褐煤深加工監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱文靜

（淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭銷售公司， 安徽 淮南232001）

1 引言

煤炭能源占我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)70%左右，煤炭資源在中國(guó)居于重要地位。但是，近幾年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭資源不斷減少和煙煤價(jià)格大幅上漲，由于褐煤價(jià)格相對(duì)低廉，吸引著國(guó)內(nèi)各大礦業(yè)集團(tuán)的關(guān)注，一批新建煤化工項(xiàng)目也紛紛改用褐煤作為原料，參與褐煤提質(zhì)加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)，引起了國(guó)內(nèi)研發(fā)褐煤提質(zhì)技術(shù)的熱潮。我們知道，褐煤脫水提質(zhì)是褐煤發(fā)電、成型、氣化、液化、焦化和加工水煤漿等綜合利用的前提，經(jīng)濟(jì)效益明顯，符合中國(guó)節(jié)能政策等要求。據(jù)地質(zhì)探測(cè)表明，中國(guó)擁有豐富的褐煤資源，開(kāi)發(fā)高效褐煤深加工技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。

實(shí)現(xiàn)煤炭洗選加工過(guò)程設(shè)備運(yùn)行與管理的自動(dòng)化，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)處理，系統(tǒng)故障的及時(shí)診斷、調(diào)配和事故處理，能夠大大提高生產(chǎn)過(guò)程的效率和安全性。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)功能完善、安全可靠的褐煤深加工運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)運(yùn)行，可保證企業(yè)安全生產(chǎn)。本文主要介紹了褐煤深加工工藝，基于西門子S7－300系列PLC的過(guò)程控制，給出了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法。最后利用組態(tài)王6.5軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了褐煤工藝監(jiān)控軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了工藝過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)功能。

2 工藝流程

根據(jù)工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，試驗(yàn)線主要工藝設(shè)備控制采用就地控制和集中控制兩種控制方式，兩種控制方式間可相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中不影響設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。集控設(shè)備均可由操作員在控制室進(jìn)行單啟單停，以便調(diào)度人員根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線式連接在一起，通過(guò)上位機(jī)綜合數(shù)據(jù)、管理，實(shí)現(xiàn)給定值的設(shè)定，系統(tǒng)工作的總體顯示和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)與報(bào)表等功能。

褐煤深加工試驗(yàn)系統(tǒng)共分為四個(gè)子系統(tǒng)：原料準(zhǔn)備系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和焙燒成型系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

原料系統(tǒng)對(duì)原煤進(jìn)行預(yù)處理。

熱風(fēng)系統(tǒng)主要是把輕柴油和定量空氣在煙氣發(fā)生爐燃燒室內(nèi)充分燃燒后和氣流干燥循環(huán)氣混合成一定溫度的煙氣進(jìn)入混風(fēng)室I，其溫度由循環(huán)煙氣流量來(lái)控制。其中一部分混合煙氣在一定的流速下進(jìn)入氣流干燥器干燥管，在輸送濕粉煤過(guò)程中和煤粉充分混合，發(fā)生強(qiáng)烈的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，煤中的水分不斷蒸發(fā)進(jìn)入氣相中。氣體出干燥管的溫度回控螺旋定量給料機(jī)給料量。

干燥系統(tǒng)主要是把來(lái)自混風(fēng)室混合煙氣與流化床系統(tǒng)從引風(fēng)機(jī)返回的循環(huán)氣在混風(fēng)室II混合后，作為流化床干燥器的流化干燥介質(zhì)。內(nèi)熱式流化床干燥器流化干燥介質(zhì)為混合煙氣，內(nèi)加熱管中加熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)提供的一定溫度的循環(huán)加熱的導(dǎo)熱油。內(nèi)熱式流化床干燥器混合煙氣由流化床循環(huán)氣和燃油煙氣發(fā)生爐的混合煙氣再次混合而成，其溫度由循環(huán)份量來(lái)控制?；旌蠠煔庠诹骰仓信c煤粉接觸，處于氣固硫化狀態(tài)，干燥后固體由鎖氣器輸出。

焙燒系統(tǒng)主要是干燥系統(tǒng)的來(lái)料高溫焙燒，然后經(jīng)高壓成型機(jī)成型，噴水冷卻后，由皮帶輸送機(jī)送入成品倉(cāng)。

3 過(guò)程控制設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主要功能

自動(dòng)／手動(dòng)的切換，系統(tǒng)可以方便進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)控制之間的切換，在檢測(cè)控制系統(tǒng)故障或檢修時(shí)，使用手動(dòng)控制以維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

系統(tǒng)故障的快速診斷功能，控制系統(tǒng)具有快速診斷功能，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，不能正常工作，可以將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)入診斷狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)各部分?jǐn)嚅_(kāi)，由指示燈顯示各部分的狀態(tài)，以便快速排除故障。

工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示，可以動(dòng)態(tài)顯示主要工藝參數(shù)：料位、溫度、流量、氧含量、變頻器運(yùn)行、故障自動(dòng)顯示和電源指示等。

