選煤廠壓濾控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

吳 凱

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦選煤廠，山西 古交 030200）

引言

選煤廠是對(duì)煤礦所產(chǎn)出的原煤進(jìn)行加工的場(chǎng)所，其中，煤泥壓濾系統(tǒng)是原煤被洗選后的煤泥漿料進(jìn)行過濾壓榨的處理系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生不僅可再次利用，而且可對(duì)洗選煤水進(jìn)行回收再利用。當(dāng)前，選煤廠壓濾控制系統(tǒng)所面臨的問題包括有智能化程度有限、入料量?jī)H根據(jù)作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷導(dǎo)致不穩(wěn)定、與其他系統(tǒng)配套的通訊及監(jiān)測(cè)設(shè)備的配置不完善、存在極大的安全隱患等[1]。因此為提升壓濾系統(tǒng)的效率、提升其自動(dòng)化智能化水平，本文重點(diǎn)對(duì)選煤廠壓濾控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 現(xiàn)狀分析

西曲礦選煤廠壓濾系統(tǒng)所采用的壓濾組件的具體型號(hào)為KM350/2000 的快開式隔膜壓濾機(jī)，所配置壓濾機(jī)的數(shù)量為4 臺(tái)，壓濾系統(tǒng)的組成如圖1 所示：

圖1 壓濾系統(tǒng)組成圖

如圖1 所示，選煤廠壓濾系統(tǒng)包括有攪拌池。PLC 控制柜、入料泵、壓濾機(jī)、輸送帶以及壓風(fēng)機(jī)等組成。其中，攪拌池主要是實(shí)現(xiàn)煤泥料漿的合理配比；壓濾機(jī)作為壓濾系統(tǒng)核心其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)煤泥料漿的脫水功能；壓風(fēng)機(jī)為含水率降低的煤泥提供一定風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)壓榨功能；刮板輸送機(jī)對(duì)煤泥餅進(jìn)行運(yùn)輸；PLC 控制柜主要實(shí)現(xiàn)壓濾系統(tǒng)的自動(dòng)化控制[2]。目前，壓濾控制系統(tǒng)所存在的問題可總結(jié)如下：

1）對(duì)于風(fēng)壓榨環(huán)境，僅在系統(tǒng)工作前在上位機(jī)對(duì)壓榨時(shí)間參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)定時(shí)間完成壓榨環(huán)節(jié)后通過排水量由現(xiàn)場(chǎng)操作人員間接判斷含水率。上述方式智能化及可靠性偏低。

2）在實(shí)際壓濾過程中通過人工對(duì)入料時(shí)間進(jìn)行估算，常會(huì)導(dǎo)致過濾程度不一的情況發(fā)生。即，經(jīng)常導(dǎo)致過濾不充分或者噴漿的情況發(fā)生。

3）由于缺乏對(duì)煤泥料漿濃度、管路壓力等參數(shù)的監(jiān)控導(dǎo)致時(shí)常發(fā)生管路堵塞，對(duì)壓濾系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備造成沖擊，進(jìn)而降低設(shè)備的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4）當(dāng)前壓濾控制系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備、儀表以及通訊系統(tǒng)配置的不完全，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面、合理地監(jiān)控管理[3]。

綜上所述，當(dāng)前急需對(duì)選煤廠壓濾控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，并對(duì)其控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 壓濾控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

本小節(jié)在對(duì)壓濾控制系統(tǒng)整體改造的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)的硬件設(shè)備及控制規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體闡述如下：

2.1 壓濾控制系統(tǒng)的整體改造設(shè)計(jì)

通過對(duì)當(dāng)前壓濾系統(tǒng)所存在的問題及原因進(jìn)行分析后認(rèn)為，解決上述問題的核心在于通過對(duì)壓濾設(shè)備和空氣壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)上，對(duì)壓濾系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，最終達(dá)到對(duì)煤泥含水率進(jìn)行精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)控制的目的。在原壓濾控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改造后的壓濾控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示，改造后的壓濾控制系統(tǒng)以PLC 控制、變頻器等為核心，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓濾設(shè)備、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)和對(duì)系統(tǒng)液壓油壓力、溫度、管路壓力、流量等參數(shù)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓濾系統(tǒng)中入料泵和空氣壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制以確保最終煤泥含水率滿足要求[4]。

