南屯煤礦選煤廠自動(dòng)配煤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于立軍，王東才，王 冬

(兗州煤業(yè)股份有限公司 南屯煤礦選煤廠，山東 鄒城 273500)

南屯煤礦選煤廠自動(dòng)配煤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

于立軍，王東才，王 冬

(兗州煤業(yè)股份有限公司 南屯煤礦選煤廠，山東 鄒城 273500)

為解決南屯煤礦選煤廠無(wú)法均質(zhì)配煤的問(wèn)題，從自動(dòng)配煤的理論研究出發(fā)，設(shè)計(jì)了返煤自動(dòng)配煤系統(tǒng)。介紹了自動(dòng)配煤系統(tǒng)的組成、控制原理、系統(tǒng)功能，并分析了該系統(tǒng)在南屯煤礦選煤廠的應(yīng)用效果。生產(chǎn)實(shí)踐表明：自投入使用后，自動(dòng)配煤系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了不同煤質(zhì)煤炭的自動(dòng)摻配，且配煤合格率高，配煤平均灰分完全滿足需求。

選煤廠；自動(dòng)配煤系統(tǒng)；差額補(bǔ)償

隨著開采時(shí)間的延長(zhǎng)，南屯煤礦井下開采條件越來(lái)越差，工作面越來(lái)越小。多個(gè)工作面同時(shí)開采時(shí)，不同工作面的原煤煤質(zhì)差別較大；加之邊角煤居多，斷層數(shù)量較多，即使同一工作面的原煤煤質(zhì)差別也較大，使配煤工作量和難度均增加。目前，該廠有7個(gè)跨線裝車倉(cāng)，2#、3#、4#倉(cāng)儲(chǔ)存精煤，總?cè)萘繛? 500 t；1#、5#、6#倉(cāng)儲(chǔ)存混煤，總?cè)萘繛? 500 t；7#倉(cāng)儲(chǔ)存塊煤，容量為1 200 t。由于裝車倉(cāng)容量小，且受空間的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均質(zhì)配煤?，F(xiàn)場(chǎng)只能通過(guò)計(jì)算運(yùn)輸不同煤質(zhì)煤炭的車輛數(shù)來(lái)完成配煤，不但使工人工作量增大，勞動(dòng)強(qiáng)度增加，而且導(dǎo)致煤炭摻配不均，無(wú)法滿足用戶要求。為此，從自動(dòng)配煤的理論研究出發(fā)，在對(duì)煤場(chǎng)返煤系統(tǒng)現(xiàn)有格局分析的基礎(chǔ)上，確定返煤自動(dòng)配煤系統(tǒng)的控制方案。通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)兩用系統(tǒng)使煤炭入倉(cāng)，采用差額質(zhì)量補(bǔ)償法對(duì)其進(jìn)行摻配[1-2]，以保證配后煤炭的平均灰分滿足需求，并解決原配煤方式存在的大滯后問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件組成

自動(dòng)配煤系統(tǒng)由信號(hào)傳輸系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分組成，檢測(cè)系統(tǒng)是自動(dòng)配煤系統(tǒng)的核心，主要包括傳感器接口電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、CPU控制計(jì)算單元四部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

(1)移動(dòng)信號(hào)傳輸裝置。由于皮帶走廊位于地下，給煤機(jī)為移動(dòng)式設(shè)備，空間有限，電磁干擾較多，對(duì)信號(hào)的采集和控制信號(hào)的傳輸要求很高。為此，采用可靠的移動(dòng)信號(hào)傳輸裝置——滑軌上跑滑車帶動(dòng)拖纜進(jìn)行信號(hào)傳輸[3]。

圖1 自動(dòng)配煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)傳感器接口電路。在線測(cè)灰儀檢測(cè)到的配煤灰分通過(guò)4～20 mA信號(hào)輸出給PLC，617#給煤機(jī)的瞬時(shí)煤流量和619#輸送帶的總瞬時(shí)煤流量通過(guò)4～20 mA信號(hào)輸出給PLC，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)耦合電路處理后接入系統(tǒng)[4-5]。

