基于PLC的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計

閆 杰

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦 選煤廠, 山西 古交 030200)

0 引言

在選煤廠的生產(chǎn)過程中，利用煤炭與煤炭中雜質(zhì)的不同，將原煤篩選成不同質(zhì)量的煤炭產(chǎn)品，供給其他用戶使用。重介選煤是煤炭洗選工藝中較常見的一種選煤方法，原煤首先通過原煤分級篩和破碎機(jī)進(jìn)行篩分得到小塊原煤，放在緩沖倉轉(zhuǎn)存，然后控制系統(tǒng)根據(jù)需求，不斷將緩沖倉內(nèi)的原煤輸送到三產(chǎn)品重介旋流器，經(jīng)過旋流器后，生產(chǎn)出精、中、矸三種產(chǎn)品，再由離心機(jī)脫水后存放在不同的倉內(nèi)[1]。重介選煤過程中使用的設(shè)備包括原煤分級篩、重介旋流器、帶式輸送機(jī)、浮選機(jī)、卸料器和給煤機(jī)等。在上述設(shè)備非正常工作情況下，容易出現(xiàn)振動幅度增加、位移加大等現(xiàn)象，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子不平衡或者轉(zhuǎn)子彎曲故障時會產(chǎn)生較大的振動，此時，如果能對振動信號及時進(jìn)行采集與分析，將信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺，提示工作人員故障的發(fā)生，將會避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，減輕設(shè)備損傷。本文結(jié)合選煤廠常見故障和安全隱患，設(shè)計了一套選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)，對設(shè)備狀態(tài)特征進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控和緩沖倉瓦斯?jié)舛鹊脑诰€監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)控管理層三個部分組成。現(xiàn)場采集層采集的信號包括選煤廠設(shè)備的加速度信號、位移信號和緩沖倉內(nèi)瓦斯?jié)舛龋粩?shù)據(jù)傳輸層包括RS485總線模塊和以太網(wǎng)模塊，可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸；監(jiān)控管理層基于LabVIEW開發(fā)設(shè)計，嵌入模糊控制算法，對現(xiàn)場采集的信號進(jìn)行分析，并在可視化界面中顯示故障位置，直觀地對選煤廠相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和緩沖倉瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)控。

2 狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)

2.1 主控器選型

S7-300 PLC是由西門子公司生產(chǎn)的一款可編程邏輯控制器，具有性價比高、抗電磁干擾性強(qiáng)、抗振動沖擊性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)控制領(lǐng)域，可擴(kuò)展模塊上限為32個，網(wǎng)絡(luò)連接方式包括MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)[2]。利用STEP軟件進(jìn)行程序的啟動與測試，常用的編程語言包括順序功能圖、梯形圖等。

2.2 傳感器選型

傳感器選取主要考慮的因素有現(xiàn)場環(huán)境、測量準(zhǔn)確度、供電電壓等。在選煤廠的使用中，應(yīng)選擇本質(zhì)安全型傳感器。

2.2.1 加速度傳感器

由于本系統(tǒng)中所測的旋流器、浮選機(jī)等設(shè)備的振動頻率快、振動幅度大且現(xiàn)場使用環(huán)境惡劣，因此本文選用型號為608A11的加速度傳感器。該傳感器通常應(yīng)用于設(shè)備振動和沖擊的測量，其量程為±50g，測量分辨率為350×10-6g，可以在-55 ℃～+120 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，保證檢測靈敏度在110 mV/g以下。該傳感器是平面剪切結(jié)構(gòu)的無源、正壓電效應(yīng)的傳感器，具有高精度、耐沖擊等特性，因其穩(wěn)定的工作性能被廣泛應(yīng)用于煤礦設(shè)備監(jiān)測中。

2.2.2 位移傳感器

位移傳感器選用MIRAN(米朗)ML33電渦流位移傳感器，主要由探頭、前置器、附件三部分組成。該傳感器可測量金屬導(dǎo)體距探頭表面距離，并將距離信號處理成相應(yīng)的電信號輸出，具有較穩(wěn)定的輸出特性，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。

2.2.3 瓦斯?jié)舛葯z測傳感器

目前，常用的瓦斯?jié)舛葯z測傳感器主要有催化傳感器、光纖傳感器和紅外檢測傳感器。其中，催化傳感器同時采用催化原件和熱導(dǎo)元件，可以對4%～100%的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，被廣泛應(yīng)用于礦井安全生產(chǎn)中[3-4]。

