Abstract: Yanzhou mining for coal preparation plant equipment intelligent management and operation research, actively use the existing application of the new technology, and the relevant units to carry out scientific and technological research, especially the CIMS etc. results are successfully applied in Yanzhou mining area coal preparation plant, good results have been achieved.

Key words: Coal preparation plant; Equipment; Intelligent; Management; Operation

【中图分类号】TD94 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）04-0000-00

1 引言

近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿认真分析选煤厂设备的智能化管理与运行问，积极应用当前已有的适用新技术，并且与有关单位共同开展科技攻关，取得了一批很有价值的研究成果。

2 CIMS环境下选煤厂集成设备管理系统

设备管理对属于连续型生产过程的选煤特别重要，因为流程中任意一道工序的设备出现问题都会影响整个洗选过程。我国选煤行业的设备管理方法和手段的落后，一旦发生设备事故，只能靠人工经验诊断其原因，而且检修计划的制定主观性较大，造成有些设备检修过剩或不足，不仅影响正常生产，而且设备事故及检修费用也大为增加。为此，中国矿业大学煤矿机器人与CIMS研究中心、兖州矿业（集团）公司物资部开展CIMS环境下选煤厂集成设备管理系统的研究，避免选煤生产中的设备信息堵塞，保证生产有序进行，降低煤炭产品的生产成本，提高产品的竞争能力。

（1）选煤厂CIMS系统

选煤厂CIMS（计算机集成制造系统）由决策管理（DMS）、生产调度（PSS）及车间自动化（WA）3个应用分系统和数据库（DBS）及网络（NET）2个支持分系统组成，设备管理在3个应用分系统中都占有相当重要的地位。在CIMS环境下将选煤厂设备管理各层当作一个整体进行优化，对原有的设备管理职能重构，建立集成设备管理系统，使得生产加工过程中的设备信息及与之相关的信息通过多种通信手段及时反馈给相关人员或设备，相关人员或设备及时做出正确决策，并将决策信息快速下达给相关部门、人员或设备，从而作出相应的行动，避免生产中的设备信息堵塞，保证生产有序进行。

（2）系统体系结构及功能

选煤厂 CIMS集成设备管理系统包含设备购置计划、保养、维修、运行、申请报废等阶段，涉及厂设备管理人员、岗位工人、巡检人员、维修人员等许多工种，其间的关系纵横交错，有必要建立合理的系统体系结构。基于选煤厂设备管理的需求和CIMS的整体结构，此项研究将选煤厂CIMS集成设备管理体系结构分为厂级、调度级和车间级三级。

①厂级是选煤厂CIMS集成设备管理体系的指挥部门。负责设备购置计划，从宏观上把握设备的运转、管理情况，需要了解车间设备管理的统计情况，如设备完好率、维修费用、事故费用所占比重，调配全厂设备，大体安排每月设备维修日期等。他们在厂级建立如下功能模块：设备购置管理模块制定设备购置计划，查询设备市场信息；设备台帐管理模块以多种方式查询设备基本情况、所属的配件及其辅机，对设备使用单位、使用地点、技术参数等变更信息根据需要随时更新，设备报废时从设备台帐中删除；设备检修管理模块主要查询各车间申报的设备检修计划安排情况、上月设备检修情况（包括计划完成情况和计划外设备检修情况），据此制定全厂本月设备检修计划；设备事故查询与统计模块分类查询和统计全厂设备事故情况，找出事故多发单位和设备，使设备管理有重点与针对性；设备管理考核模块通过设备完好率、事故率、维修费用、事故费用等管理指标对各车间设备管理状况进行考核。

②调度级是选煤厂设备管理的调度部门。根据每日作业及外运车皮情况安排各车间设备的运转、检修时间，将有关设备运行参数的检测信息传到调度室；设备在运转过程中出现事故时由岗位工人或巡检人员立即报告给调度人员，调度人员根据事故的轻重缓急决定是否需要立即停车、改变加工设备流程、立即检修，并将事故情况汇报给设备所属的车间技术主管。他们在调度级建立如下功能模块：调度辅助专家系统模块根据每日生产、外运任务和工序能力集中安排各车间设备的运转、检修时间；设备运转状况监视模块将重要设备运行参致的检测信息在微机上动态显示；设备事故诊断模块通过现场经验及设备运行规律建立设备事故数据库，通过查询事故库和设备检修库判别设备事故部位及原因，并提供本次事故的维修方法。