(3)濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。傳感器輸入信號(hào)經(jīng)濾波處理后接入控制單元，確保串?dāng)_信號(hào)不會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)；A/D轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)濾波處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。

(4)CPU控制計(jì)算單元。集中控制系統(tǒng)以西門子CPU3152DP PLC作為控制核心，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與遠(yuǎn)程分站PLC進(jìn)行通訊。

(5)嵌入式操作系統(tǒng)。鑒于現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境復(fù)雜，選擇觸摸式、嵌入式操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行指令的多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，充分發(fā)揮硬件資源的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的整體性能[6-7]。

(6)系統(tǒng)外圍設(shè)備。外圍設(shè)備主要包括PLC控制柜、集中控制操作臺(tái)、就地控制柜等,這些設(shè)備可為主要設(shè)備的安放、操作提供便利條件。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 變量的確定

采用模糊控制策略作為系統(tǒng)控制策略，以配后煤炭灰分作為控制變量。模糊控制器有四個(gè)輸入量，即煤炭當(dāng)前灰分值(即累計(jì)值)與設(shè)定值偏差e、灰分偏差隨時(shí)間的變化率△e(可由其瞬時(shí)值計(jì)算求得)、兩種摻配煤的當(dāng)前流量q1、q2(即皮帶秤瞬時(shí)稱重值)。

在設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則前，必需對(duì)模糊控制器的輸入、輸出變量空間進(jìn)行模糊分割。根據(jù)隸屬度分為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB七個(gè)模糊論域，其意義如下：

NB=負(fù)方向大的偏差(Negative Big)

NM=負(fù)方向中的偏差(Negative Medium)

NS=負(fù)方向小的偏差(Negative Small)

ZO=近于零的偏差(Zero)

PS=正方向小的偏差(Positive Small)

PM=正方向中的偏差(Positive Medium)

PB=正方向大的偏差(Positive Big)

確定控制變量后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出模糊控制規(guī)則。設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則時(shí)，是在所設(shè)想對(duì)控制對(duì)象各階段之反應(yīng)，記述采取哪一種控制較好。先選擇各階段的特征點(diǎn)，記錄在模糊控制規(guī)則的前件部，再思考在該點(diǎn)采取的動(dòng)作，記錄在模糊控制規(guī)則的后件部[8]。

1.2.2 控制規(guī)則的確定

系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，根據(jù)目標(biāo)煤質(zhì)要求，檢索煤場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)并計(jì)算求出最佳配煤方案，提示操作員參與配煤的兩個(gè)煤堆；依據(jù)兩臺(tái)給煤機(jī)最終取煤的兩個(gè)煤堆煤質(zhì)參數(shù)，計(jì)算出配煤比例，將配煤比例與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出給煤機(jī)應(yīng)設(shè)初始頻率；預(yù)設(shè)兩臺(tái)給煤機(jī)的頻率，開啟設(shè)備開始配煤，等待檢測(cè)結(jié)果。由于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，每臺(tái)給煤機(jī)下料灰分的非線性，主要采用四種模式對(duì)配煤灰分進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(1)灰分反饋值小于設(shè)定值且618#皮帶稱煤流量小于設(shè)定總煤流量時(shí)，通過(guò)PLC控制加大高灰煤流量，使灰分反饋值增大，直至等于灰分設(shè)定值。如果高灰煤流量增加到最大，而灰分反饋值仍小于設(shè)定值，通過(guò)PLC控制降低低灰煤流量，使灰分反饋值增加，直到其與灰分設(shè)定值相等。具體控制程序如下：

