制备车间升级改造的必要性

随着近几年智能化选煤厂建设要求和标准的不断提升，涡北选煤厂介质制备车间的自动化和智能化程度日渐落后，主要问题有以下几个方面：

一是人工现场操作抓介行车，控制不当易造成抓斗晃动、旋转缠绳等问题，且落料点不能精准定位，容易出现漏介情况。

二是球磨机、补介泵以及配套的冲水阀、鼓风阀、切换阀均由岗位司机现场人工操作，需现场盯岗，系统联动性差，设备运行状态不能完全监控，效率较低。

三是介质添加量依靠人工根据行车抓斗次数估算，准确度较低，且信息滞后，不能对生产系统介质消耗分别计算介质使用量，当生产系统介质消耗出现异常时不能及时发现。

随着选煤厂数字化、智能化、无人化建设的逐步完善，介质制备车间智能化建设势在必行。

3.介质制备车间升级方案

涡北选煤厂介质制备车间智能化改造主要分为控制系统改造、安全与定位系统改造、库区三维系统改造、视频监控系统改造、主控中心改造、软件平台改造以及介质添加环节改造几个方面。

3.1控制系统改造

行车无人值守控制系统，核心控制部分由“车载控制系统”“现场调度系统”和“远程控制系统”三部分组成，其中车载控制系统负责行车就地运行控制管理，通过5G通信系统和工业WIFE系统接收调度系统配置的工作任务，控制抓斗起重机各个机构完成作业任务，同时将运行数据传回调度系统和软件管理平台。现场调度系统通讯连接中控软件平台、库区三维系统、车载控制系统等，负责车间内卡车路径规划和行车自动控制，调度系统在接收到中控制软件平台下达的作业任务单后，结合三维库区系统反馈的车间库区堆型，对行车下达作业任务，完成行车作业管理。远程控制系统配置远程自动、远程手动、本地无线遥控三种工作模式切换功能，三种模式的急停开关同时有效。

3.2安全与定位系统改造

安全与定位系统改造实现了大小车定位、抓斗高度定位、投料口定位、抓斗防摆动、防碰撞安全防护、脱槽、断绳检测、起重超载保护及重量计量、安全防护等检测功能。其中抓斗防摆动通过在每台行车上设置一套抓斗闭环防摆动控制器，实时控制大车、小车的加速度、绳长，达到稳定抓斗，缩短作业时间的效果。防摆动控制器将抓斗的摆角、绳长、速度等参数传输给控制系统，控制系统经过比对模型、优化计算，将大小车的移动速度设定值写入控制系统中实现防摇的控制。

 

图1.抓斗防摆动图

 

3.3库区三维系统改造

库区三维系统采用激光雷达实现对库区料位分布情况的扫描，实现完整的库区料型监视。行车运行时带着扫描器采集划分区域内的物料堆料数据，将数据传输给服务器，通过服务器内定制的数据算法，将整个堆场的物料数据进行处理和拼接拟和出整个料场的物料，并计算出最佳抓料点。

 

图2.三维系统示意图

3.4视频监控系统改造

根据库区环境情况合理布置监控点位置，在库区顶部布置定点摄像头，并在每台行车上安装车载摄像头，完成对库区整体情况的实时在线监控，对人员闯入、车辆闯入、实时火情、人员违规穿戴、违规动作等进行录像和故障追踪。全部的图像数据通过光纤传输至主控中心网络硬盘录像机，主控中心可远程监视库区运行情况，配合完成行车无人值守。

3.5主控中心改造

主控中心设置的硬件设备包括无人值守操作站PC和网络交换机，系统的供电接入厂内的原UPS系统。主控中心无人值守操作站配置OPC通讯协议接口，可建立与DCS系统数据交互，为DCS系统提供如行车启停、位置状态数据等行车关键信号，辅助完成介质制备车间无人化协同作业。

3.6软件平台改造

软件采用C/S架构，具备行车控制、自动调度两大功能，其中行车控制系统可以实现数字孪生状态显示、操作控制、报警指示、数据归档等多重功能。能够做到检测料仓口料位，保证料仓不溢料、不空料；实时扫描料场料堆，生成料堆轮廓图；监控行车位置、状态、动画展示整个料场情况。系统具备与工厂智能网络的对接，能实现数据交互传送。能与上游信息系统通信，获取上料计划，支持手动上料计划。

