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选煤厂数字孪生体系架构及应用
摘要:
该文针对选煤厂数字孪生系统建设的需要,基于斐伏尔空间三元辩证法,构建起选煤厂环境下物理空间-信息空间-社会空间的信息流转化模型,为选煤厂日常生产运营管理中的复杂时空过程精细模拟分析,以及更精准的诊断性和预测性空间智能服务。该文通过对数字孪生过程中涉及的泛在感知、多层级可视化模型构建等问题的探讨,最终构建起设备健康诊断、生产安全管理等主要应用场景,为选煤厂数字孪生系统建设提供帮助。
关键词:三元空间、数字孪生、信息传递、泛在感知
作者信息:胡玉玺,男,1990.10.30出生,甘肃平凉,硕士研究生,主要从事选煤厂智能化建设研究。
1、引言
矿山的建设,逐步经历了单机智能化、综合智能化和数字化的发展历程。顺应矿山智能化建设的需求,智能化矿山建设全面展开。洗选加工作为煤炭生产过程中提质增效的重要环节,相较于露天和井工开采所面临的不确定性及空间模型更新的压力,选煤厂在物理环境中的变化相对较少,在泛在感知技术的协助下,能够对煤炭洗选加工过程中“人、机、料、法、环”全环节进行感知,为构建数字孪生选煤厂提供了良好的条件。
依据列斐伏尔空间三元辩证法,智能选煤厂的建设、生产、运行、管理可以看成三元空间的耦合,建立三元空间之间的映射规则,从而实现物理空间、社会空间和信息空间之间的统一,最终通过在虚拟的信息空间中发现、分析从而提出解决方案,最终指导选煤厂的生产运行。这也和人类通过物理现象观察(取样),然后基于观察和思考用大脑粗象构造模式最大程度地形成知识,从而达到快速认识世界的过程相一致。
选煤厂数字孪生,是在实景三维和三维可视化基础上的纵深发展,符合数字化、信息化向智能发展的技术演进路线,能够满足智能化建设中从数据服务、信息服务到知识服务的需求变更。但是选煤厂数字孪生的建设,仍面临着严峻的考验,本文将从选煤厂数字孪生技术架构、关键技术研究及应用三个方面,探讨选煤厂数字孪生系统建设内涵,以期为选煤厂数字孪生系统建设提供新的思路。
2、选煤厂数字孪生信息流传递模型架构
在列斐伏尔空间三元空间中,实现信息从物理空间到信息空间再到社会空间中的传递和互相作用,需通过传输网络打通物理空间和信息空间之间的连接,并通过人机交互方式,打通信息空间和社会空间之间的连接,最终实现信息在三元空间内的传递。
其中,物理空间中主要以设备和传感器为主,包括以给煤机、胶带机、浅槽分选机、重介旋流器为主的生产设备以及进行环境监测和设备振动、温度监测为主各类传感器,实现整个物理空间的泛在感知。传输网络以4G、5G、WIFI6、工业环网为主,实现传感器采集数据的上行与下发。在信息空间中,通过接收来自物理空间的给类数据,通过数据缓存、清洗、存储、挖掘、建模,构建包含生产运营、机电管理、安全管理、评估评价在内的各类模型,进一步通过空间关系、时序关系、因果关系的梳理,挖掘各类模型之间的内在机理,通过人机交互的方式,反馈社会空间。在社会空间中,主要通过信息空间反馈的知识机理,进行智能管理和智能决策,指导整个选煤厂的生产运行。三元空间理论下选煤厂信息流传递模型图如下图所示:
图:三元空间理论下选煤厂信息流传递模型图
3、数字孪生关键技术研究
数字孪生助力选煤厂生产、运营、安全、环保、决策等全生命周期,实现选煤厂数据体系标准化、生产流程透明化、选煤信息精细化和选煤决策智能化,为了实现一般区域无人化、关键区域少人化的黑灯选煤厂,需以泛在感知、多层级建模、基于流模型的选煤数据传递模型等方面进行突破。
1、选煤厂泛在感知系统
泛在感知是建立物理空间和信息空间的桥梁,研究建立选煤厂全区域的智能感知体系,需要从工艺参数感知、设备感知、人员感知、环境感知等不同方面进行建设。
1)工艺参数感知
通常,在以重介浅槽分选为主的选煤厂中,建立工艺参数泛在感知,需要包含分选环节、煤泥水处理环节、上仓配煤环节、装车环节等,在分选环节,需着重实现原煤、精煤、矸石的灰分、质量感知、悬浮液性质感知以及分选过程中介质消耗量的感知。煤泥水处理环节,需实现煤泥水入料流量、浓度、粒度、旋流器溢流浓度、粒度以及浓缩池溢流浓度、底流浓度、沉降界面高度的感知,并需要对絮凝剂和凝聚剂的制备粘度、浓度、添加量等参数实现全面感知。在上仓配煤环节,以实现产品煤灰分、水分、质量感知以及商品煤煤质感知。装车作为最后的环节,需实现产品仓每个仓配煤量、缓冲仓吨位、定量仓吨位、溜槽的摆角、副溜槽伸缩量、定量仓闸门开启时机、列车的精准定位、列车留底煤识别、装车偏载评价、辅助喷洒量及详细参数的全面感知。在此基础上,需要对煤炭洗选加工过程中中煤流金属杂物、非金属异物进行全面感知,保护设备安全。确保商品煤煤质稳定。
2)设备感知
设备作为洗选过程中的核心生产工具,需实现电气设备电压、电流、功率在线感知,机械设备的温度、振动、
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