基于NA400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)的設計與應用

張公平，姚文廣

(南大傲拓科技江蘇有限公司，江蘇 南京 211102)

基于NA400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)的設計與應用

張公平，姚文廣

(南大傲拓科技江蘇有限公司，江蘇 南京 211102)

為提高中煤集團山西金海洋能源有限公司選煤廠控制系統(tǒng)的控制效果和可靠性，設計了基于NA400系列PLC的集中控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成、功能、技術特點，并分析了其應用效果。生產實踐表明：基于NA400系列PLC的集中控制系統(tǒng)，控制效果良好，可靠性極高，不但能夠實現各遠程分站選煤、運煤設備的集中控制，而且可以對生產過程、設備運行狀態(tài)、報警信息、產能等進行綜合評定。

NA400系列PLC；集中控制系統(tǒng)；控制效果；可靠性

中煤集團山西金海洋能源有限公司選煤廠(以下簡稱山西金海洋選煤廠)位于山西省朔州市山陰縣北周莊鎮(zhèn)的中煤集團金海洋工業(yè)園區(qū)內，是一座處理能力為12 Mt/a的礦區(qū)型動力煤選煤廠，洗選工藝為塊煤淺槽重介質分選機分選、末煤重介質旋流器分選、粗煤泥螺旋分選機分選、細煤泥加壓過濾機回收的聯(lián)合工藝[1]。結合該公司目前的動力煤產品結構和市場情況，洗選產品共分為四種：塊煤(粒度為150～50 mm，Qnet.ar≥25.10 MJ/kg)、精煤(粒度為50～0 mm，Qnet.ar≥23.01 MJ/kg)、混煤(粒度為50～0 mm,Qnet.ar≥12.55～16.74 MJ/kg)、塊矸石(粒度為150～13 mm，Qnet.ar≤2.93 MJ/kg)。塊煤作為國內外電廠用煤或代工用煤，精煤、混煤供國內外電廠發(fā)電，塊矸石作為公司磚廠原料。

該廠于2013年年底投產運行，為提高控制系統(tǒng)的控制效果和可靠性，設計了基于NA400系列PLC的集中控制系統(tǒng)(以下簡稱集中控制系統(tǒng))。集中控制系統(tǒng)的上位機采用以太網與PLC通訊，通過接收操作員的控制命令來完成對全廠設備的起停控制，以及對密度、壓力、桶位等參數的PID閉環(huán)調節(jié)；同時，通過以太網將生產過程中的各種產品指標、過程參數傳送至調度中心，實現全廠人力資源、物力資源的統(tǒng)籌安排。該系統(tǒng)投入運行后，控制效果良好，可靠性極高，為選煤廠的安全、高效生產提供了技術保障。

1 集中控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

山西金海洋選煤廠集中控制系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)、現場設備等組成，系統(tǒng)框圖[2]如圖1所示。

圖1 集中控制系統(tǒng)框圖

1.1.1 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要設備為高壓配電柜、低壓配電柜、變頻柜，高壓配電柜為高壓電機、變壓器提供初級供電，低壓配電柜為低壓電機、PLC柜、皮帶機、刮板機、泵、傳感器等設備供電，變頻柜主要為泵、給煤機、部分皮帶機供電。

1.1.2 PLC控制系統(tǒng)

根據選煤廠工藝設計要求和各生產環(huán)節(jié)設備工況及工作制度，集中控制系統(tǒng)采用分布式集中控制方式設計，共設計有8個PLC分站(子系統(tǒng))，包括原煤準備系統(tǒng)、塊煤分選系統(tǒng)、煤泥重介系統(tǒng)、再選與矸石系統(tǒng)、濃縮與尾煤壓濾系統(tǒng)、劣質煤與矸石儲運系統(tǒng)、末煤與塊煤儲運系統(tǒng)、空壓機房系統(tǒng)。