③车间级是选煤厂CIMS集成设备管理体系设备信息的主要来源。每天、每班由巡检人员对设备巡回检查并做好巡检记录，一旦有设备事故隐患立即报告本车间技术主管，根据设备运转情况确定合理的加油时间及加油量，定期检修设备，制定设备检修计划及需要的零部件并做好检修记录，对设备事故情况进行统计，抓住事故多发设备强化管理。车间级是最基本也是最重要的设备管理部门，设备管理的好坏从根本上由此部门决定。他们在车间级建立如下功能模块：设备检修管理模块制定月检修计划，记录设备检修情况，查询计划执行情况；设备事故管理模块记录事故发生情况、处理方法，查询各车间事故情况，找出管理的薄弱点；设备巡检管理模块填写巡检记录，查询设备运行状态、巡检周期，必要时对巡检项目更新；设备润滑管理模块填写润滑记录，查询设备润滑情况，统计润滑油年用量，编制月润滑计划。

（3）与其它子系统的接口

在选煤厂CIMS集成设备管理体系中，设备管理系统与CIMS其它子系统信息交互频繁。其中主要的如：物料管理子系统根据配件与设备的关系及配件的类别合理确定配件的贮存定额，由月检修计划确定配件的月需求量；生产管理子系统根据制定的生产任务确定检修设备及时间；工艺规划子系统根据提出的工艺要求确定设备性能的维护、保养目标；质量管理子系统根据设备的实际能力确定合理的产品性能指标。

3 南屯煤矿典型的选煤厂CIMS系统

兖州矿业（集团）公司南屯煤矿选煤厂针对流程工业的特点，应用计算机集成制造系统（CIMS）进行选煤厂集成设备管理，收到强化现场管理、实现信息共享、降低原煤加工费用、优化产品结构的显著效果。

（1）南屯煤矿选煤厂CIMS系统构成

他们针对选煤厂规模集中、系统简捷、生产经营管理层次比较少的特点，结合CIMS的功能需求，采用工厂层、调度层和车间层的三层递阶控制结构。其中，车间层包括设备层；调度层承上启下，体现了选煤厂的生产经营特点。决策管理分系统由经营决策、生产管理、质量管理、技术管理和辅助管理5个功能模块构成；生产调度分系统由调度管理、生产监督与集控和质量监督3个功能模块构成；车间自动化分系统由车间管理、质量控制、生产过程监控和产品加工4个功能模块构成。生产过程监控包括原煤、洗煤、压滤、辅助生产过程监控和储运过程监控。决策管理、生产调度、车间自动化3个应用分系统功能构成在实现各层横向集成的同时，重点兼顾纵向集成，即管理信息功能集成、质量保证功能集成、生产过程自动化功能集成。

（2）南屯煤矿选煤厂CIMS系统功能

选煤生产的集中控制是选煤厂自动化的基本功能要求，由于南屯煤矿选煤厂已经有了MODICOM的984PLC构成的集控系统，因此他们在实施CIMS的时候只是对它进行相应的改造与扩展，以实现对选煤厂的大部分重要设备进行集控。其主要的功能有：全厂设备的顺序启停，设备运行状态监视，软件逻辑闭锁及手动停车优先，手动/自动转换与急停，设备及流程选择，故障自动诊断、报警与保护等。生产设备的集中控制本应属于车间自动化范畴，但是考虑到我国选煤厂都将集控系统放在调度室，并且与调度室的模拟盘相配合，构成生产过程的监视与控制系统，因此他们在设计选煤厂CIMS的时候仍然将其设在调度室。

