基于線性優(yōu)化算法的自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 勝 龐印華

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100124)

基于線性優(yōu)化算法的自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 勝 龐印華

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100124)

介紹了一種基于線性優(yōu)化算法的自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用在線煤質(zhì)儀實(shí)時(shí)采集煤質(zhì)參數(shù),然后系統(tǒng)以原料煤的煤質(zhì)參數(shù)為輸入變量,以設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)要求為約束條件,以煤種的價(jià)格構(gòu)成最低為目標(biāo),建立線性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并利用Excel實(shí)現(xiàn)了算法的求解。通過(guò)工控機(jī)組態(tài)軟件與Excel之間的DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù),系統(tǒng)成功地將優(yōu)化求解程序引入到配比控制環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了對(duì)原煤配比的實(shí)時(shí)調(diào)整。

線性優(yōu)化 變頻調(diào)速 在線煤質(zhì)儀 PLC DDE

為了提高煤炭的利用效率以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,利用不同品質(zhì)的原料煤配制符合使用要求的混合煤是當(dāng)今被廣泛應(yīng)用的有效方法之一。以往的自動(dòng)配煤專(zhuān)家系統(tǒng)由于受煤質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)的限制,當(dāng)原料煤的煤質(zhì)參數(shù)變化時(shí),不能對(duì)配煤比例實(shí)時(shí)地做出調(diào)整,從而導(dǎo)致成品煤的質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著煤質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷進(jìn)步,將煤質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和配比的優(yōu)化計(jì)算引入配煤控制系統(tǒng)成為可能。

本文在配比的實(shí)時(shí)、優(yōu)化計(jì)算和調(diào)速方式上進(jìn)行了改進(jìn),摒棄了傳統(tǒng)的離線式配比計(jì)算和調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)配比和變頻調(diào)速控制,使配比更精確,混合煤品質(zhì)更穩(wěn)定,達(dá)到了煤種的價(jià)格構(gòu)成最低的目標(biāo),同時(shí)也取得了良好的節(jié)電效果,有效降低了成本。

1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上將整個(gè)控制系統(tǒng)分為管理及監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層3層。管理及監(jiān)控層與控制層之間通過(guò) TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,控制層通過(guò)PLC的I/O模塊和RS485串口與設(shè)備層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(1)管理及監(jiān)控層。該層主要利用工控機(jī)和上位機(jī)組態(tài)軟件——組態(tài)王實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)控,包括對(duì)電機(jī)的啟停狀態(tài)以及速度大小、報(bào)警信號(hào)和混合煤質(zhì)量的監(jiān)控,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟?？刂埔约白冾l電機(jī)的調(diào)速控制,實(shí)現(xiàn)原料煤配比的自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整。

(2)控制層。該層主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制,主要由一臺(tái) PLC柜和一臺(tái)電氣控制柜組成。系統(tǒng)采用和利時(shí)L K系列大型PLC作為控制層主要設(shè)備,采集現(xiàn)場(chǎng)拉線開(kāi)關(guān)、料位報(bào)警信號(hào)和跑偏報(bào)警等信號(hào),利用 PLC的RS485接口,通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議讀取電子輸送帶秤、在線煤質(zhì)儀的信號(hào)和變頻器的速度信號(hào),同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的調(diào)速控制。

(3)設(shè)備層。設(shè)備層是控制系統(tǒng)的執(zhí)行層,該層將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)由控制層PLC采集,并接受和執(zhí)行來(lái)自控制層的控制命令。主要包括電子輸送帶秤、在線煤質(zhì)儀、變頻器和變頻電機(jī)、料位傳感器、拉線開(kāi)關(guān)、跑偏開(kāi)關(guān)和攝像頭等設(shè)備。變頻器和變頻電機(jī)組成變頻調(diào)速系統(tǒng),完成對(duì)輸料帶式輸送機(jī)穩(wěn)定、精確的速度控制。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)原料煤煤質(zhì)指標(biāo)的變化,利用所建數(shù)學(xué)模型自動(dòng)求得優(yōu)化的配煤比例,并利用變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)各原料煤的輸送量,達(dá)到滿足設(shè)計(jì)煤種的要求和經(jīng)濟(jì)效益最大化的目的。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)采用在線煤質(zhì)儀、電子輸送帶秤和變頻調(diào)速技術(shù),通過(guò)精確的計(jì)量和反饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配煤。圖1所示為系統(tǒng)工作原理圖,各原料煤的煤質(zhì)參數(shù)可以通過(guò)上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面手動(dòng)輸入,也可以由在線煤質(zhì)儀檢測(cè)并傳至上位機(jī),利用上位機(jī)優(yōu)化求解軟件算出各原料煤的優(yōu)化配比,再將優(yōu)化配比轉(zhuǎn)化為速度關(guān)系,最終由變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各原料煤的優(yōu)化配比。上位機(jī)組態(tài)軟件與優(yōu)化求解軟件之間通過(guò)DDE通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

