智能化技术逐渐成为选煤厂转型升级的关键，本文对国内外研究现状进行了汇总，提出了选煤厂智能化关键技术，列举了当前智能化建设在提高选煤效率、降低能耗、保障安全等方面的实际应用案例，并探索性地提出了选煤厂智能化建设的路径，以期为选煤厂智能化的进一步研发、应用和推广提供借鉴。文章来源：《智能矿山》2024年第9期“选煤厂智能化建设探索与实践”专题作者简介：张珂，高级工程师，主要从事矿山智能化、信息化及自动化等领域的技术研究工作。E-mail：zhangke80975@126.com引用格式：张珂.选煤厂智能化建设方案探索[J].智能矿山，2024，5（9）：38-43.点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文
随着煤炭清洁高效利用工作的持续推进，我国原煤洗选加工能力在 2023 年得到进一步提升。据统计，截至 2023 年，我国原煤洗选加工能力已经超过35 亿 t/a，在役大型现代化选煤 2 600 多座，能力超过千万吨的特大型选煤厂近 90 座。已经实现炼焦和其他特殊用煤应选尽选，为提高能源利用效率，煤炭洗选需进一步提高选煤效率，为能源高效利用奠定基础。
全球科技进步，信息化和智能化已经成为各行业追求高效、安全和可持续发展的关键手段。煤炭行业在选煤环节也得到多方面应用。澳大利亚、美国等先进工业化国家在煤炭企业智能化已取得显著成果，通过引入网络系统、云端生产管理、生产执行系统 （MES） 与企业资源计划系统 （ERP）、数据采集与监视控制系统 （SCADA） 技术协同和其他技术手段，优化生产流程，提升生产效率和安全生产水平。澳大利亚作为全球最大的煤炭出口国之一，煤炭产业智能化水平处于世界前列。其选煤厂广泛采用先进的传感技术、自动化控制系统和网络通信技术。实时监测生产过程中各种参数，确保生产高效和安全。此外，澳大利亚煤炭企业还广泛利用数据分析技术，挖掘和分析生产过程海量数据，更精确优化生产流程和提高产品质量。具体来说，通过安装温度、压力、流量等传感器，实时监测生产过程中的各种参数。通过网络系统实时传输到控制中心，管理者可随时查看生产数据和设备运行状况，并做出及时调整和决策。通过云端生产管理系统，实现选煤厂生产计划的智能排程、生产进度的实时监控、设备维护的自动提醒等功能，提高了生产效率和管理水平。在美国煤炭产业的智能化也得到广泛推广和应用。美国选煤厂普遍采用先进的自动化技术，如机器人巡检、自动化采样、自动化检测等，极大地减轻了员工作业强度，促使生产效率提高。同时，美国煤炭企业信息化程度高，建立完善的数据库和信息管理系统，实现了生产数据的集中存储、查询和分析。有助于管理者做出更科学决策，还为企业持续发展提供数据支持。德国、英国等也积极推进选煤厂的智能化建设，通过引进先进的智能化技术和设备，优化生产流程，提高生产效率，降低生产成本，在全球煤炭市场上获得更大竞争优势。同时，国外选煤厂智能化也面临挑战和问题，为确保智能化系统的稳定性和安全性，提高智能化系统的自适应能力和学习能力，及降低智能化系统的投资成本和运营成本等。我国选煤厂的自动化发展历程可概括为 3 个主要阶段：最初建设阶段，依赖继电器实现基本逻辑控制与信号转换，但无法实现集中控制；随后，行业内采用包含逻辑控制和数字电路等组件的程控器，提升控制精度和效率；最终，使用可编程逻辑控制器 （PLC） 进行高级程序控制阶段，标志着我国选煤厂自动化技术的显著进步。
随着选煤技术的发展，选煤厂自动化由生产过程和设备控制，逐渐融入生产管理功能。重介质选煤是选煤厂的主流生产工艺。然而，传统洗选设备主要依赖人工操作，人员需要量大，且劳动强度大、生产效率低。选煤厂生产区域广泛且存在众多生产约因素，集控室通常只能查看设备当前运行状态。
目前，自动化和信息化水平较高的选煤厂，实现在线数据收集、报表生成和存储等功能，但在生产系统数据分析和预测方面仍有待提高。生产监控主要依赖人工查看视频图像，对异常事件的反应能力有限。从 20 世纪 80 年代开始，每台设备都需要单独控制，完全依赖人工操作。到了 20 世纪 90 年代，随着自动控制技术的进步，选煤厂开始实现核心设备的自动化控制，并建立了部分集中控制系统。然而，所有的设备信息和生产数据仍然需要手工处理。进入 21 世纪后，选煤厂已经能够实现全面的自动化控制，同时选煤厂的管理也进入了信息化管理阶段。通过生产控制系统的信息化配置，选煤厂已经能够自动生成、保存和上传生产数据报表。总的来说，我国选煤厂的自动化和信息化水平在不断提高，但仍需进一步加强数据分析和预测能力，以实现更高效、智能的生产管理。