基于PLC的選煤廠精煤自動裝車控制系統(tǒng)應用研究

張進帥

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214）

引言

目前，煤礦開采領域已投入了自動裝車控制系統(tǒng)，但整體的自動化程度相對較低，系統(tǒng)控制精度及響應速度也較差，人員作業(yè)時的勞動強度較大，無法滿足當前實現(xiàn)煤礦開采自動化、智能化及無人化控制的發(fā)展需求[1-2]。將更加成熟的控制技術應用到裝車控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)的升級改進設計，已成為當前選煤廠智能化能力提升的關鍵。

1 現(xiàn)有裝車控制系統(tǒng)存在的問題

目前，國內(nèi)選煤廠整體已向自動化、智能化方向進行了改造升級。部分領域已實現(xiàn)了較高的自動化控制。但由于國內(nèi)鐵路技術發(fā)展的影響，選煤廠中的自動裝車系統(tǒng)運行時仍存在較多問題，主要包括如下幾點：

1）當前的裝車控制系統(tǒng)主要依靠人力進行半自動化操作控制，控制精度及操作流程主要依靠人員的經(jīng)驗和熟練度，若經(jīng)驗不足，極可能造成裝車效率的降低[3];

2）整個控制系統(tǒng)中未安裝自動及監(jiān)控系統(tǒng)，無法對全過程進行監(jiān)測控制，人員也無法實時、準確地掌握現(xiàn)場的作業(yè)情況，極容易造成信息誤判、操作失誤等情況，大大降低了工作效率；

3）由于選煤廠現(xiàn)場環(huán)境的復雜性，經(jīng)常出現(xiàn)所傳輸數(shù)據(jù)信息易受到外界干擾、信號不穩(wěn)定等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫蚕鄬^低，已無法滿足當前較多數(shù)據(jù)的實時、快速傳輸需求；

4）針對選煤廠精煤裝車現(xiàn)場所出現(xiàn)的故障問題，當前控制系統(tǒng)無法進行故障異常報警，僅能通過人員對現(xiàn)場進行逐一排查方可解決故障，故障排查效率低、現(xiàn)場作業(yè)安全性較差[4]。

為此，不斷對當前精煤的裝車控制系統(tǒng)進行升級設計，實現(xiàn)整個過程的自動化控制、參數(shù)自動調(diào)節(jié)、異常情況自動識別及報警等功能，已是提升裝車控制系統(tǒng)綜合性能的必然方向。

2 自動裝車控制系統(tǒng)總體設計

依托當前精煤裝車控制系統(tǒng)的現(xiàn)有基礎，開展了精煤自動裝車控制系統(tǒng)的改進設計。所設計的控制系統(tǒng)包括了PLC控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、上機位監(jiān)控模塊、通訊模塊、報警模塊等，主要實現(xiàn)精煤倉口閘門控制、皮帶輸送控制、煤礦重量稱重、水分供給控制、作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控等功能[5]。其中，系統(tǒng)中的核心控制器選用了西門子的S7-300系列PLC，與上位機監(jiān)控系統(tǒng)之間則通過工業(yè)以太網(wǎng)、RS485等通訊方式進行信號傳輸及通訊；通過PLC控制器，能實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場設備的操作、控制、監(jiān)控及相關數(shù)據(jù)信號的傳輸；控制系統(tǒng)中的電壓平臺包括DC24V和DC12V，以滿足系統(tǒng)內(nèi)部的用電需求。

整個自動裝車控制系統(tǒng)的控制流程為：首先對火車進行車輛識別，將識別到的信息傳遞并反饋給PLC控制器中，在PLC控制器中對火車的入場順序進行排序；而裝車時，控制鐵牛牽引電機來帶動火車緩慢移動。當檢測到火車信號時，簸箕和皮帶機啟動，將精煤輸送并通過簸箕流入火車車廂中，實現(xiàn)精煤的自動裝車。其中，裝煤的流量則通過PLC控制柜進行控制，皮帶機的傳輸速度則通過變頻器控制數(shù)字信號來實現(xiàn)速度控制；經(jīng)過計算后，在完成精煤重量稱重及對比判斷后，停止裝煤，火車移動，并對數(shù)據(jù)進行保存，循環(huán)開始下一個火車裝煤操作，自動裝車控制系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 自動裝車控制系統(tǒng)流程圖