圖2 壓濾控制系統(tǒng)改造后系統(tǒng)圖

2.2 PLC 及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選型設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC 控制器的選型設(shè)計(jì)

PLC 控制器為本次改造的核心重點(diǎn)，PLC 控制器肩負(fù)著對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的分析處理和對(duì)控制信號(hào)的傳輸（包括上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）。結(jié)合壓濾控制系統(tǒng)的工況，PLC 控制器需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式、各級(jí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、液壓油缸的壓力、各限位開關(guān)的狀態(tài)、管路的壓力及流量等數(shù)字和模擬信號(hào)進(jìn)行分析處理；同時(shí)，在對(duì)上述參數(shù)分析處理的基礎(chǔ)上通過以太網(wǎng)接口上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和記錄；通過Profibus 接口將控制信號(hào)傳遞至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制；對(duì)超出閾值的參數(shù)發(fā)出報(bào)警功能并及時(shí)停機(jī)。

結(jié)合工業(yè)中PLC 控制器的應(yīng)用情況，本工程所配置的PLC 控制器為S7-300 系列。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工況為其配置數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為37，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為22，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為3。PLC 控制器其他功能模塊的選型如表1 所示：

表1 PLC 控制器相匹配的其他功能模塊選型

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的選型

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括有傳感器、觸摸屏以及變頻器，選型結(jié)果如表2 所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型結(jié)果

值得注意的是，變頻器的選型需考慮空氣壓縮機(jī)（55 kW）和入料泵（75 kW）的實(shí)際額定功率。

3 壓濾系統(tǒng)控制策略的改造及功能實(shí)現(xiàn)

目前，壓濾控制系統(tǒng)僅采用單純的電氣控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)電氣控制控制略存在延時(shí)長(zhǎng)、精度不高等問題。綜合當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的PID 和模糊PID 控制策略，本節(jié)將在對(duì)比上述兩種策略控制效果的基礎(chǔ)上，最終選擇最適用于選煤廠壓濾控制系統(tǒng)的控制策略。

以入料泵的控制為例，采用PID 控制策略，其對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)將入料泵壓強(qiáng)保持在0.75 MPa 左右；當(dāng)通過壓力變送器所檢測(cè)的壓強(qiáng)與目標(biāo)值存在偏差時(shí)，通過對(duì)入料泵變頻器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)入料流量的控制，最終實(shí)現(xiàn)入料壓力的恒定[5]。針對(duì)入料泵壓力的控制對(duì)應(yīng)的PID 的初始參數(shù)為：比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)0.51、積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)為0.4，微分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)為0.05。

同樣以入料泵的控制為例，采用模糊PID 控制策略進(jìn)行控制，其對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)同樣為保證入料泵壓力的恒定。區(qū)別在于模糊PID 控制策略能夠基于對(duì)模糊算法對(duì)PID 的初始參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)入料泵壓力在最短的時(shí)間內(nèi)完成恒定控制?；谀：惴ㄕê蟮腜ID 控制器參數(shù)為：比例環(huán)節(jié)為0.4、積分環(huán)節(jié)為0.5，微分環(huán)節(jié)為0.02。

兩種控制方式的仿真結(jié)果對(duì)比如表3 所示：

表3 PID 策略與模糊PID 策略的控制效果對(duì)比

如表3 所示，采用模糊PID 控制策略整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間與采用PID 策略明顯減小一倍；同時(shí)，在整個(gè)調(diào)整控制過程中模糊PID 控制策略的超調(diào)量較小，即對(duì)系統(tǒng)的影響、沖擊較小。

4 結(jié)語

煤泥壓濾系統(tǒng)為選煤廠的重要組成部分，其控制系統(tǒng)的性能直接決定選煤廠的工作效率和節(jié)能減排生產(chǎn)的目標(biāo)。針對(duì)傳統(tǒng)雅壓濾系統(tǒng)自動(dòng)化智能化水平、控制精度不足以及安全系數(shù)低問題，基于PLC控制器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)壓濾系統(tǒng)的硬件改造；并對(duì)比模糊PID 策略和PID 控制策略對(duì)入料泵壓力控制的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量，最終選用基于模糊PID控制策略對(duì)選煤廠壓濾系統(tǒng)進(jìn)行控制。