4 兴隆庄选煤厂多媒体网络监控系统

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿选煤厂是由煤炭工业济南设计研究院与美国R/S公司联合设计、年入选原煤300万t的大型现代化选煤厂，属于我国当时工艺、设备比较先进，自动化程度较高的选煤厂。此后，随着科学技术的不断发展，特别是计算机在生产管理、工业自动化控制方面的广泛应用，该厂先后与中煤国际工程集团平顶山选煤设计研究院及中国矿业大学等单位合作，共同完成选煤厂微机监测管理、控制系统、光纤工业电视监视系统、煤质分折电脑信息反馈网络系统、设备故障诊断系统，但是这些系统是相互独立的，不能实现信息资源的交互共享。为此，他们建立兴隆庄矿选煤厂多媒体网路监控系统，并通过与Internet网的有机结合，为实现选煤厂CIMS奠定基础。

（1）建立兴隆庄矿选煤厂多媒体网路监控系统

兴隆庄矿选煤厂多媒体网络监控系统是集选煤厂微机监控管理信息系统、生产信息反馈系统、设备故障诊断系统、生产工艺动态图形监视光纤工业电视图像及音频信息于一体的新型处理模式，将微机监控信息、设备故障诊断信息、生产反馈信息、工业电视闭路电视图像及多媒体数据库的管理信息传送至有关厂领导及车间，为正确指挥生产、及时调整、分析生产结构提供方便、快捷的手段。

（2）兴隆庄矿选煤厂多媒体网络设计

①系统设计原则。兴隆庄矿选煤厂多媒体网络监控系统充分结合原有的微机监控管理及各种计算机信息的应用现状，兼容和包含原有设备的投资，保护原有硬件和软件资源；充分发挥和应用原有的多媒体网络技术，并考虑今后的业务需求和技术发展，便于系统扩展，保持技术的连续性；采用先进技术的同时，尽量降低系统造价，提高系统的性价比。

②系统配置及功能。建立多媒体信息处理中心，设置Pentium网络服务器，用于网络视频数据管理服务器，配置多媒体的节目编辑创作和播放制作设备，服务器上设网络结构，使多媒体工作站与服务器访问带宽增加至200Mb/s，服务器与工作站的互联，采用堆叠式HUB，具有较高的访问效率；在厂领导及车间办公室设置多媒体工作站，配置高保真声卡，三合一MPEG全屏实时解压卡、电视视频播放卡、有源音箱及红外触摸屏、100BASF-T网卡，通过多媒体网络监控系统可以在各个办公室共享厂生产工艺动态模拟图、工业电视图像、CD-ROM播放资源及闭路电视节目；通过光纤与上级单位如兴隆庄矿调度及兖州矿区调度联网，共享资源。

5 鲍店选煤厂跳汰机集散型自动测控系统

生产过程自动控制系统的推广应用是近年来国内选煤厂的突出特点。它明显提高了太型工业企业的技术水平、自动化水平和现代化管理水平，对提高产品质量、劳动生产率、降低原材料、增创企业效益具有重要意义。兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿选煤厂是设计年入选原煤300万t的大型炼焦煤选煤厂，主洗设备主要由4台LTG-15跳汰机组成。自从推广应用跳汰工艺检测和生产过程集散型的自动测控系统后，减少跳汰产品的灰分波动，跳汰机的数量效率提高4%，斗式提升机的带煤量也有所降低，年创经济效益500多万元。

（1）跳汰机自动测控系统结构性能

这个厂的跳汰机自动测控系统主要是由跳汰机床层自动控制装置、通讯网络和操作站等组成的。安装在工业现场的每一个独立的床层自动控制装置用于对1台跳汰机的手动/自动控制。控制柜设置1台CS910两回路智能式可编程序调节器，可同时对跳汰机的I、II段放料闸板和排料滚轮进行双重自动控制。除了主要用于床层的自动控制外，还配置了后备手动操作必须的检测、操作、指示等仪器、仪表，以保证故障状态下的连续生产。他们利用可编程序调节器的通讯功能，把4台床层自动控制装置通过通讯网络，将各台跳汰机的工作状态及运行参数送至主要由工业控制计算机组成的操作站，通过彩色CRT集中监测各台跳汰机的运行状况，并且可以在操作站通过键盘修改各台跳汰机的运行参数。