If(620A

THEN IF(GS≠50) THEN GS++

ELSE DS--

(2)灰分反饋值小于設(shè)定值且618#皮帶稱煤流量不小于設(shè)定總煤流量時(shí)，通過(guò)PLC控制降低低灰煤流量，使灰分反饋值增大，直到灰分反饋值與設(shè)定值相等。如果低灰煤流量已降至最低，而灰分反饋值仍小于設(shè)定值，通過(guò)PLC控制加大高灰煤流量，直至兩個(gè)灰分值相等。具體控制程序如下：

If(620A

THEN IF(DS≠0) THEN DS--

ELSE GS++

(3)灰分反饋值大于設(shè)定值且618#皮帶稱煤流量小于設(shè)定總煤流量時(shí)，通過(guò)PLC控制增加低灰煤流量，使灰分反饋值減小，直到灰分反饋值等于設(shè)定值。如果低灰煤流量已增至最大，而灰分反饋值仍大于設(shè)定值，通過(guò)PLC控制降低高灰煤流量，直到二者平衡。具體控制程序如下：

If(620A>SetA)&(618S<618SetS)

THEN IF(DS≠50) THEN DS++

ELSE GS--

(4)灰分反饋值大于設(shè)定值且618#皮帶稱煤流量大于設(shè)定總煤流量時(shí)，通過(guò)PLC控制減少高灰煤流量，使灰分反饋值減小，直到灰分反饋值等于設(shè)定值。如果高灰煤流量已減至最小，而灰分反饋值仍大于設(shè)定值，通過(guò)PLC控制增大低灰煤流量，直到兩者相等。具體控制程序如下：

If(620A>SetA)&(618S≥618SetS)

THEN IF(GS≠0) THEN GS--

ELSE DS++

改變給煤機(jī)頻率后，等待數(shù)秒，檢測(cè)配煤灰分?jǐn)?shù)據(jù)；將檢測(cè)灰分值與設(shè)定灰分值進(jìn)行比較，繼續(xù)上述步驟，直至檢測(cè)灰分值與設(shè)定灰分值相等。該調(diào)節(jié)過(guò)程是一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程[9]。

2 控制原理

通過(guò)對(duì)南屯煤礦選煤廠煤場(chǎng)返煤系統(tǒng)現(xiàn)有格局分析，可得：

(1)

Q2=Q3-Q1，

(2)

聯(lián)合式(1)和式(2)得：

(3)

式中：A1、A2分別為617#、618#圓盤給料機(jī)輸出煤炭灰分，%；Q1、Q2分別為617#、618#給料機(jī)輸出煤炭流量，t/h；A為配煤目標(biāo)灰分，%；Q3為619#輸送帶總煤流量，t/h。

Q1由安裝在輸送帶上的617#電子皮帶秤反饋數(shù)據(jù)獲得，Q3通過(guò)619#輸送帶機(jī)尾電子皮帶秤反饋數(shù)據(jù)獲得，A通過(guò)安裝在620輸送帶上的灰分儀獲得。由于A1、A2無(wú)法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)室人工檢測(cè)獲取大概灰分值，但可確認(rèn)高、低灰取煤點(diǎn)，故系統(tǒng)采用根據(jù)目標(biāo)灰分值計(jì)算后分級(jí)加減高低灰煤的方法實(shí)現(xiàn)配煤。

控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確程度是影響控制效果好壞的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息越詳細(xì)，越能達(dá)到精確控制的目的[10]。由于煤炭粒度、形狀、密度、水分及其與給煤機(jī)葉輪間的摩擦力等參數(shù)無(wú)法獲得，而這些因素對(duì)煤炭流量存在影響。為此，采用模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理控制問(wèn)題。

針對(duì)無(wú)法確定葉輪取煤點(diǎn)煤量是否充足，620#灰分儀對(duì)配后煤炭灰分檢測(cè)、反饋存在時(shí)間滯后的問(wèn)題，開發(fā)出差額補(bǔ)償法解決配煤精度問(wèn)題。配煤時(shí)記錄配煤調(diào)整時(shí)長(zhǎng)，在5 min內(nèi)調(diào)整正常則進(jìn)行下一個(gè)調(diào)整時(shí)長(zhǎng)的記錄；如果超過(guò)配煤時(shí)限而沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的配煤質(zhì)量要求，則計(jì)算該時(shí)間段缺少的煤炭種類，此后加大該種煤的給煤量，直至達(dá)到平均質(zhì)量要求[11-12]。自動(dòng)配煤系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)配煤系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 Control system flowsheet of automatic coal blending system

