PLC在選煤廠電氣自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用

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（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司精煤分公司 山西 037000）

選煤廠是煤礦行業(yè)中不可或缺的機(jī)構(gòu)，其作用是對(duì)煤炭進(jìn)行篩選，過濾掉煤炭中的矸石等雜質(zhì)，根據(jù)煤礦的品質(zhì)進(jìn)行不同層次的加工，實(shí)現(xiàn)不同的用途，例如：精煤主要用于煉焦或者動(dòng)力燃煤，選煤過程中產(chǎn)生煤泥主要用于制磚或通過特殊處理進(jìn)行回收。所以選煤廠的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)較多，過程繁雜，需要同時(shí)運(yùn)行很多不同功能的設(shè)備。

1.選煤廠對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的要求

(1)運(yùn)行系統(tǒng)化

目前大多數(shù)的選煤廠都配備了煤炭破碎設(shè)備、煤炭篩分設(shè)備、輸送設(shè)備、脫水設(shè)備、流體設(shè)備、污水處理設(shè)備等。由于市場(chǎng)上諸多廠家為了提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，都研發(fā)了獨(dú)立的控制系統(tǒng)?？此票憷?，實(shí)則提升了操作的復(fù)雜程度。比如設(shè)備的操作系統(tǒng)存在差異性，有些設(shè)備使用西門子，有些設(shè)備使用法蘭克等。這些設(shè)備通常都需要獨(dú)立操作，當(dāng)設(shè)備數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，將全部設(shè)備啟動(dòng)或進(jìn)行其他操作會(huì)花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，不利于設(shè)備的統(tǒng)一運(yùn)行，可能出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異?；蚪档蜕a(chǎn)效率的問題。為解決此問題，需要將選煤廠的所有設(shè)備進(jìn)行通訊與結(jié)合，形成系統(tǒng)化的運(yùn)行機(jī)制，保障選煤工作順利、安全進(jìn)行。

(2)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化

由于選煤廠生產(chǎn)所需的設(shè)備不僅品種多樣，而且布置在不同的位置，單純靠人工巡視的監(jiān)控模式很難實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，無法在設(shè)備運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確了解各設(shè)備的詳細(xì)情況。當(dāng)某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，容易因監(jiān)控不到位，沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，加劇設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅到選煤廠工作人員的生命健康以及生產(chǎn)安全。為了能夠?qū)崟r(shí)、有效的監(jiān)控選煤廠所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，需要搭建網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控模式，生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)的傳輸，便于管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)情況。

(3)診斷智能化

由于選煤廠使用的設(shè)備種類和數(shù)量較多，每個(gè)設(shè)備出現(xiàn)的故障機(jī)理以及故障類型各不相同。需要對(duì)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的同時(shí)，根據(jù)各設(shè)備的不同用途和容易出現(xiàn)的故障，設(shè)置智能化的診斷流程。當(dāng)某個(gè)設(shè)備或幾個(gè)設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，診斷程序能夠在設(shè)備異常的最小單位時(shí)間內(nèi)，通過診斷邏輯，判斷出設(shè)備出現(xiàn)了故障。同時(shí)通過報(bào)警器提醒管理人員，并準(zhǔn)確指出發(fā)生異常的設(shè)備，便于維修人員及時(shí)前往排查故障。避免因設(shè)備故障降低生產(chǎn)效率或中斷生產(chǎn)。

2.基于PLC建立的系統(tǒng)框架

以山西白洞選煤廠為例，該廠設(shè)計(jì)入選能力為120萬噸，選煤廠整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)分為：重介旋流器分選系統(tǒng)、粗煤泥脫水處理系統(tǒng)和煤泥水處理系統(tǒng)三大系統(tǒng)。主洗系統(tǒng)包括重介旋流器分選、產(chǎn)品脫介脫水等作業(yè)，煤泥水處理系統(tǒng)包括煤泥水的濃縮和煤泥回收等作業(yè)，洗水閉路循環(huán)。該廠主要用到的設(shè)備有脫介篩，磁選機(jī)，煤泥離心機(jī)等。

基于該廠的生產(chǎn)工藝及設(shè)備，系統(tǒng)框架主要由PLC控制層和上位機(jī)監(jiān)測(cè)層兩個(gè)部分組成。

(1)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該廠的煤塊與煤末選取及加工的工藝過程由同一個(gè)PLC系統(tǒng)控制完成。PLC的主機(jī)采用德國(guó)西門子公司的S7-300，采用了模塊化結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置，單機(jī)架硬件組態(tài)最多配置8個(gè)擴(kuò)展模塊，CPU單元選用西門子配套的CPU313C-5BE00-0AB0，建立為控制主機(jī)，放置在煤塊車間。CPU中有32KB用于程序和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。帶有可擴(kuò)展的FEPROM，用存儲(chǔ)卡可擴(kuò)展到4MB。CPU的執(zhí)行時(shí)間最小可以在0.1μS至0.2μS之間。煤塊篩選部分的參數(shù)輸入單元和輸出單元均由10個(gè)SIMATIC ET200M組成，通訊模塊采用ROFIBUS總線結(jié)構(gòu)。煤末篩選部分的控制系統(tǒng)采用該P(yáng)LC的分支SIMATIC S7-300 I/O模塊，煤末篩選部分的參數(shù)輸入單元和輸出單元均由10個(gè)SIMATIC ET200M組成。通訊也采用相同的ROFIBUS總線結(jié)構(gòu)。煤末系統(tǒng)分支I/O與PLC主機(jī)的CPU通訊方式采用RS-485的方式。上位機(jī)的主要作用是把PLC系統(tǒng)采集到的各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)直觀的展示給系統(tǒng)操作人員，便于觀察和記錄設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)操作人員可通過操作觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)的控制部分由PLC主機(jī)，帶有觸摸屏功能的液晶顯示器組成。ROFIBUS總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，主要包括最高波特率可達(dá)12M的高速總線PROFIBUS-DP（H2）和用于過程控制的低速總線PROFIBUS-PA（H1）。