现阶段利用物联网、云计算、移动 5G 通信技术等技术，选煤厂生产控制正式进入到智能化阶段。越来越多的选煤厂开始引入物联网技术，通过安装传感器和智能设备，实现生产数据的实时采集和传输。同时，云计算技术的应用也使得选煤厂能够实现对海量数据的存储和分析，为生产决策提供更加准确的数据支持。5G 通信技术的应用则进一步提高了选煤厂生产控制的灵活性和实时性。借助这些技术，管理人员可以随时随地通过手机或平板电脑等移动设备查看生产数据和设备状态，及时做出调整和决策。然而，与国外先进水平相比，国内选煤厂在智能化建设方面仍有待提升。一方面，部分选煤厂的智能化程度仍然较低，需要加大技术投入和研发力度，推动智能化技术的深入应用。另一方面，智能化建设需要跨学科、跨领域的合作与交流，而目前国内在这方面的人才储备和技术积累还有待加强。以陕西陕煤曹家滩矿业有限公司、神华东胜精煤公司上湾煤矿等智能化选煤厂为例，已将先进的智能感知监测、选煤厂海量数据、物联网、云计算、5G、BIM 等先进技术深度融合到选煤工艺生产中，打造全面传感、全局作业、全线智能的“智能选煤体系”选煤厂一体化解决方案。这一进步促进了选煤厂智能重介密度控制系统和智能加药系统的发展，并使得这些系统与智能远程停送电系统、智能化选煤厂制造执行系统以及选煤厂智能管控平台之间的协同更加顺畅，为迈向更加智能化的管理迈出了坚实的一步。
智能化选煤厂的实现离不开一系列关键技术的支撑。这些技术不仅是推动选煤过程自动化的动力，更是实现智能化决策和管理的核心。其中，基于工业互联网架构的综合管控平台为整个智能化系统提供了稳定的数据交换与处理环境；基于机器学习与人工智能的选煤智能控制系统确保生产过程的精准控制；而基于数字孪生技术的智能协同管理系统则实现了虚拟与现实的完美结合，优化了生产管理流程。基于群智感知的智能安全环保系统为选煤厂的安全生产和环境保护提供了有力保障；基于知识与数据协同驱动的选煤智能决策系统，通过大数据分析与挖掘，为选煤厂的战略规划提供了科学依据。这些关键技术共同构成了智能化选煤厂的技术基石，推动了选煤行业的创新与进步。创新性地采用数字孪生技术，通过建设生产管理、设备管理、质量管理等系统，打造生产业务协同管理。建设生产管理系统，实现各生产要素的闭环管理，全面支撑选煤厂生产运营层业务，达到闭环精细化管控的效果；建立设备的预测性维护系统，提前发现故障隐患，降低故障影响；建设能源管理，根据基础数据与算法的结合，能够动态预测能耗变化趋势对能源业务全流程进行精细化、精准化管理；建立质量管理系统，根据自动采集的生产过程中各种工艺和控制参数，结合以往的历史参数和质量指标的关系，实时在线预测产品可能的质量结果，按照相应的优化规则，系统及时地提供现场控制参数的优化调整方案，保证最终产品的质量指标控制在稳定的区间内，动态、主动的保证产品质量的持续稳定。
利用选煤厂全域覆盖的感知网络及高速数据传输通道，设计与开发基于群智感知的安全环保数据采集与分析一体化系统，通过环境监测及视频识别数据反向调节降尘、卫生冲洗系统的智能化运行；通过视频识别、智能照明与人员定位、智能单兵数据互联互通，构建功能全面、技术先进的应急协同管理平台，实现全方位、立体化、无盲区的动态监测与在线监控，最终建立“发现及时、处置快速、解决有效、监督有力”的长效管理机制。选煤厂可以利用基于群智感知的智能安全环保系统进行设备监测和预警。通过在关键设备或部位安装传感器，系统可以实时监测设备的运行状态，及时发现异常情况并发出警报，防止设备故障导致的生产事故。
开展选煤过程模拟、预测与优化模型研究，基于遗传算法与传统搜索方法综合分析重选、筛分、分流、煤泥水处理、配煤等工艺环节的检测与反馈数据，建立各工艺流程分选和设备运行状态的在线检测评价，构建选煤跨媒体感知计算、选煤人机混合智能融合、选煤自主协同与决策计算模型；建立集计量计质数据精准化、阈值建议合理化为一体的选煤生产过程标准数据库和智能分析管理系统，形成基于知识与数据协同驱动的选煤智能决策平台，推进智能选煤标准化建设，促进煤炭清洁高效利用，动节能减排，引领选煤行业智能化建设。
同时，通过打造低碳节能、高效融合、便捷处理、安全可靠的数据中心，助力一体化综合管控平台实现向下调用生产、设备、物料、人员等海量的数据资源，向上承载各类业务应用，达到选煤各系统间的数据统一管理、互联互通、融合共享、智能联动的功能。综合管控平台基于工业互联网架构设计，创新性地通过微服务的架构把煤炭行业专用大数据分析工具、人工智能、工艺生产原理、专家经验、专家集群知识等工业知识组件化、封装化、软件化成微服务模型，为平台上各类应用软件赋能。基于以上内容，构建智能化选煤厂架构为“一平台、四系统”即：基于工业互联网架构的综合管控平台、基于机器学习与人工智能的选煤智能控制系统、基于数字孪生技术的智能协同管理系统、基于群智感知的智能安全环保系统、基于知识与数据协同驱动的选煤智能决策系统，如图 1 所示。