3.7介质添加环节改造

介质添加环节改造后，实现了介质制备车间系统设备全流程监控以及关键数据采集，实现补介泵、加介阀门、鼓风阀门状态监测及控制，系统远程操作。同时通过在磨矿补介泵进入主厂房管道上增加质量流量计，分别采集并统计添加的介质量，根据每天/每月生产量自动计算出吨煤介质消耗。当需要向补介桶补充介质时，经操控人员确认后实现一键启动添加介质。

3.8总体工艺

3.8.1智能化升级后作业流程

智能化升级后，起重机作业等具备3种控制模式，分别是远程自动、远程手动、本地无线遥控，后两者作为无人控制模式异常情况下的应急预案。

3.8.2远程自动模式

由中控室进行无人远程控制，给起重机下达运行指令，作业流程如下：

图3.远程自动作业流程图

无人行车根据厂智控中心上位机指令，自动完成抓介、行走、卸料等循环作业。要求无人行车能在完成当班下达的在指定的上料任务作业指令的基础上，完成当班的倒料作业；整个过程中行车具体作业指令(倒料/上料)可由系统自动分配，同时也可人工单独指定倒料或者上料任务。

3.8.3远程手动模式

由中控室远程手动控制，由操作人员在远程操控台结合现场视频监控信息，通过操作台的手柄指令进行远程手动进行起重机动作的操作。

3.8.4本地无线遥控模式

该模式主要在远程模式失效后，用于系统应急使用，通过在现场设置的无线遥控器，控制抓斗系统作业。

3.8.5改造后的设备检修

（1）切换到人工本地操作模式；

（2）登车和下车的人员设置安全识别通道。

3.9地面视频系统

地面视频系统主要对起重机作业区进行全方位视频监控，提高安全性，相关设备组成和技术与车载视频系统类似，此处不再赘述。

对人员闯入、车辆闯入、实时火情、人员违规穿戴、违规动作等进行录像和问题回溯。

3.10门禁管理系统

通过门禁按钮盒、急停按钮盒、道闸系统、语音播报、语音对讲系统、交通灯、电磁锁等设备对介质车间实行严格管理。提升安全性，保障生产安全和作业效率。

3.10.1人员管理

在每个人员出入口、起重机登车位置增设安全门、安全光栅及门禁对讲机。

人员入场前，先需要通过门禁对讲机与中控室进行确认，中控室允许后，下达开锁指令，门禁打开允许进入。

3.10.2车辆管理

在车辆入口增设车辆门禁，及门禁对讲机，门禁信号灯。

车辆入场前，门禁信号灯为红色，提示车辆停止，车辆调度员先需要通过门禁对讲机与中控室 进行确认，中控室允许后，下达开锁指令，门禁打开车辆允许进入，门禁信号灯变为绿色，车辆方可驶入。

3.10.3广播扩音系统

现场配备广播扩音系统，中控室能直接喊话至介质车间现场。

3.10.4安全联锁

进行车辆或行人双重安全检测。一旦车辆或人员进入卸料口区域，系统自动将该卸料口设置为红区。抓斗将被限制不得在此区域作业，且抓斗不得在此区域正上方通过。如果行车正在该区域作业或抓斗经过此区域，行车应立即停止作业，同时现场报警器发出报警提示，中控室也发出报警提示。

3.11介质添加环节保护

3.11.1 AI视觉检测系统架构

软件采用模块化设计，将系统按照功能的不同划分为独立的模块组件，提高了系统的稳定性和可靠性。在面对不同的设备时，系统可以实现快速接入，轻松的进行功能拓展或定制，具有良好的灵活性和可扩展性。

(1)料仓口出料状态检测

在作业过程中，生产人员需实时了解料仓出料口状态，出料口不出料时会导致生产效率下降。通过在料仓出料口对侧设置一个枪机，结合低延迟解码渲染方案与AI检测算法，对料仓口出料状态进行实时检测，并且使用不同颜色的检测框来表示出料口的不同状态(如红色表示异常，绿色表示正常),在出料口不出料或出现杂物时向scada发送信号报警。

出料口异常，系统将给予反馈，向scada发送信号报警，提示出料口异常，并在画面端显示红色检测框。

出料口正常出料，系统认为状态正常，此时画面显示绿色检测框，不发送报警信号。

(2)球磨机钢珠检测

球磨机在工作过程中，需要对球磨机的出料轨道进行实时检测，防止出现球磨机钢珠漏出的情况下系统持续作业，造成对人员与设备的进一步危害。在球磨机出料轨道对侧设置一个枪机，结合低延迟解码渲染方案与AI检测算法，对球磨机出料轨道实时检测。当算法检测出有球磨机有钢珠漏出时，向scada发出报警信号，提示生产人员有钢珠漏出设备。