硬件配置如圖1所示。

圖1 基于PLC的電氣系統(tǒng)硬件配置示意圖

(2)系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

由于PLC系統(tǒng)連接選煤廠的高效雙滾筒并聯(lián)磁選機(jī)，煤泥離心機(jī)等設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)選煤過程中的原煤破碎、煤礦篩分、煤炭輸送、煤炭脫水、污水處理等功能。通訊方式使用西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC NET網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。PLC主機(jī)與分支裝置采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通訊，PLC與上位機(jī)的通訊采用工業(yè)化的以太網(wǎng)，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEE80213。

系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)如下：系統(tǒng)開始工作時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)選煤廠的所有設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)選煤廠的操作人員開啟生產(chǎn)總電源時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別到生產(chǎn)總電源開啟，判斷為需要開啟工作狀態(tài)。系統(tǒng)將按工藝的順序連續(xù)啟動(dòng)所有電氣設(shè)備。按工序啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，前面工序啟動(dòng)的設(shè)備先進(jìn)行預(yù)備生產(chǎn)狀態(tài)，待所有設(shè)備都正常開啟后，傳送設(shè)備正式進(jìn)入工作狀態(tài)，將原煤傳輸至破碎設(shè)備，開始正常的工作工序。

設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)將設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線判斷設(shè)備運(yùn)行的情況是否正常。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)讀取設(shè)備報(bào)出的故障，并對(duì)故障進(jìn)行分類。主要分為兩類：第一類單個(gè)設(shè)備故障，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響；第二類，多個(gè)設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)故障，屬于嚴(yán)重故障。

出現(xiàn)第一類故障時(shí)，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍逐漸變慢，停止源頭工序的作業(yè)，將所有生產(chǎn)設(shè)備按工序停止運(yùn)行，同時(shí)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行細(xì)致檢查。從設(shè)備通訊，設(shè)備硬件，設(shè)備程序等幾方面進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)確認(rèn)故障后，系統(tǒng)會(huì)將故障分析結(jié)果顯示在上位機(jī)的顯示屏上，并通過報(bào)警模塊，提示系統(tǒng)操作人員發(fā)生故障的設(shè)備以及具體位置，便于維修人員前往排查故障。

出現(xiàn)第二類故障時(shí)，系統(tǒng)判斷為此故障為嚴(yán)重故障，生產(chǎn)設(shè)備中已有多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障。此故障一旦報(bào)出，系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備采取急停的方式，并對(duì)所有出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將故障級(jí)別進(jìn)行排序，按照故障嚴(yán)重程度逐個(gè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查。并且將故障信息顯示在上位機(jī)的顯示屏上，并通過報(bào)警模塊，提示系統(tǒng)操作人員發(fā)生故障的設(shè)備以及具體位置，便于維修人員前往排查故障。

采用此種控制策略，不僅能夠?qū)⑦x煤廠內(nèi)所有的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能夠根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，將整條生產(chǎn)線的設(shè)備有序關(guān)?；蚣蓖?，避免遇到故障就急停，長(zhǎng)期操作對(duì)所有設(shè)備造成的損傷；以及急停不到位，導(dǎo)致設(shè)備在嚴(yán)重故障下運(yùn)行，導(dǎo)致?lián)p壞。

系統(tǒng)控制策略如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制策略示意圖

3.系統(tǒng)的抗干擾措施

該系統(tǒng)在實(shí)際安裝，以及后期的使用與維護(hù)時(shí)應(yīng)采取合理的抗干擾措施。主要通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮分析。

（1）針對(duì)不同的信號(hào)選擇合適材料的連接線路。針對(duì)開關(guān)信號(hào)線，傳輸過程中抗干擾能力相比其他信號(hào)線強(qiáng)，可以采用非屏蔽線進(jìn)行電路連接；針對(duì)高頻率的脈沖信號(hào)，其抗干擾能力相對(duì)較弱，需要采用具有屏蔽功能的電線進(jìn)行連接。

（2）系統(tǒng)布置時(shí)需要考慮合理分布，避免產(chǎn)生干擾。系統(tǒng)布置時(shí)，在選煤廠內(nèi)保障所有連接線路有良好的接地。PLC主機(jī)要避免與干擾源距離過近。例如，較大功率的變壓器、大型動(dòng)力設(shè)備等。此外，PLC系統(tǒng)推薦使用單獨(dú)的接地針腳，如實(shí)際情況無法達(dá)到，可以將單獨(dú)的針腳與公共接地針腳相接，但不能連接大功率設(shè)備。

4.結(jié)語

在傳統(tǒng)選煤廠的現(xiàn)有電氣設(shè)備上，加裝帶有PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠兼容所有生產(chǎn)線的電氣設(shè)備，同時(shí)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)一控制。當(dāng)單個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)故障的嚴(yán)重程度對(duì)生產(chǎn)線上的所有電氣設(shè)備進(jìn)行管控，能夠?qū)㈦姎庠O(shè)備的損傷程度降至最低，同時(shí)能夠提示維修人員具體的故障設(shè)備，便于快速維修，避免造成長(zhǎng)時(shí)間的停線，保障選煤廠的生產(chǎn)效率。