（2）跳汰机自动测控系统应用效果

鲍店煤矿选煤厂的运行实践证明，床层自动控制装置具有多种显示控制、自编程功能，完全可以脱离操作站独立完成对跳汰机床层的实时检测和自动调节，较好体现集散系统把危险、控制分散及监视管理优化集中的控制原则，取得较为满意的应用效果；这种集散型控制系统在跳汰选煤过程中的应用，极大减轻岗位操作工的劳动强度，提高跳汰过程控制的技术水平和现代化管理水平，为合理控制跳汰产品灰分以获得更好的经济效益创造了有利条件。

6 跳汰机新一代高档控制系统

T1-DK10系列跳汰机控制系统是以可编程序控制器（PLC）为核心，以触摸屏（HM1）为操作和显示单元的高档控制系统，是中煤国际工程集团平顶山选煤设计研究院为配套选煤厂新型X系列筛下空气室跳汰机而开发、设计、制造的新一代控制装置，通过预先编好并储存在PLC里的控制程序对跳汰机的风阀、排料和稳风等系统进行自动控制。此系统配置的触摸屏把操作和显示单元集成到一起，开发出的操作程序具有十分生动形象的人机界面，自从在兖州矿业（集团）公司南屯煤矿选煤厂和淮南矿业（集团）公司谢桥煤矿选煤厂等处投入运行以来，可以方便直观地对跳汰机进行在线监视、操作和修改各种工作参数，以保证跳汰机分层良好、排料准确，使其具有较高的处理量，稳定提高了产品的质量。

（1）硬件构成

①控制单元。选用施耐德公司Modlcon PLC作为控制系统的核心。其配置为CPU、通讯口及通讯电缆、电源模块、存储器、数字量输入输出模块、固态继电器输出模块、模拟量输入输出模块等。

②操作及显示单元。选用日本Digital公司高档工业级GP触摸式彩色显示控制屏作为人机界面，集操作及显示为一体。触摸屏RS232口与 PLC通讯口用专用通讯电缆相连接，在工作中以通讯方式进行数据交换。

③输入及输出单元。输入单元由PLC配置的继电器输入模块、模拟量输入模块等组成。输出单元由PLC配置的数字量输出模块、固态继电器输出模块、模拟量输出模块等构成。

④其它。系统配置的其它硬件还有110/24V电源、继电器、柜体及电磁风阀、液压站、风压传感器、浮标和闸门传感器、电动调节阀等。

（2）人机界面

①跳汰机控制中的人机界面。跳汰机在洗煤过程中的工作状况经常发生变化，需要1个既能显示又可操作的器件对其进行干预。这种器件就是人机界面。触摸屏可以动态表现跳汰机、液压站及其周边设备的工艺流程和显示各种实时的数据曲线及报警信息，并且具有独立的参数调节按钮与显示窗，使跳汰机司机不再需要记住任何参数代号，操作简单容易掌握，对跳汰机及其相关设备发生的各种报警信息一目了然。此外，针对各个选煤厂现场的实际情况，还可以很方便地增减监控画面或者修改监控画面中的内容。

②跳汰机自动控制系统的触摸屏。触摸式彩色工业图形显示器是一种连接人和机器的界面（即通常所说的HMI或者MMI）。触摸屏是取代传统控制面板和键盘的智能化操作显示器，以曲线、动画等形式描绘自动化控制过程，方便直观地进行参数设置、数据显示，简化控制程序。与模拟仪表、操作面板相比，触摸屏体积小、占空间小；工业级保护和配置，性能可靠；接线少，简单方便；人机界面生动直观，容易掌握；显示画面信息量大；电阻式触摸按键抗干扰能力强；采用液晶作为显示材料；除计算机接口和与PLC连接的串、并行通讯接口外，还有打印机接口、具有通用输入输出点的AUX口等，应用范围广泛；可以把开关、指示灯及各种指示仪表都组态到触摸屏上，不仅节省面板上大量开关、指示灯及各种指示仪表，还省去PLC原来对应配置的输入输出点，减小PLC系统配置规模。基于以上特点，利用触摸屏作为操作和显示单元使跳汰机控制柜表面简洁美观，节省控制柜空间，减少很多柜内硬接线和故障点，极大降低现场安装维护工作量，节约资金。因此，触摸屏特别适用于跳汰机的自动控制系统。