球磨机出料轨道正常，并没有钢珠漏出，此时系统判定无误，不会向scada发送报警信号。

球磨机出料轨道出现异常，系统判定球磨机有钢珠漏出，此时会向scada发送报警信号，提示轨道上有钢珠漏出。

3.12介质制备车间设备监控与远程控制系统

设备监控与远程控制系统接入车间设备数据和使用3D可视化平台进行数据监控，实现选煤厂介质制备车间设备的全流程监控和远程控制，以提升生产效率、提高生产质量和确保安全生产。

(1)设备连接和数据采集：借助传感器和设备数字化改造升级，利用网络技术和一体化远程监控平台，实时采集系统设备的运行状态、液位、电气运行信号等关键参数数据，并将其传输到数字化平台进行处理和分析。

(2)安装质量流量计：将在磨矿补介泵进入主厂房管道上安装质量流量计。质量流量计通过物联网设备连接到数字化平台，实时测量介质的质量流量，并将数据传输到平台进行处理和存储。可以实现对添加介质的质量流量的准确监测，无需人工干预，消除了人工估算的不确定性。

(3)生产过程仿真监控画面：提供生产过程仿真画面，精确还原现场实际工艺，并与设备状态数据实时关联。通过这个功能，可以远程监控介质制备车间设备的运行状态，并通过动画方式展示介质制备车间系统设备(如球磨机、圆盘给料机、泵、闸阀及空气炮等)的全生产流程。将相关数据与画面绑定，例如稀介桶和浓介桶的液位等，使操作人员可以全面掌握现场生产情况，轻松地监测和管理关键参数，以确保生产的顺利进行。

(4)远程监控和控制：通过数字化平台，可以远程监控介质制备车间设备的运行状态、工作参数和关键指标。同时，通过远程控制功能，可以对设备进行远程操作和调整，实现远程单体设备控制。

(5)数字化判断与安全生产：结合数字化远程控制和全流程设备监控，根据预设的安全生产条件和设备等级要求，自动判断设备是否满足安全启停的条件，防止因设备故障、人员误操作或其他客观设备生产条件不满足造成的安全事故，确保设备运行在安全状态下，降低安全风险和故障发生的可能性，提升安全性和可靠性。将数字化诊断与系统自动化控制流程结合，提供补介桶补充介质一键启停功能，实现安全生产与便捷操作，提高生产效率和灵活性，同时改善操作人员的工作强度和工作环境。

(6)故障诊断与记录：将设备智能预测维护系统和AI摄像头监控系统的数据进行联动，通过采集数据分析，在监控画面中进行故障提示，并记录故障信息和故障时刻的设备运行与操作数据，做到能够进行数据回溯、故障判断以及事故追责。

(7)安装质量流量计：将在磨矿补介泵进入主厂房管道上安装质量流量计。质量流量计通过物联网设备连接到数字化平台，实时测量介质的质量流量，并将数据传输到平台进行处理和存储。实现对添加介质的质量流量的准确监测，无需人工干预，消除了人工估算的不确定性。

(8)数据分析和统计计算：数字化平台对采集到的质量流量数据进行深入分析和统计计算。根据设定的时间范围(如每天或每月),平台将自动计算吨煤介质的消耗量。这些计算结果准确无误，帮助管理层实时监测和控制成本，并能及时发现和解决异常情况，优化介质使用效率，从而降低生产成本。

(9)数据驱动决策：通过对采集到的数据进行分析，提供全面的数据报表和指标分析，帮助管理层做出准确的决策和优化生产流程。

3.13中央生产调度管理系统

中央生产调度管理系统硬件由1套中央控制台、1套服务器机柜。操作人员通过中央控制台下达起重机全自动无人化控制指令并对门禁、地面视频进行有效管理。

3.13.1中央控制台

(1)丰富的人机交互接口：通过1个操作台便可实现工单下发、远程操控、数据监控、视频监控、门禁管理、语音喊话等全面的功能管理。

(2)操作便捷：控制台采用小主令设计，操作灵活便捷，节省臂力，完全符合人体工程学设计；

(3)控制台科技感设计：控制台采用高科技感设计，提升产品整体品质，同时台体防潮，防变形，抗震，耐用，保证实用性。

(4)易于维护：系统内置自诊断功能模块，能够对地面、起重机设备实施故障检测，系统发生故障时，帮助检修人员充分了解故障信息，精确定位，故障到点。

3.13.2技术方案

当进行全自动无人化作业时，通过主控位下达起重机全自动无人化控制指令。同时对门禁、地面视频管理。具备库区管理与调度系统的人机交互界面，通过鼠标键盘操作可实现如下功能：