在本系統(tǒng)中瓦斯檢測傳感器選型為GJC4甲烷傳感器，相比于傳統(tǒng)甲烷檢測傳感器，該傳感器具有恒溫檢測敏感元件，可以保證在高濃度瓦斯的環(huán)境中檢測元件不被損壞，本身具有顯示功能和報警/斷電功能，方便現(xiàn)場工作人員查看。其輸出信號頻率與甲烷濃度具有線性關(guān)系，在不同瓦斯?jié)舛认拢瑐鞲衅鞯臏y量范圍與誤差如表1所示。

表1 GJC4甲烷傳感器測量范圍與誤差

2.3 跑偏開關(guān)配置

為了防止原煤運(yùn)輸過程中發(fā)生物料溢出、傾灑等情況，需要在帶式輸送機(jī)的兩側(cè)安裝跑偏開關(guān)。本系統(tǒng)中，選擇跑偏開關(guān)型號為KTP1-12-30，該傳感器動作角度為12°，極限角度為30°，安裝于立輥下方1/3處。當(dāng)立輥傾斜大于12°時，立即發(fā)出一組開關(guān)信號；若立輥繼續(xù)傾斜大于30°，則輸出另一組開關(guān)信號，兩組開關(guān)信號可分別用于告警和停機(jī)。傳感器外殼采用鋁合金精密壓鑄，具有較高強(qiáng)度，滿足現(xiàn)場安裝需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

PLC程序通過STEP軟件進(jìn)行編程，采用結(jié)構(gòu)化的程序語言，主要實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集存儲、I/O控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸[5]。程序的主要功能是完成傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送：數(shù)據(jù)采集對象包括加速度傳感器、位移傳感器、瓦斯?jié)舛葯z測傳感器；在瓦斯檢測傳感器采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，需要通過模糊控制算法對煤倉瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析，確定是否需要發(fā)出預(yù)警信號。數(shù)據(jù)發(fā)送功能主要通過RS485模塊和以太網(wǎng)通訊模塊來實(shí)現(xiàn)。

3.2 模糊控制算法

選煤廠原煤入倉過程中，煤層高度不斷增加，阻擋空氣流通，加上頂層空氣空間變小，使得倉內(nèi)瓦斯?jié)舛炔粩嗌蠞q，容易引發(fā)安全事故，因此，需要不斷啟停風(fēng)機(jī)來控制倉內(nèi)瓦斯?jié)舛?。在本系統(tǒng)中，為了能根據(jù)緩沖倉內(nèi)瓦斯?jié)舛葴?zhǔn)確控制煤倉風(fēng)機(jī)的啟停，引入模糊控制算法，以增加控制的準(zhǔn)確度。

相比PID控制器，模糊控制將語句作為控制變量，方便現(xiàn)場操作人員的調(diào)試，工作人員根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，定義系統(tǒng)控制的規(guī)則，具有操作靈活方便、簡單易學(xué)的特點(diǎn)，適用于選煤廠的風(fēng)機(jī)控制。

在選煤廠瓦斯?jié)舛饶：刂七^程中，煤倉瓦斯?jié)舛扔洖镃，C0為設(shè)置的安全濃度初值，通過對兩者進(jìn)行比較，得到誤差差值e和誤差變化率ec，將這兩個數(shù)值輸入到模糊控制器中得到模糊控制變量ux，通過疊加、數(shù)模轉(zhuǎn)換得到實(shí)際控制量k，PLC控制器最終通過調(diào)節(jié)電機(jī)電流達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3.3 監(jiān)控軟件設(shè)計

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主要軟件平臺在LabVIEW的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，LabVIEW是NI公司研發(fā)的核心軟件開發(fā)平臺，它為用戶提供了大量的用于信號采集、處理、顯示和存儲的函數(shù)和工具，極大地簡化了工業(yè)軟件系統(tǒng)的開發(fā)周期和難度，從而使得LabVIEW在交通、過程控制和醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用[6]。本系統(tǒng)中的上位機(jī)LabVIEW軟件的主要功能包括在線監(jiān)測、故障診斷，使選煤廠設(shè)備故障可視化。

4 總結(jié)

本文在介紹選煤廠生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，對選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計。選擇S7-300 PLC作為主控制器，對加速度傳感器、位移傳感器、瓦斯?jié)舛葯z測傳感器進(jìn)行選型，實(shí)現(xiàn)了選煤廠關(guān)鍵設(shè)備和緩沖倉環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測。通過模糊控制算法，對原煤存放緩沖倉的風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，保證瓦斯?jié)舛仍诎踩秶鷥?nèi)。利用LabVIEW軟件設(shè)計上位機(jī)顯示程序，搭建了選煤廠設(shè)備故障在線監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)了選煤廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。