煤泥干燥生產線控制系統設計

王海群，張 瑋，曹曉華，王建民

（河北理工大學 計控學院，唐山 063009）

0 引言

我國煤產量越來越大，要求處理的煤泥也越來越多，滾筒干燥機的干燥煤泥技術得到了廣泛的應用。但傳統煤泥干燥系統的設備及其自動控制水平，使得它有干燥效果差和干燥溫度高低不穩(wěn)定的特點，影響了煤泥干燥的效率和產品的質量。因此需要設計新煤泥干燥系統，來提高煤泥干燥的自動化控制水平和改善控制效果。

1 煤泥干燥生產線系統概述

在煤泥干燥過程中，影響煤泥干燥質量的主要因素為滾筒干燥機的出口溫度。由于煤泥的含水量，隨不同批次的煤泥有所不同；煤泥物料的給進量也是有所波動的；而且煤泥干燥的環(huán)境溫度和系統壓力也將影響到煤泥干燥，所以滾筒干燥機的出口溫度是一個復雜被控對象。它將隨著干燥環(huán)境的變化而變化，即系統是一個時變系統，要準確的掌握它的運行狀態(tài)很困難，很難實現它的自動控制。在傳統的煤泥干燥過程中，大多數使用人工調節(jié)直接式燃煤加熱器來控制溫度。其調節(jié)過程十分粗糙，使送風溫度不穩(wěn)定且難以控制；同時加熱器的助燃風機處于全速運行狀態(tài)，燃料也不能合理、充分地燃燒，造成能源嚴重浪費。

為了使得煤泥干燥能自動控制溫度，就必須設計出新型加熱器及其控制系統。由于加熱器燃燒瓦斯廢氣比燃燒煤更加容易控制，即使用智能控制器調節(jié)燃氣閥門的開度就能實現煤泥干燥溫度的自動控制，所以設計的新型加熱器采用氣體燃料。這樣使得加熱器具有了結構簡單，體積小，穩(wěn)定性強和熱效應高等優(yōu)點，如圖1所示。設計選用BP神經網絡PID控制器控制滾筒干燥機的出口溫度。為了實現煤泥干燥系統的集中自動控制，在傳統煤泥干燥自動控制的不集中、控制設備的多樣性的基礎上，設計把所有設備的控制都完整的融入到唯一的煤泥干燥自動控制系統中，以此形成新煤泥干燥生產線的集中自動控制，并使用西門子S7-400PLC來實現。具體新的生產線系統結構如圖2所示。

圖1 新型加熱器的結構

干燥集中控制系統要對13臺流程設備進行控制。這些設備包括：振動給料機、來料膠帶機、破碎機、上料膠帶機、加熱器、給料機、干燥機、旋風除塵器、袋除塵器、空壓機、引風機、清水泵、出料膠帶機。其中加熱器為新型加熱器，它主要包括鼓風機、點火裝置執(zhí)行器、調溫裝置執(zhí)行器和各種閥門執(zhí)行器等設備。同時系統要對各種模擬量進行監(jiān)控，這里主要包括布袋入口壓力、排料出口壓力、引風風門開度、短路煙道開度、加熱器出口溫度、干燥入口溫度、排料出口溫度和布袋入口溫度。

圖2 新干燥生產線控制系統

2 煤泥干燥系統的控制要求

據新干燥生產線系統的結構，控制要求如下：

1）兩種控制方式：就地和集中?？刂品绞接刹僮鲉T在上位機上進行選擇。2）對系統的所有設備進行集中連鎖控制，對整個煤泥干燥設備的運行信號進行監(jiān)控，同時也要對整個系統的模擬量進行實時監(jiān)視。3）集中優(yōu)先原則。僅在就地方式下，工程人員可以在現場的電控箱啟/停設備。一旦操作員在集控室選擇了集中控制模式，位于設備現場的電控箱的“啟動”按鈕失效。在集中模式下，如果出現緊急情況，工程人員在現場可以停止設備的運行。4）試車功能。在集中解鎖模式下，提供了在集控室進行試車調試的功能。5）集中控制設備逆煤流啟動、順煤流停止。6）所有設備具有緊急停車功能，集中控制室的急停按鈕將停止所有設備。7）事故處理和記錄功能，實時顯示故障點和故障原因。8）實現滾筒干燥機出口溫度的BP神經網絡PID控制。

3 系統硬件設計

據煤泥干燥系統控制要求，設計選用西門子的CPU414-2 DP，其裝配有功能強大的處理器，使指令執(zhí)行時間僅為每個二進制指令 0.04 微秒，易于提高神經網絡的學習速度，可快速響應控制煤泥干燥的溫度。

