电气设计赋能大海则选煤厂智能化建设研究_王坤.pdf

电气设计赋能大海则选煤厂智能化建设研究王坤(中煤天津设计工程有限责任公司，天津300120)摘要:与传统的选煤厂建设相比，智能化选煤厂建设使用了很多新设备、新技术，在设计、建设过程中也与传统选煤厂的建设有些不同。通过探讨选煤厂智能化设计和建设中需要注意和解决的问题，对新设备和新技术的使用及其带来的影响进行分析，以得到一个比较好的建设方案，最终达到促进选煤工业技术进步的目的。关键词:选煤厂;电气设计;智能化;统筹考虑中图分类号:TD948.9文献标识码:A文章编号:1005-8397(2023)02-0032-04esearch on intelligent construction of Dahaize Coal Preparation Plantenabled by electrical designWANG Kun(China Coal Tianjin Design Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300120，China)Abstract:Compared with the traditional coal preparation plant construction，the intelligent construction of coal preparation plantuses many new equipment and technologies，in the process of design and construction is also different from the traditional coalpreparation plant construction.Through the discussion of the intelligent design and construction of coal preparation plant need to payattention，the use and impact of new equipment and new technology that should be analyzed，in order to obtain a better constructionplan，and finally achieve the goal of promoting the progress of coal preparation industry technologyKeywords:coal preparation plant;electrical design;intelligence;overall consideration收稿日期:2022-05-29DOI:10.16200/ki.112627/td.2023.02.009作者简介:王坤(1975)，男，河北保定人，1999 年毕业于燕山大学工业电气自动化专业，工学学士，中煤天津设计工程有限责任公司高级工程师。引用格式:王坤 电气设计赋能大海则选煤厂智能化建设研究 J 煤炭加工与综合利用，2023(2):32351选煤厂智能化建设与传统选煤厂建设的不同选煤厂智能化将人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭洗选技术进行深入融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统(图 1)。与传统选煤厂以生产为中心相比，选煤厂智能化以管理为中心，在传统选煤厂设备保护传感器基础上增加了大量设备状态传感器和设备自动化执行机构，形成了全面感知。这首先增加了对配电的需求，大量的数据传输对控制器和传输网络也提出了更高的性能要求和安全要求。大量不同设备、不同格式、不同来源的数据使得数据管图 1选煤厂智能化建设参考技术架构理和数据存储也与传统选煤厂完全不同，利用大数据、云计算对数据的处理、加工和应用也需要相应的设备和网络给予支持。由此带来的配电、23煤炭加工与综合利用CAL POCESSING COMPEHENSIVE UTILIZATIONNo.2，2023通讯协议的选择、网络的规划、数据中心建设等内容都与传统选煤厂存在一些不同。2智能化对配电、控制的影响2.1智能化对配电的设计影响根据国家能源局印发 智能化示范煤矿验收管理办法(试行)标准:实现各种流程的启停操作，动态显示各系统机械设备运行状态、工艺、参数、数质量、仓位、保护信号、阀门/闸板的位置信息;重要及关键设备应具备在线温振状态检测功能;以及对煤质的在线测量、计量的要求和生产智能控制的要求等。这些标准和要求都需要增加相应传感器、仪表和执行机构等设备来实现。这些增加的设备一般都需要提供电源。2.1.1智能化对低压配电系统的设计影响选煤厂电气设计一般分为动力和弱电两个专业，智能化的电气设动力、弱电统一负责时一般不会漏项，但如果动力和弱电分开设计时应注意:传统选煤厂设计一般不会有较多的传感器和仪表，动力专业凭经验或多预留几个回路就可以满足要求。但选煤厂智能化由于增加的传感器、仪表和执行机构等设备较多，虽然单个设备的功率并不大，但许多设备如物位计、皮带秤、测灰仪、采样机、设备状态监控系统、门禁系统、网络交换机等都需要单独的供电回路，因此要求在做选煤厂智能化配电设计时需对这些设备进行统计，并根据设备对供电安全质量的要求，将其按一类、二类和三类负荷进行分类，然后在配电设计时充分考虑其配电回路，并预留不少于 10%的备用回路。对一、二类负荷建议采用双电源+UPS的方式供电，保证其信号的连续可靠。此外，为了简化配电系统，也便于现场维护，建议采用AC660V、AC220V 和 DC24V 3 种常用电压，尽量减少其它特殊电源电压要求的设备数量。这就要求在编制订货技术规格书中明确对设备的供电电源要求，尽量避免设备采用特殊电压等级。否则设备存在其它电源电压还需要增加转换设备，不但增加了故障点也增加了后期的维护成本。