（3）软件构成

软件包括可编程序控制器中的跳汰机控制程序和触摸屏中的跳汰机监控程序。控制程序主要分为风阀系统、排料系统、稳风系统控制和周边设备及故障报警。监控程序包括以动画形式表现控制过程，离散点ON/OFF表示，参数设置及数据显示，棒图、容器图、趋势图及各种仪表表现，各种报警动作显示，报表及报警信息打印，通过触摸屏调节操作画面中设备参数项目来改变可编程序控制器内部状态及存储器中的数值，从而参与跳汰机的过程控制。

7 杨村煤矿选煤厂洗煤机控制系统

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿选煤厂是一座设计处理能力为20万t/a的矿井型简易选煤厂，主要目的是处理本矿半煤岩巷道掘进中产生的脏杂煤。该厂的洗选设备采用LX-18型螺旋圆筒洗煤机，初期控制方式为手动，操作系统简陋，设备运行状态及洗选工艺技术参数既无监测又无显示，控制自动化程度较低，影响了分选的效果和设备的安全、高效、合理运转。为了提高脏杂煤选煤厂的自动化程度，使控制系统能够更好地适应生产的需要，这个厂成功地应用PC技术对原控制系统进行了技术改造。

（1）系统组成

新研制的螺旋圆筒洗煤设备控制系统主要由微机控制柜、密度计、加水装置、连接电缆等零部件组成。其中，控制柜的核心为SZ-4型可编程序控制器，可以根据系统的需要选择相应的I/O模块，配置灵活、使用方便。密度计由管外式传感器与二次仪表组成，二次仪表装于控制柜面板上；加水装置由加水电磁阀、过滤器、球阀等零部件组成。控制柜与电源、累时器相连接，控制输入开关按钮28路、程序启动1路、程序停止1路、就地停止1路、密度上限1路、密度下限1路，控制输出给煤机、原料带式输送机、末煤筛泵、块煤筛泵、矸石筛、分选筒、末煤筛、块煤筛、精煤带式输送机、移动式带式输送机、电磁阀、预警电铃，并且将信息输送给编程器、模拟显示屏、密度计和数字式电压、电流表。

（2）控制原理

控制系统设有程序、集中、就地3种工作方式，通过控制柜面板上的方式转换开关进行选择。在程序状态下，由可编程序控制器预先设定的程序自动完成设备的启动与停止；在集 中状态下，通过控制柜面板上的手动按钮，可以按照规定的顺序逐台开、停被控制的设备；在就地状态下，可实现单台设备“一对一”的开停，以完成单台设备的调试及检修。通过装在洗煤介质管路上的密度计探头，利用管内物质对射线的吸收，由二次仪表运算处理后，实时监测系统中的介质密度值，并通过上、下密度值的设定，由可编程序控制器控制电磁阀的启、闭，实现洗煤过程中水量的调节，以达到较为合适的洗煤介质密度，进而实现较为理想的分选效果和产品质量；同时，控制系统还通过数字式电压、电流表和累时器等对设备运行状态进行监测。

（3）主要零部件及技术参数

①SZ-4型可编程控制器。此控制器采用模块化结构，EEPROM作为用户存储器，采用梯形图/级式语言编程，具有较高的性价比、较强的现场抗干扰能力和运转可靠性。SZ-4型可编程控制器技术参数如下：开关量I/O为128点；处理速度为2.5U_S/201W；存储器容量为2560W；电源电压为AC85～264V；通讯端口为2个；环境温度为0～55℃。环境湿度为3O%～95%。

②SY-5100型工业密度计。此密度计属管外式非接触测量密度计，根据穿透被测对象的γ射线的衰减量来检测介质的密度值，具有测量精度高、抗干扰能力强、安装维护方便等特点。SY-5100型工业密度计测量范围为0.05～6g/m³，适应管径为50～500mm，精度等级为0.1%。

（4）硬件及软件

①硬件。选用具有8槽Z-08B型电源框架框架的SZ-4型 PLC为AC85～264V，并配置1块CPU模块≤12点，2块8点输入模块I₀、I₁为DC24V（Z-8ND1)，4块8点输出模块Q₀、Q₁、Q₁、Q₃为DC24V/AC220V（Z-8TR1)。