如果系統完全采用西門子S7-400來實現，成本很高。為了降低成本，系統的輸入和輸出模塊采用ET200M來實現。選擇由一個IM153-x和多個S7-300的 I/O模塊組成。同時采用我們熟悉的S7-300技術，也降低了設計難度。即煤泥干燥的集中控制系統使用西門子PLC400系列的CPU，300系列的輸入和輸出模塊進行控制。

系統據硬件設備的輸入和輸出量來確定模塊的數量。其中包括數字量輸入43個，數字量輸出28個，模擬量輸入8個，模擬量輸出1個。于是選擇的模塊具體型號和數量如下：

1）電源：選用PS 405 10A 1塊 ；2）CPU模塊：選用CPU414-2 DP 1塊；3）ET200M機架 1個；4）ET200M電源：PS 307 5A 1塊；5）ET200M從站接口模塊：IM153-1 1塊；6）數字量輸入模塊：選用SM321 DI32×DC24V 2塊；7）數字量輸出模塊：選用SM322 DO32×DC24V 1塊；8）模擬量輸入模塊：選用SM331 AI8×16Bit 1塊；9）模擬量輸出模塊：選用SM332 AO4×16Bit 1塊

系統采用觸摸屏MP 377 19'' Touch做為人機界面，是控制中心。它為多功能面板（Multi Panels），是性能非常高的人機界面。它的操作系統為Windows CE 5.0 ，因無硬盤和無風扇運行的設計，可以承受劇烈振動或多塵等PC受限的惡劣工況。它比工控機要更加穩(wěn)定和節(jié)省成本。

4 系統軟件設計

煤泥干燥集中控制系統的軟件設計如下：

1）13臺流程設備的控制

（1）急停邏輯：系統急停時，要求切換到集中模式，所有設備停止；（2）狀態(tài)轉換邏輯：在就地/集中狀態(tài)之間無擾切換。（3）開車預告邏輯：在所有設備電源正常、未禁啟且無其他故障情況下，預告允許；在急?；蛲＼嚑顟B(tài)下，預告禁止。（4）開車邏輯：出料膠帶機→清水泵→引風機→空壓機→袋除塵器→旋風除塵器→干燥機→加熱器→給料機→上料膠帶機→破碎機→來料膠帶機→振動給料機。（5）停車邏輯：與開車過程相反，下游設備延時停止。任何設備故障停止時，聯鎖邏輯有效。（6）溫度控制方式的轉換邏輯：實現溫度的自動和手動控制轉換。（7）調試邏輯：能實現設備的單臺啟動試車和各種預設參數的調試功能。

2）閉鎖邏輯

（1）設備啟動遵循逆煤流啟動，順煤流停止的原則。（2）在某臺設備發(fā)生意外停車故障時，聯鎖停止上游設備。

3）煤泥干燥溫度的BP神經網絡PID控制

BP神經網絡PID控制器的結構，如圖3所示。大量MATLAB仿真表明在輸入層神經元數M=4，隱層神經元數Q=5時，其控制效果效果較好。

圖3 BP神經網絡的PID控制器

基于PLC邏輯控制，軟件采用分塊編程的方法。采用組織塊OB1、 15個FC功能和2個FB功能塊。

系統采用Winccflexible軟件來設計集控室操作員與整個集中控制系統交互的西門子觸摸屏界面。它負責監(jiān)視整個干燥過程的設備運行狀態(tài)、選擇自動或人工控制方式、配置系統模擬量的定標值和顯示其當前值和趨勢圖、捕捉并記錄設備啟動和運行故障等。

整個Winccflexible程序界面主要由主控制界面、流程監(jiān)視、工藝參數、集中手動控制、報警記錄、趨勢圖、參數設置等畫面組成。

5 結束語

該煤泥干燥生產線集中控制系統已在PLC硬件試驗臺上模擬實現。其有如下優(yōu)點：控制過程的高度集中和完整，操作更方便，故障處理更及時，運行穩(wěn)定、可靠；使用了新型加熱器，其燃燒瓦斯氣體，節(jié)省了煤資源，使煤泥干燥更加環(huán)保和高效；人機界面簡單清晰，易于監(jiān)視和操作設備的運行，而且使用的觸摸屏技術提高了監(jiān)控系統的穩(wěn)定性，降低了成本。因此這種新型煤泥干燥系統具有很高的應用價值和推廣價值。

[1] 金國淼.干燥設備[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[3] 劉華波,張赟寧.基于SIMATC S7 的高級編程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[4] 廖常初,陳曉東.西門子人機界面(觸摸屏)組態(tài)與應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.