图 1 智能化选煤厂建设路径
选煤厂的智能化建设是建立在物联网技术之上的，融合了自动化、传感技术、信息化软件应用以及人工智能等多个学科领域的知识。这种融合使得选煤厂能够实现设备的智能运行、生产系统的自适应调整以及工艺参数的智能化设定。为了构建此智能生产指挥系统，需要深入理解选煤厂的生产流程和实际情况。该智能系统的网络结构设计主要是为了收集设备全生命周期的各种数据，并在各层级展示、分析和应用。
在提高装备稳定性和工业自动化水平的基础上，以现代主流信息技术和人工智能技术为手段，通过安装传感器和监控设备，实时采集选煤厂各个环节的数据，如原料性质、设备运行状态、产品质量等，以便进行实时监控和分析。利用大数据技术和人工智能算法对采集到的数据进行处理和分析，实现对选煤过程的优化调控，提高生产效率和产品质量。同时引入自动化控制系统，实现选煤厂设备的自动化运行和调节，减少人为干预，提高生产效率和稳定性。加大智能化设备应用，选择智能化设备如智能筛分机、智能破碎机等，提高设备的智能化程度，减少人工操作，提高生产效率。通过智能化技术优化选煤厂的能源利用效率，减少能源浪费，同时关注环保要求，降低排放物的产生，实现绿色生产。最终将各智能化设备和系统进行集成，实现信息共享和协同工作，同时定期进行系统升级和优化，保持系统的先进性和竞争力。智能化选煤厂建设架构由智能化基础设备层、控制层、管理层、决策层及平台层组成，如图 2 所示。
（1） 智能化基础设备层：包括智能筛分机、智能破碎机、传感器等智能化设备，用于实时监测和控制选煤过程中的各个环节。通过传感器和监控设备采集选煤过程中的各种数据，包括原料性质、设备状态、生产参数等，并通过网络传输到数据整合处理。
（2） 管理层：建立监控与管理系统，实现对选煤过程的实时监控和数据分析，同时支持远程监控和管理，确保选煤厂的安全运行和高效生产。（3） 控制层：利用大数据技术和人工智能算法对采集到的数据进行处理和分析，实现对选煤过程的优化调控，提高生产效率和产品质量。包括自动化控制系统和智能化设备控制系统，减少人为干预，提高生产效率和稳定性。（4） 决策层：基于集团云平台、大数据和人工智能，将各智能化设备和系统进行集成，实现信息共享和协同工作，确保系统各部分之间的协调运行和高效配合。从而实现选煤智能一体化生产、管理、营销等工作。智能化选煤厂实现设备智能化、数据智能化、生产智能化，提高生产效率、产品质量和生产安全性。智能选煤厂数据中心是整个智能化选煤系统中的核心部分如图 3 所示，主要用于集中管理和处理选煤过程中产生的各种数据，提供选煤厂大样筛分、生产数据、技术检测及煤质化验数据等生产信息一键导入窗口，数据录入人员根据要求，手动录入相关信息并上传至数据平台，系统自动提取各类数据，自定义生成各类生产报表、煤质报表，同时，系统支持录入系统历史数据查询、自定义时间维度数据查询，自动生成各类曲线图及报表。平台层是对智能化基础设备层、控制层、管理层和决策层的串联整合与升级，将各系统的生产管理数据以形象化的图表形式在 PC 端与移动端进行展示，同时基于多种交互软件 APP，实现管理者决策的下发，加强管理者对整个系统的把控水平。智能化选煤厂通过工业环网与智慧矿山平台及数据库相连接，所有数据采集、存储、共享的格式、接口及各种工业数据库都与矿井相一致，为统一的数据中心及选煤大数据中心预留接口。
随着智能化选煤厂技术的不断迭代，不仅将驱动选煤厂经营模式、管理模式和生产方式的全面转型，而且会产生一系列积极的连锁反应。智能化将精细化选煤厂的管理，提升单位效率，能够促进员工对智能化设备额系统的操作能力和维护能力，进而增强企业竞争力。通过引入、消化先进的技术和新一代智能化系统，实现选煤生产过程的自动化、数字化和智能化管理。智能化选煤厂降低了吨煤洗选成本、减少水、电等能源损耗，实现可持续发展和环保生产。在建设智能化选煤厂的过程中，充分利用物联网、大数据、人工智能等先进技术，建立数据中心、智能控制系统，实现设备的互联互通和智能化运行。同时，加强人才培训和技术创新，不断提升生产管理水平和技术能力，以适应市场需求和产业发展的变化。智能化选煤厂的建设需要综合考虑技术、管理、人才等多方面的因素，不断优化生产环节流程、提高单位生产效率，实现可持续发展和产业升级。在未来智能化选煤厂能够在技术创新和管理创新的双重推动下，为我国煤炭行业的发展做出引领作用。