該系統(tǒng)是基于對(duì)設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)反饋控制的精確配煤系統(tǒng)。初始各原料煤煤質(zhì)指標(biāo)可以手動(dòng)輸入,配煤過(guò)程中,利用在線煤質(zhì)儀對(duì)設(shè)計(jì)煤種的各項(xiàng)煤質(zhì)參數(shù)定時(shí)檢測(cè),并將實(shí)時(shí)采集到的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較,判斷各參數(shù)是否超出設(shè)定范圍,如果超出則重新計(jì)算優(yōu)化比例,調(diào)整各原料煤的比例,使設(shè)計(jì)煤種始終滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的反饋控制原理圖如圖2所示。

圖2 反饋控制原理圖

3 數(shù)學(xué)模型與算法實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

配煤目的是利用不同品質(zhì)的原料煤生產(chǎn)滿足用戶需要的設(shè)計(jì)煤種,在此前提下使煤種的價(jià)格構(gòu)成最低,以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)論證表明,在混合配煤中,主要的煤質(zhì)指標(biāo)如發(fā)熱量、灰分、水分等具有線性可疊加性,但對(duì)燃燒特性、灰熔點(diǎn)等不具有線性可疊加性。實(shí)際上,我們可以通過(guò)混合煤的燃燒實(shí)驗(yàn)得到各原料煤配比范圍,在該范圍內(nèi)既可以滿足設(shè)計(jì)煤種燃燒特性的要求,同時(shí)使配比最優(yōu)化。在這種條件下,本設(shè)計(jì)采用了基于線性優(yōu)化算法的數(shù)學(xué)模型,模型建立如下:

(1)假設(shè)條件。設(shè)有n種原料煤參與混配,并設(shè)n種煤的配比分別為x1,x2,x3…xn;各原煤指標(biāo)分別為A(灰分)、M(水分)、V(揮發(fā)份)、S(硫)、Q(發(fā)熱量) …;各原料煤?jiǎn)蝺r(jià)分別為P1、P2、P3…PN;目標(biāo)煤種煤質(zhì)指標(biāo)約束值為As(灰分)、Vmax(揮發(fā)份最大值)、Vmin(揮發(fā)份最小值)、Ms(水分)、Qs(發(fā)熱量)、Ss(硫)…。

(2)目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式為:

(3)約束條件。各參數(shù)約束條件為:

(4)優(yōu)化解。最優(yōu)化配比向量為:

3.2 數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)

目前常用的算法實(shí)現(xiàn)軟件包括 MATLAB、LINGO、VB、Office Excel等。本設(shè)計(jì)選用 Excel作為線性規(guī)劃算法軟件,該軟件操作方便、靈活直觀,并且可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)組態(tài)軟件——組態(tài)王的DDE通信。圖3為 Excel求解優(yōu)化配煤比例的畫(huà)面,各種原料煤的煤質(zhì)參數(shù)可以通過(guò)DDE通信協(xié)議,從組態(tài)王界面手動(dòng)輸入或者由煤質(zhì)儀采集并通過(guò)組態(tài)王自動(dòng)輸入;設(shè)計(jì)指標(biāo)是用煤客戶要求的設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)參數(shù)范圍,如圖所示的發(fā)熱量,設(shè)計(jì)發(fā)熱量指標(biāo)在19.65～23.84 MJ/kg;以設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求范圍為約束條件,以煤種的價(jià)格構(gòu)成最低為目標(biāo)函數(shù),求解后的結(jié)果就是各原料煤的優(yōu)化比例,該比例經(jīng)過(guò)線性轉(zhuǎn)化,成為各原料煤上料帶式輸送機(jī)的實(shí)際速度,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配煤。