3 系統(tǒng)功能

自動(dòng)配煤系統(tǒng)的應(yīng)用，不但可及時(shí)掌握配后各倉(cāng)煤的灰分?jǐn)?shù)據(jù)，而且可通過(guò)灰分反饋及差額補(bǔ)償來(lái)保證配煤平均灰分滿足要求。該系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在以下三方面：

(1)自動(dòng)確定預(yù)灌倉(cāng)煤量。系統(tǒng)初始化時(shí)自動(dòng)獲取煤倉(cāng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定預(yù)灌倉(cāng)煤量，也可手工輸入灌倉(cāng)煤量。在灌倉(cāng)煤量達(dá)到上限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或停止灌倉(cāng)。

(2)配煤異常報(bào)警功能。根據(jù)配煤瞬時(shí)時(shí)間和配后煤流量設(shè)定灰分上限值，如果配煤的測(cè)量灰分值超過(guò)灰分上限值而沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提示操作員檢查煤場(chǎng)給煤機(jī)附近煤量是否充足，是否出現(xiàn)其他異常情況，以便及時(shí)手動(dòng)干預(yù)。

(3)差額質(zhì)量補(bǔ)償功能。如果因煤場(chǎng)煤量不足或其他原因出現(xiàn)階段性的灌倉(cāng)煤質(zhì)不符合要求時(shí)，在恢復(fù)灌倉(cāng)后系統(tǒng)依據(jù)灌倉(cāng)容量，在加權(quán)平均計(jì)算的基礎(chǔ)上自動(dòng)補(bǔ)充該階段缺失的煤炭量，以保證每倉(cāng)的配煤平均灰分滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)南屯煤礦選煤廠返煤系統(tǒng)現(xiàn)有格局，通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)兩用系統(tǒng)使配煤入倉(cāng)，采用差額質(zhì)量補(bǔ)償法對(duì)其進(jìn)行摻配，保證配煤平均灰分滿足要求。配煤過(guò)程中系統(tǒng)能夠自動(dòng)掌握各倉(cāng)煤的準(zhǔn)確灰分?jǐn)?shù)據(jù)，配煤灰分精度在±1.5%內(nèi)，商品煤合格率達(dá)到100%。

該系統(tǒng)具有組態(tài)靈活、功能完善、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，運(yùn)行安全穩(wěn)定，達(dá)到了較高的自動(dòng)化水平。自動(dòng)配煤系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤炭的精確摻配，解決了配煤大滯后問(wèn)題，避免了因質(zhì)量過(guò)剩造成的經(jīng)濟(jì)損失，間接提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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Design and application of automatic coal blending system in Nantun mine coal preparation plant

YU Li-jun，WANG Dong-cai，WANG Dong

(Nantun Mine Coal Preparation Plant, Yanzhou Coal Mining Company Limited, Zoucheng, Shandong 273500, China)

To solve the problem of unevenly blending coal in Nantun mine coal preparation plant, automatic coal blending system is designed based on theoretical research. This paper introduces composition, control pricinple, function of this system as well as analyzes its application effect. The result shows that the automatic coal blending system can operate steadily; different coal can be blended automatically with high qualified rate, also ash content of coal blending is qualified.

coal preparation plant; automatic coal blending system; compensation for the blance

1001-3571(2015)01-0074-04

TD948.9

A

2015-02-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.022

于立軍(1973—)，男，山東省平度市人，工程師，從事選煤生產(chǎn)管理工作。

E-mail:yulijun388@163.com Tel：13505475198