以NA400系列PLC、工業(yè)以太網作為自動化系統(tǒng)的硬件平臺，能夠完成現場密度、壓力、操作信號的采集工作，并可實現對現場設備的實時控制。PLC主站與上位監(jiān)控系統(tǒng)計算機監(jiān)控管理站通過光纖通訊，二者共同構成管理層網絡。PLC主站與各現場層分站通過PROFIBUS-DP總線通訊，PLC控制系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結構簡圖

1.1.3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)是整個集中控制系統(tǒng)的管理層，能夠完成對現場設備的集中管理和控制。該系統(tǒng)選用的組態(tài)軟件為GE的IFIX，采用開放的標準OPC通信協(xié)議實現PLC與4臺上位機(包括1臺工程師站上位機和3臺操作員站上位機)之間的通訊。

該系統(tǒng)主要監(jiān)控界面包括各工藝界面、系統(tǒng)網絡架構、保護一覽表、歷史趨勢、報警查詢、全廠預警、聯(lián)鎖查看、故障復位、權限管理、幫助等，主廠房部分監(jiān)控界面如圖3所示。

1.2 系統(tǒng)功能

(1)設備狀態(tài)監(jiān)控功能。集中控制系統(tǒng)能夠對全系統(tǒng)所有設備的運行狀態(tài)(程序啟停車、集中連鎖、事故閉鎖、報警、就地解鎖、PID控制等)進行監(jiān)控，根據不同狀態(tài)(運行、就地、聯(lián)鎖、故障等)顯示不同顏色；同時，可對全廠風機、照明等設備進行遠程控制，實時顯示皮帶稱瞬時煤量；此外，還具有動態(tài)模擬顯示功能，如動態(tài)模擬并顯示倉位、桶位。

(2)分模式控制功能。全廠設備有三種控制模式，即全系統(tǒng)一鍵順序控制、單機集中控制、單機就地控制，可根據現場實際情況選擇不同的控制方式。

圖3 主廠房部分監(jiān)控界面

(3)閉環(huán)功能。所有桶位、料位、液位、壓力、密度參數可在系統(tǒng)中預先設定，并實現PID自動調節(jié)，廠房衛(wèi)生清掃泵根據浮球開關位置實現自動控制。此外，各設備之間按生產工藝要求實現閉鎖控制。

(4)自診斷功能。在監(jiān)控軟件中及時、準確地反映設備故障狀態(tài)、故障時間、故障地點等相關信息；提供通信診斷的相關信息，及時發(fā)出警報，并根據報警等級通過不同顏色實時顯示。

(5)曲線與報表功能。系統(tǒng)能對主要工藝參數(密度、壓力等)的實際值與目標值進行實時統(tǒng)計、趨勢分析，還能將用戶關心的溫度、流量等信息以實時或歷史趨勢曲線的形式直觀表達出來；該系統(tǒng)還具有報警歷史查詢及打印、瞬時煤量歷史趨勢查詢及打印功能。

(6)冗余功能。為保障系統(tǒng)運行的可靠性，計算機測控通訊網采用雙以太網冗余，當其中一條網絡線出現故障時不會影響系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)下位機控制器采用CPU401-0501H雙冗余控制器，以保障系統(tǒng)不間斷地進行數據交換，從而實現持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的運行。

1.3 技術特點

在設計集中控制系統(tǒng)過程中，充分考慮了其安全性、可靠性、精確性、經濟性、實用性、兼容性、可擴展性[3]。就總體性能來說，系統(tǒng)技術特點突出。

(1)安全性與可靠性。鑒于選煤行業(yè)的生產環(huán)境及生產設備對集中控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求高，核心控制層采用全冗余(電源冗余、CPU冗余、通信主站冗余、雙網絡冗余等)架構設計，大大提高了生產系統(tǒng)的可靠性和安全性。