3 控制系統(tǒng)主要部分設計

3.1 PLC控制器選型設計

PLC控制器時整個系統(tǒng)的關鍵部分，可實現(xiàn)對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)運算、設備控制、邏輯判斷、信號轉(zhuǎn)換及通訊等操作。因此，本系統(tǒng)選用了西門子的S7-300系列PLC控制器，該控制器包括了CPU處理器模塊、開關量輸入及輸出模塊、電源模塊、控制器模塊、模擬量模塊，其中，電源模塊采用了PS307型號，處理器選用了CPU315型號，通訊模塊則選用了CP341型，而I/O模塊則采用了光電隔離及防爆型，并將PLC安裝在配電柜中[6]。而配電柜的輸入則采用了AC220V電源，內(nèi)部也按照了穩(wěn)壓電源、開關、繼電器等元器件，由此，完成了PLC的選型設計。S7-300系列PLC控制器如圖2所示。

圖2 S7-300系列PLC控制器

3.2 電子軌道稱重分系統(tǒng)設計

當精煤放入車廂后，需對多放入的精煤重量進行稱重，以實現(xiàn)對精煤裝入量的控制，故設計了一套電子軌道稱重分系統(tǒng)設計。在該分系統(tǒng)中，選用了兩個電阻式重力傳感器，具有過載能力強、誤差小、性能穩(wěn)定等特點，可安裝在稱重臺的兩側(cè)，通過檢測到來自車廂的壓力，利用激勵拱橋電源的轉(zhuǎn)換作用，將壓力信號轉(zhuǎn)換為相應的重量電信號，經(jīng)過信號的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換等操作后，將最終處理信號經(jīng)過RS485接口傳輸至PLC控制器中進行分析判斷和運行，當重量達到設計值時，PLC則發(fā)出控制命令，自動停止裝煤作業(yè)操作，以此實現(xiàn)對精煤重量的稱重操作。稱重系統(tǒng)的原理如圖如圖3所示。

圖3 電子軌道稱重分系統(tǒng)原理圖

3.3 水分供給控制分系統(tǒng)設計

煤炭經(jīng)過洗選后，精煤中會夾雜著一定含量的水分，較多的水分會使煤炭質(zhì)量下降，較低水分也會煤炭重量降低，煤碳中的水分含量是評價煤炭經(jīng)濟價值的關鍵指標。為此，設計了一套水分供給控制分系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對煤炭中水量的控制及水分檢測。該分系統(tǒng)中配備了微波式水分儀，安裝在皮帶機下方的C型框架下，所發(fā)射出微波能穿透煤炭物料，發(fā)射能量的衰減及相位偏移，利用微波的能量衰減及相位偏移，以此來判斷煤炭中的水分含量。所檢測到的水分數(shù)據(jù)將通過RS485通訊接口傳輸至PLC控制器中進行對比判斷，當檢測到水分超過閥值時，則可通過輸出模塊來將噴淋裝置的調(diào)節(jié)閥開度減小，實現(xiàn)對水分供給的控制。所設計的水分供給控制分系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 水分供給控制分系統(tǒng)原理圖

4 控制系統(tǒng)應用評價

在完成精煤自動裝車控制系統(tǒng)的全面設計后，為進一步驗證該控制系統(tǒng)的綜合性能，將其在選煤廠中進行了集成應用測試，主要對系統(tǒng)的精煤倉口閘門控制、皮帶輸送控制、精煤稱重、水分供給控制、異常報警等方面進行全面測試，測試周期將近5個月。經(jīng)過測試后，該系統(tǒng)運行正常，功能更加強大，實時性好，能自動對進出火車的車輛號進行自動識別，成功解決了傳統(tǒng)的人工輸入車號的痛點。同時，整個過程的設備啟停、精煤裝量、水分供給控制等方面均。實現(xiàn)了無人化自動控制，全程無人員進行操作控制；經(jīng)抽樣，每個火車車廂內(nèi)的精煤重量基本相同，實現(xiàn)了精煤裝量的精確控制。另外，該控制系統(tǒng)針對裝車過程出現(xiàn)的水分過多、重量過重、超載、溫度過高等異常情況也實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動報警提示及故障位置顯示，人員可根據(jù)故障顯示位置，快速對故障進行排除，避免了因系統(tǒng)故障造成的時間浪費問題。整套系統(tǒng)的成功應用，達到了預期目的和效果。

5 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、功能更加強大，實現(xiàn)了整個裝車過程中多環(huán)節(jié)的自動化、遠程控制操作；

2）實現(xiàn)了火車車號的自動識別，解決人員手動輸入車號的低效率操作問題；

3）全過程的設備啟停、精煤裝量、水分供給、精煤稱重等方面均實現(xiàn)自動化遠程控制，無需人員進行操作控制，整體自動化程度大大提高；

4）系統(tǒng)運行時的水分過多、重量過重、超載、溫度過高等也實現(xiàn)了自動報警及故障位置顯示，實現(xiàn)了人員快速排查故障的高效操作；

5）該系統(tǒng)的成功應用，提高了精煤的裝車效率，降低了裝車過程的故障率，減輕了人員的勞動強度，達到了預期效果。