圖3 Excel求解優(yōu)化配煤比例畫(huà)面

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)總體上需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與信號(hào)的采集和電機(jī)的啟停、速度控制兩大功能,可實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程兩種控制方式。報(bào)警信號(hào)包括料位報(bào)警、帶式輸送機(jī)跑偏報(bào)警等操作程序,電機(jī)的啟停包括自動(dòng)啟/停、手動(dòng)啟/停、單機(jī)啟/停和急停等操作程序。

(1)料位報(bào)警。系統(tǒng)對(duì)比例控制器的料位進(jìn)行監(jiān)測(cè),分為高料位報(bào)警和低料位報(bào)警,通過(guò)調(diào)整上料帶式輸送機(jī)的速度來(lái)調(diào)整比例控制器艙內(nèi)的料位,使料位保持在高、低料位之間。

(2)跑偏報(bào)警。分為一級(jí)跑偏和二級(jí)跑偏報(bào)警,在帶式輸送機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重跑偏時(shí)自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行,待故障排除后再啟動(dòng)系統(tǒng)。

(3)自動(dòng)啟/停。由PLC程序控制,實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的自動(dòng)順序啟動(dòng)和停止。

(4)手動(dòng)啟/停。由PLC程序控制,實(shí)現(xiàn)各電機(jī)手動(dòng)順序啟動(dòng)和停止,啟停順序與自動(dòng)相同,可以手動(dòng)靈活控制啟停時(shí)間。

(5)單機(jī)啟/停?？梢詥为?dú)啟停任意電機(jī),不受啟停聯(lián)鎖順序的約束,主要用于對(duì)單機(jī)的測(cè)試與調(diào)試等。全啟正常后,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)遠(yuǎn)程電腦控制和本地按鈕開(kāi)關(guān)控制這兩種控制方法實(shí)現(xiàn)。

(6)急停。用于緊急情況下系統(tǒng)的急停,可以通過(guò)遠(yuǎn)程電腦控制和本地按鈕開(kāi)關(guān)控制這兩種控制方法實(shí)現(xiàn)。

(7)配比(速度)調(diào)節(jié)。PLC通過(guò) RS485串口通信協(xié)議控制變頻器的輸出頻率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)電機(jī)的速度控制。

5 組態(tài)監(jiān)控與DDE

5.1 組態(tài)監(jiān)控

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面

本系統(tǒng)采用亞控公司的組態(tài)軟件——組態(tài)王。上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面如圖4所示,通過(guò)該畫(huà)面可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種報(bào)警的監(jiān)控,還可實(shí)現(xiàn)對(duì)各調(diào)速電機(jī)的速度和上料帶式輸送機(jī)的原料煤流量的監(jiān)控。同時(shí),通過(guò)該上位機(jī)畫(huà)面可實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)的啟停和調(diào)速等控制功能。對(duì)于煤質(zhì)儀不能在線測(cè)量的煤質(zhì)參數(shù),通過(guò)該監(jiān)控畫(huà)面可以實(shí)現(xiàn)某些原料煤的煤質(zhì)參數(shù)的手動(dòng)輸入,同時(shí),也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各原料煤的煤質(zhì)參數(shù)的初始賦值,以得到初始配比。上位機(jī)組態(tài)軟件還可實(shí)現(xiàn)歷史報(bào)表的查詢與打印功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)原料煤瞬時(shí)流量和總流量、煤質(zhì)參數(shù)等信息的實(shí)時(shí)查詢和歷史查詢。

5.2 DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)

DDE(Dynamic DataExchange)是WINDOWS平臺(tái)上的一個(gè)完整的通信協(xié)議,它使支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序能彼此交換數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。組態(tài)王支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換,能夠和其他支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序方便地交換數(shù)據(jù)。利用DDE技術(shù),本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 Excel與組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換。