此外智能采制化等大型设备的用电功率较大，还需要核对供电系统是否具有足够的富余容量为其提供电源。当现有供电系统无法满足供电需要时，还需要考虑供电系统扩容改造的相关内容。2.1.2智能化对电缆敷设的影响传统选煤厂传感器数量较少，车间内的主要电缆为生产设备电机的动力电缆和生产集控系统的控制电缆。选煤智能化设计时增加了大量传感器，而且包括位置信号、温度、振动等信号多为模拟量信号，需要独立的模拟量控制电缆进行传输或采用 WiFi、ZigBee 等无线的方式传输。有线方式的传输信号稳定，并且可以为传感器提供长期稳定的供电电源，缺点是使用的电缆较多，而且许多如温度、振动等传感器布置的位置并不允许桥架敷设至传感器附近，从而使得其线缆需在桥架和传感器间穿钢管保护敷设。大量的钢管敷设在车间内并不宽敞的空间中，在视觉效果上也并不良好，尤其在改造项目中受限于已有的电缆桥架敷设路径和设备停产时间等因素的影响，优化空间有限时，其不良效果尤其明显。而且很多选煤厂在设计初期并未考虑这部分电缆，因此电缆桥架特别是控制电缆桥架也没有足够的余量来容纳，这时就需要考虑无线传输方式。无线方式虽然需要考虑给传感器增加供电电池、并需要定期更换电池，增加了部分维护工作，但也减少了电缆的使用，降低了电缆的施工费用和敷设的难度。此外选煤厂主洗车间内管道较多，电缆桥架常有敷设空间的限制，因此在设计时要充分考虑电缆桥架能够容纳的传感器和执行机构的电缆数量，也要充分考虑其敷设路径，使电缆桥架尽量接近设备，减少桥架外的电缆敷设，以保证较好的视觉效果。当空间可以满足电缆的敷设需要时，可优先考虑采用有线的方式，但当空间无法满足电缆桥架的敷设时，应考虑采用无线的方式，减少电缆的使用。此外如果电缆桥架和传感器布置由不同的人分开设计，传感器布置设计人应给电缆桥架敷设的设计人提供相关资料，以保证动力和控制电缆桥架能满足现场的实际使用需要。对于改建项目，必须到现场实际考察，根据现场已有的电缆桥架敷设情况和电缆的承载情况考虑能否利旧，如果现有桥架无法满足时，根据现场的实际情况考虑新增电缆桥架还是采用无线或者相结合的传输方式。2.2智能化设计对通讯协议的选择传统选煤厂的建设以生产为中心，传感器的332023 年第 2 期王坤:电气设计赋能大海则选煤厂智能化建设研究设置以安全生产、不发生重大事故和人身伤害为目的，传感器配置数量较少，其信号也多为开关量信号，产生的数据量很少，低速率的工业总线就可以满足通信要求。而选煤厂智能化以管理为中心，不仅要满足安全生产的需要，还能够满足对设备健康状态、生产系统和产品质量的动态调整需要，建立智能化动态管理系统。为此增加了大量的模拟量传感器，如电压、电流、速度、压力、温度、振动、开度等，传统工业总线的传输带宽无法满足智能化建设需要，也不满足 智能化示范煤矿验收管理办法(试行)的要求。因此选煤厂智能化建设时，设备通讯优先选择高速的工业以太网接口。需要注意的是，不同 PLC 厂家的工业以太网虽然物理接口一致，但通信协议并不一致，不能直接实现互联，还需要有专用的协议转换器(硬件)或专用的通讯插件(软件)才能使用，这需要在与多家 PLC 控制器进行通讯时特别注意，避免在施工时发生物理连接正常，但数据无法通信的情况。此外还有大量的保护传感器如电机保护传感器等基于成本的原因，使用的是传统 485 通信接口，需要通过网关转换为工业以太网接口。由于 485 协议的速率较慢，如果 1个 485 通讯链路接入的 485 通信设备过多，会严重影响这个物理链路的通信效率，造成数据的延迟。因此 485 通讯网关需要设计足够的的 485 接口数量，尽量做到 1 个 485 接口连接不多于 15个 485 设备，并预留接口，这样即保证现场的传感器数据传输质量，也能满足后期设备扩容的接入需用。此外，采用 WIFI、ZigBee 等无线的方式传输的设备也应具备以太网接口，以实现数据的传输与接入。2.3选煤厂智能化对网络规划设计的影响传统选煤厂一般分为生产集控网络、工业电视网络和办公网络。工控网通常采用工业总线或百兆工业以太网，网络结构通常为总线型(工业总线)或环形(工业以太网)，网络结构简单，交换机一般不具备网管功能。工业电视分为模拟传输和数字传输，如果为模拟传输的方式，一般为星形网络结构，传输的是模拟信号，无法直接上传至互联网;数字传输时，一般为星形网络或环形网络，通过专业软件处理后可直接上传至互联网，交换机一般不具备网管功能。办公网络一般为星形网络，为有线方式，供选煤厂管理人员在办公室使用，通常不布置到生产车间，网络可连接至外网，交换机一般具备网管功能也配有防火墙、网闸等网络安全设备。各网络之间一般相互独立，没有数据传输和交换。选煤厂智能化建设增加了大量可通信的传感器、设备在线监测、智能 AI 识别等数据传输的设备，而且由于大数据和云计算的需要，数据的传输也存在跨网传输，对网络的传输性能和安全性提出了更高的要求。生产集控网络不再仅局限于 PLC 或 DCS 内部的数据传输，还要考虑电力监控设备、电机保护器、变频器、可通信传感器等多种设备、多种协议的数据接入和传输要求。为了保证这些数据可以安全、畅通的传输，千兆工业以太网的传输是数据及时、安全传输的保证，如果建设条件允许，并为智能化建设预留后期空间，建议采用万兆工业以太网作为骨干网络，并满足千兆接入的要求。此外生产集控核心交换机也应具备三级网管功能，实现不同系统设备间的流量控制、优先级、VLAN 和白名单等管理功能。特别是白名单管理可以有效管理网络设备的上网权限，有效避免非法设备的私自上网，保证生产网络的安全。为避免病毒和其它网络非法入侵带来的影响，与其它网络连接时需根据需要配备单向或双向网闸，实现网络的隔离。工业电视网络根据摄像头的数量来考虑交换机的容量和端口带宽，由于选煤厂工业电视摄像头全覆盖、高清摄像机的普及和智能 AI 识别的需要，工业电视网络需要较大的带宽，优先考虑万兆交换机。并且由于摄像头的布置一般较为分散，交换机应有充足的光端口，来满足光纤传输的需要，减少光电转换带来的数据损失和故障点，简化