②软件。此系统软件采用模块化结构、梯形图与级式语言相结合的编程方式，其程序存储器采用EEPROM，容量2560W，使用S-20P型指令编程器编程，编程简单方便，控制内容容易改变。程序内容主要由开车、停车、就地急停、密度上限、密度下限等部分组成。

8 取杂器自动跟踪脉动水流的研究

杂质含量是精煤产品的重要考核指标，尤其是出口精煤，因杂质含量超标而遭处罚的事屡有发生。为此，各选煤厂都在采取措施，以提高精煤的外在质量。目前，国外一般在原煤入选前采用立轮等专用设备，利用漂洗法先行去除原煤中的轻软杂质；我国大多数采用跳汰法选煤的选煤厂，由于没有安装专用设备来清除，且受厂房结构及空间限制，很难采用立轮等设备，一般都采用人工捡选来排除。为了提高精煤的外在质量，需要针对原有条件研制一种轻软杂质清除装置，而取杂器自动跟踪跳汰机脉动水流是这一装置的关键。在兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿选煤厂研制的精煤产品轻软杂质液压驱动清除装置中，取杂器可以自动跟踪跳汰机的脉动水流，清除率达到90%以上，投资少、适应性强，尤其适用于老厂改造。

（1）方案确定

从人工拣选的情况看，杂质以木块为主，并有少量的炮线、棉纱、橡胶及金属制品，木块的密度小于精煤密度，而其它杂质的密度与精煤基本相同。在跳汰选煤中，为了把轻软杂质取出，他们做了多次试验。试验表明，利用筛板取杂器可从跳汰溢流口的上层溢流中切割出绝大部分木块，但同时也有少量煤块被切割出来。这种现象说明，煤和木块在跳汰机中已得到充分分选；木块处在床层的表面，只是由于水流太急而目测不到。为此，如何使取杂嚣自动跟踪脉动水流是关键。只有取杂器与脉动水流的动作一致，才能将已经分选并处在煤层上面的轻软杂质有效地切割出来。他们经过多种方案试验、比较，最终选用了液压驱动系统。

（2）液压驱动系统设计

①设计指导思想。通过液压驱动使取杂器跟随跳汰机脉动水流上下运动，达到既使轻软杂质有效切割出来又使取出的煤尽量少的目的。液压驱动系统设计必须达到如下要求：a.取杂嚣的运动与脉动水流的运动基本一致。为了达到有效清除杂物的目的，设计目标是使取杂嚣与水面保持相对距离基本不变，根据跳汰机的脉动水流特性，系统要做到相位一致、运动速度一致、频率一致。b.系统结构紧凑、安装方便、操作简单，并且具有手动和自动两种功能。c.系统的动作频率高达50～60rpm，而且连续长时间运行，液压驱动系统应当可靠性高、动作平稳。

②技术关键

他们在设计中采用了以下保证措施：a.取料器在脉动水流中的初始位置要适宜，过高则不能将已分选出的轻软杂质有效割除，过低则切割出的煤过多，设计采用了手动方式，工作中可根据实际情况加以调节，不受进排气电磁阀控制信号的影响。b.取杂器控制电磁阀信号取自与数控风阀控制电磁阀相同的信号，理论上可保证取杂器与脉动水流的初相位完全一致，但试验发现取杂器的运动要比脉动水流的运动超前一个相位，这是因为从进排气阀动作到脉动水流运动有一个停滞时间，而液压系统响应速度快，从电磁换向阀动作到液压缸动作时间很短，两者初相角相同时往往取杂器先动作。要解决这一问题，可在调试时将控制液压驱动系统中的电磁换向阀信号作一延时调整，直到两者动作协调一致为止。c.液压驱动系统的电磁换向阀控制信号取自于控制数控风阀的可编程控制器，通过调节可使其周期与脉动水流一致，保证其动作频率相同。d.在液压缸的出油口设置节流阀，构成出口节流调速回路，可调节液压缸的运动速度，使取杂器与脉动水流的运动速度基本相同。