當(dāng)Excel作為“顧客”向組態(tài)王請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí),首先定義Excel指定單元格,將其與組態(tài)王所定義變量相對(duì)應(yīng)。圖5中將組態(tài)數(shù)據(jù)“32”傳給了Excel的“r1c1”單元格。當(dāng)組態(tài)王作為“顧客”向Excel請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí),同樣可通過(guò)定義與 Excel指定單元格相對(duì)應(yīng)的組態(tài)變量讀取數(shù)據(jù)。

圖5 Excel訪問(wèn)組態(tài)王數(shù)據(jù)畫(huà)面

6 結(jié)論

該系統(tǒng)靈活簡(jiǎn)便,控制精度高,實(shí)時(shí)性好,可使成品煤的質(zhì)量更穩(wěn)定,同時(shí)有效地降低了配煤成本,提高了煤炭的利用效率,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)該控制系統(tǒng)引入WZ-100型在線煤質(zhì)監(jiān)測(cè)儀,實(shí)現(xiàn)了對(duì)各煤種煤質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集,并將采集數(shù)據(jù)作為求解優(yōu)化配比的關(guān)鍵指標(biāo)。

(2)該控制系統(tǒng)將自動(dòng)和優(yōu)化求解原煤配比的功能引入到控制環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了在線、實(shí)時(shí)調(diào)整配煤比例的目的。

(3)系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速技術(shù),使配比控制更穩(wěn)定,同時(shí)節(jié)電效果明顯,相對(duì)傳統(tǒng)的電磁調(diào)速,節(jié)電效率可達(dá)10%～20%,以臨汾配煤機(jī)整體裝機(jī)容量250 kW為例,按平均15%的節(jié)電效果,每年可節(jié)電90000 kWh。

(4)結(jié)合北京富邦機(jī)械設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的配煤機(jī)機(jī)械系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)能力在120～6600 t/h的配煤機(jī)的自動(dòng)控制,適用于煤礦、選煤廠、煉焦廠等煤炭生產(chǎn)加工單位 。

(5)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種原料煤的同時(shí)混配控制(一般不超過(guò)8種),并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)配比,精確控制配比。

[1]廖艷芬,馬曉茜.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混沌優(yōu)化算法在動(dòng)力配煤中的應(yīng)用[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006(6)

[2]郭一楠,王凌.基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合優(yōu)化的配煤控制[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002(5)

[3]紀(jì)振崗.變頻調(diào)速與電磁調(diào)速的綜合性能比較[J].河北煤炭,2004(5)

[4]孫庶.動(dòng)力配煤幾個(gè)主要煤質(zhì)指標(biāo)可加性的論證[J].煤炭技術(shù),2009(5)

[5]董洪山.動(dòng)力配煤理論值與實(shí)際值之間的規(guī)律研究[J].煤質(zhì)技術(shù),2007(3)

[6]李鐵軍.學(xué)用Excel 2000[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999

[7]范肖南.利用電子表格EXCEL 5.0解決配煤中的線性規(guī)劃問(wèn)題[J].煤質(zhì)技術(shù),1998(1)

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Design of an automatic control system for coal blending based on linearity optimizing algorithm

Fu Sheng,Pang Yinhua
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology,Chaoyang District,Beijing,100124)

An automatic coal blending control system is introduced based on linearity optimizing algorithm.Online coal quality scanners are adopted to collect coal parameters,then the quality parameters of scanned coal is input into the system as variable,the wanted coal quality is designed as restriction conditions,and the lowest price composing of the ranked coal is set as a goal,to set up a linearity optimizing mathematic model,and eventually realize algorithmic calculation by using Excel.Through DDE data exchanging technology between software and Excel of the industrial control computer,the system leads the optimizing calculation program into the blending ratio controlling system,to realize coal blending ratio adjustment timely.

linearity optimizing,frequency conversion speed adjusment,online coal quality scanner,PLC,DDE

TD940

B

付勝(1961-),男,漢族,山西大同人,博士,北京工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師。在國(guó)家核心及以上期刊、國(guó)內(nèi)和國(guó)際性會(huì)議上發(fā)表論文45篇,取得十七項(xiàng)軟件著作權(quán),獲得中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)和山西省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。主要研究方向?yàn)?設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)、設(shè)備運(yùn)行維修策略研究、精密測(cè)量技術(shù)以及高壓水射流特種加工技術(shù)等。