(2)精確性。利用可編程控制器內部的PID功能塊解算密度計、壓力傳感器、液位計等現場檢測設備的輸入信號(4～20 mA)，將檢測到的過程變量與設定值進行比較，再通過模擬量輸出模塊輸出4～20 mA的信號來驅動相應的執(zhí)行機構(加水調節(jié)閥、變頻器等)，從而達到自動調節(jié)系統(tǒng)壓力、密度、液位的目的。該方式的調節(jié)精度很高。

(3)兼容性與經濟性。為了保證施工和后期運行的高效性，現場各電機控制和設備保護信號均采用總線方式進行采集。針對現場各類通信接口，選用NA400系列特殊通信模塊，如選用CMM401-0411與Dupline網關模塊進行通信，以提高系統(tǒng)的兼容性與經濟性。

(4)可擴展性。隨著企業(yè)的發(fā)展和自動化程度的提高，大量新設備、新工藝必將投入使用。在設計之初，已經考慮到后期可能擴展的設備和站點的備用量，系統(tǒng)可擴展性很強。

2 應用效果

集中控制系統(tǒng)投入使用后，該選煤廠洗選效率大大提高，原煤入選量增加，目前實際原煤入選量達到14 Mt/a，遠大于最初的設計能力。原煤入選量和洗選效率的提高，為選煤廠帶來一定經濟效益。此外，廠內原煤和產品能夠全部存放在倉內，園區(qū)環(huán)境得到很大改善；選后中煤、末矸石、煤泥可以進行任意摻配，有利于為廠區(qū)電廠提供合格燃料。

該系統(tǒng)的運行實現了對密度、液位的精確控制，能夠滿足各類產品煤的洗選要求。其中，稀介桶采用液位單閉環(huán)控制，通過調整比例、積分參數，使液位控制在±4%的范圍內。合介桶采用密度、液位雙閉環(huán)控制，先對密度進行控制再對液位進行控制，當密度高時將懸浮液分流，當密度低時打開分配箱補介。分選密度在正常范圍內時，通過調整比例、積分參數，可實現液位控制在±4%的目標[4]。

3 結語

基于NA400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)，不但能夠實現各遠程分站選煤、運煤設備的集中控制，而且能夠對生產過程、設備運行狀態(tài)、報警信息、產能等進行綜合評定，功能強大。自該系統(tǒng)投入使用以來，運行狀況良好，設備維護量大幅下降，大大減輕了工人的勞動量，保證了選煤生產的安全、高效進行，并帶來了一定的經濟效益?；贜A400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)是國產PLC在大型選煤廠的首次應用，可為國內其他自動化設計公司在選煤行業(yè)開拓業(yè)務提供一定參考。

[1] 袁耀武. 煤炭洗選基礎知識培訓教材[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2011.

[2] 中國煤炭加工利用協(xié)會.選煤廠計算機應用[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2007.

[3] 陳 純.選煤廠電氣設備及自動化[M]. 徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1990.

[4] 衛(wèi)玉花.選煤工藝流程智能設計[D].太原：太原理工大學，2005.

Design and application of centralized control system based on NA400 series PLC in coal preparation plant

ZHANG Gong-ping, YAO Wen-guang

(Nanda Automation Technology, Nanjing, Jiangsu 211102, China)

To improve performance and reliability of control system in coal preparation plant of China coal group Shanxi golden ocean energy Co Ltd, centralized control system is designed on the basis of NA400 series PLC; this paper introduces component, function, and technical characteristic of this system as well as analyzes its application. The application shows that this system is more reliable and performance is better; it can centralized control equipment for coal handling and washing in each remote substation as well as offer general assessment of production, operational condition of equipment, alarming information and capacity etc.

NA400 series PLC; centralized control system; control effect; reliability

1001-3571(2015)01-0078-04

TD948.9

B

2015-01-26

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.023

張公平(1984—)，男，安徽省宿州市人，助理工程師，從事智能控制方面的研究。

E-mail：bhdxzgp@163.com Tel：025-68530188