①通过主控位下达起重机全自动无人化工作启动指令；

②可选择起重机的操控模式；

③可通过鼠标及键盘以及软件界面进行工单任务下发，起重机自动运行；

④起重机紧急停止：在起重机自动运行中，远程操控台的急停按钮功能始终有效；

⑤可显示各台起重机已接收和执行的工作任务；

⑥对现场所有天车设备进行监视和管理；

⑦对现场所有地面设备进行监视和管理；

⑧可以实时显示各台起重机的运行状态、故障、自检等信息；

⑨可以实时显示车载及地面视频监控画面等。

3.14服务器

3.14.1核心特点

(1)分布式设计：为保证系统稳定性，采用分布式设计，中央生产调度管理系统软件、全流程智能物流管理系统软件、设备健康管理系统软件均采用独立工控机进行部署，保证相互的独立性，进而保证系统稳定。

(2)UPS保护：机柜内配置UPS,保证中控室断电的情况下持续维持供电30分钟，保证系统稳定。

3.14.2技术方案：

服务器机柜作为中央生产调度管理系统的主要硬件设备，内置工控机等重要设备，装载库区管理与调度系统软件和起重机信息管理软件，对起重机和地面设备的所有数据进行集中采集、记录、分析、运算，实现中间库无人化天车和智能库房管理系统项目的所有功能。

3.15中央生产管理系统软件

3.15.1工单管理软件

主要功能是智能分解任务工单。系统会接收人工下发的每日工作计划和工作要求，根据工艺属性，物料特征等信息确定最合理的优先级原则，对工单进行智能排产，并在界面中详细显示进度状态。工单排产中主要使用智能化的运算方法，进行抓料、放料决策，支持人工选取工作区及放料点。操作人员可通过工单操作界面灵活选择起重机作业抓渣区域及放置区域，起重机自动完成目标点抓取、目标点放置作业。行车具备池底保护功能，行车具备清池功能。

3.15.2调度管理软件

路径规划：通过人工智能技术，采用“蚁群算法”“最优化算法”模拟起重机运行和工单运行评估，最终计算出最优调度程序，以提高作业效率，减少起重机作业时间和能耗。

最佳放置：系统根据工艺要求判断出最佳放置位置。比如场地有限，需要堆高处理，则放置代表最高点的红框处，反之则放置到最低点。随后起重机的大车、小车、抓斗三机构联动，运行到最佳放置位置。

3.15.3地面设备健康管理系统

支持以文本、动画等多种方式形象地描绘出工业现场设备的布置方式、起重机的运行状态等显示起重机实时动画与实际运行轨迹保持一致。

可以提供所有变量的趋势曲线显示、数据归档进行定制查询，其最大的优势在于能够记录故障发生瞬间情况，便于故障追溯与分析。

内置故障诊断专家系统，包括不同设备的故障现象、故障原因、解决方案等信息，支持有权限的人员对信息进行增加、删除、修改等操作，以丰富和优化专家系统，起到故障诊断、维护经验的传承效果。操作人员选定报警列表中的故障信息行，然后点击“故障诊断”按钮，即可进行故障诊断功能，故障诊断界面和原因分析界面。

4.效果分析

（1）实现行车智能控制，操作人员能远程了解行车运行状态，优化作业指令，提高作业效率。

（2）实现介质制备系统现场无人化，解决人工操控存在的不足，降低劳动量，同时可根据生产实际闭锁加介，补介得到有效保障。

（3）对介质添加进行计量后，可实时统计出当前一段时间介质用量及月度累计量，可对选煤生产过程中介耗高等进行分析，及时查找不足纠偏，降低介耗。

5.结语

涡北选煤厂通过对介质制备车间控制设备进行集成，改造后不用再手动取介、测介，介质比重自动控制系统能自动调整介质密度并实时显示数据，实现介质制备车间设备操作现场无人化等工艺流程集中监控和集中操作，最大限度地减少现场操作人员，形成以控制中心操控人员为主、区域定期巡视人员为辅的生产作业模式，是现代工厂适应国家及社会环境要求的必然选择，通过智能化改造升级，节省人力成本，提高控制精度与效率，是企业升级的必要举措。