故障報(bào)警功能，系統(tǒng)故障檢測(cè)、報(bào)警，變頻器故障報(bào)警，溫度、含氧量等超限報(bào)警。

數(shù)據(jù)處理功能，系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)可以對(duì)控制系統(tǒng)的過(guò)程參數(shù)處理：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、過(guò)程參數(shù)查詢和數(shù)據(jù)打印。

3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

褐煤深加工過(guò)程控制主站采用西門子CPU315可編程邏輯控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架按照工藝系統(tǒng)功能進(jìn)行分類，共設(shè)一個(gè)主站和四個(gè)分站。主站和監(jiān)控上位機(jī)之間采用MPI放上通訊，主站和從站之間通過(guò)Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái)。其中4個(gè)從站分別負(fù)責(zé)對(duì)包括原料準(zhǔn)備系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)以及焙燒成型系統(tǒng)的監(jiān)控，且負(fù)責(zé)各系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)，并且負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行中的各參數(shù)的監(jiān)視。一臺(tái)主PLC負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)整體監(jiān)視，并且能夠產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警。系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用專用編程軟件STEP7來(lái)實(shí)現(xiàn)。STEP 7是西門子PLC編程的專用軟件，它是專門用于對(duì)通信處理器（CP）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及提供組態(tài)的軟件。本控制系統(tǒng)的程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)各種模擬信號(hào)的采集和量程的轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和單臺(tái)設(shè)備的計(jì)算機(jī)啟停；實(shí)現(xiàn)部分參數(shù)的閉環(huán)控制；實(shí)現(xiàn)所有參說(shuō)的存儲(chǔ)。

3.4 系統(tǒng)控制方案

由于本系統(tǒng)中主要是對(duì)反應(yīng)器的溫度進(jìn)行控制，所以作者采用了前饋－反饋控制，控制系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

由于控制過(guò)程是一個(gè)大滯后的控制系統(tǒng)，采用一般的反饋控制會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，且偏差出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)不到系統(tǒng)的要求，所以系統(tǒng)采用了前饋控制。但是在過(guò)程中可能還存在著無(wú)法測(cè)量的擾動(dòng)，對(duì)于這一部分?jǐn)_動(dòng)用前饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以系統(tǒng)采用了前饋－反饋控制相結(jié)合的方法。選擇對(duì)象中最主要的，反饋控制不易克服的擾動(dòng)進(jìn)行前饋控制，其它一些擾動(dòng)進(jìn)行反饋控制。這樣即發(fā)揮了前饋控制校正及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制克服多種擾動(dòng)的長(zhǎng)處。

圖3是反應(yīng)器的前饋－反饋控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中前饋控制主要克服反應(yīng)器冷流體流量的變化；而反饋控制則克服其它擾動(dòng)因素的影響。

4 上位機(jī)監(jiān)控軟件

利用中文界面的人機(jī)界面軟件“組態(tài)王6.5”是為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該軟件采用了多項(xiàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng)和工程運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)完成畫面的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行。

本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面根據(jù)試驗(yàn)的工藝流程圖設(shè)計(jì)，由監(jiān)控系統(tǒng)流程、原料準(zhǔn)備、熱風(fēng)、干燥、焙燒成型、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、閥門調(diào)節(jié)設(shè)定和實(shí)時(shí)歷史曲線組成。監(jiān)控系統(tǒng)流程畫面能夠監(jiān)視整個(gè)工藝流程中全部設(shè)備的運(yùn)行狀況，過(guò)程工藝參數(shù)的顯示。每個(gè)子系統(tǒng)畫面詳細(xì)設(shè)計(jì)了各子系統(tǒng)的工藝過(guò)程及操作規(guī)程，子系統(tǒng)畫面同時(shí)設(shè)計(jì)了操作按鈕窗口，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)啟動(dòng)。根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程用組態(tài)王的上位機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示，此界面能夠動(dòng)態(tài)的顯示整個(gè)工藝的流程，顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及要檢測(cè)的工藝參數(shù)。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控界面

本系統(tǒng)采用西門子s7－300系列PLC實(shí)現(xiàn)褐煤干燥工藝過(guò)程的監(jiān)控，并采用組態(tài)王6.5組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。該系統(tǒng)能夠方便的監(jiān)視整個(gè)工藝的流程，設(shè)備的運(yùn)行情況和工藝過(guò)程的重要參數(shù)，給操作人員提供了一個(gè)方便可靠的操作監(jiān)視平臺(tái)，減輕了操作人員的工作量，提高了工作效率。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試表明：系統(tǒng)工作正常、性能穩(wěn)定，能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)運(yùn)行、管理的要求。

［1］蔣兆桂.褐煤提質(zhì)技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.煤炭加工與綜合利用，2012，（6）：47－52.

［2］廖常初.S7－300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］劉元揚(yáng)，劉玉長(zhǎng)，黃學(xué)章.自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［4］劉鍇，周海.西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.