基于PLC的重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

劉永光

(西山煤電股份有限公司 西銘礦選煤廠，山西 太原 030053)

0 引言

重介質(zhì)選煤因其分選精度較高、分選粒度范圍較大、可適用于各類不同煤質(zhì)，同時還易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，已成為一種應(yīng)用普遍的高效選煤技術(shù)[1-3]。在重介質(zhì)選煤過程中，重介質(zhì)懸浮液的密度、流量、入料壓力、煤泥含量等工藝參數(shù)都會影響選煤效果，因此對重介質(zhì)選煤過程進行實時監(jiān)測和控制對于提高選煤效率及質(zhì)量至關(guān)重要。

目前國內(nèi)許多中小型煤礦針對選煤過程的監(jiān)控仍采用傳統(tǒng)人工方法，不僅效率低下，而且會耗費大量人力。同時人工方式的選煤結(jié)果受人為因素影響較大，分選效果較差，因此需要通過集中控制系統(tǒng)對選煤過程進行自動化監(jiān)控[4,5]。由于國內(nèi)針對選煤集中控制系統(tǒng)技術(shù)的起步較晚，大部分系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID方式進行控制，控制精度不高，且系統(tǒng)滯后性較大，導(dǎo)致精煤損失率較高，分選效果不夠理想。針對上述問題，本文設(shè)計了一套以PLC為控制核心的選煤自動控制系統(tǒng)，并將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，從而提高系統(tǒng)的控制精度及響應(yīng)速度，具有動態(tài)性能及魯棒性較好、穩(wěn)態(tài)精度高、超調(diào)量小等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)的主要目的是將選煤自動控制、選煤過程參數(shù)監(jiān)測和生產(chǎn)管理三者相結(jié)合，從而實現(xiàn)選煤的綜合一體化集中監(jiān)控。本文采用集中-分布體系對整體系統(tǒng)進行架構(gòu)，其中主站PLC主要負責(zé)選煤廠主廠房及各操作生產(chǎn)車間內(nèi)各類傳感器采集信號的收集與上傳，并根據(jù)上位機指令對各執(zhí)行機構(gòu)進行控制從而實現(xiàn)重介質(zhì)懸浮液密度的調(diào)節(jié)等。兩個從站PLC分別負責(zé)選煤廠篩分破碎車間及最后煤體的分揀。集控室內(nèi)設(shè)置的上位機用于遠程參數(shù)監(jiān)測及控制指令的下達，上位機與各下位機PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，并在現(xiàn)場設(shè)置相應(yīng)交換機從而提高通訊信號的傳輸距離并降低信號的衰減及干擾影響，選煤自動控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 選煤自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在眾多選煤工藝參數(shù)中，對選煤效果影響最大的是重介質(zhì)懸浮液密度，如果懸浮液密度過大，精煤的灰分將提升，導(dǎo)致精煤質(zhì)量不達標(biāo)[6，7]；如果密度過小，會嚴重影響精煤產(chǎn)率，因此本系統(tǒng)最重要的功能就是要實現(xiàn)重介質(zhì)懸浮液密度的自動調(diào)節(jié)。本文以模塊化思想對重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)進行設(shè)計，將子系統(tǒng)劃分為4個模塊，分別為懸浮液參數(shù)采集模塊、分析控制模塊、上位機模塊以及執(zhí)行機構(gòu)模塊，相應(yīng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

子系統(tǒng)中的參數(shù)采集模塊由各類傳感器組成，其中液位傳感器主要用于檢測分流后的煤體、矸石以及懸浮液的液位值，密度傳感器主要用于采集煤泥及懸浮液的密度值，磁性物傳感器主要用于采集磁性物質(zhì)含量等參數(shù)。子系統(tǒng)運行時，首先由參數(shù)采集模塊將采集到的各類參數(shù)上傳至分析控制模塊，分析控制模塊通過將接收到的各類參數(shù)與設(shè)定閾值進行對比并得到相應(yīng)的調(diào)整策略，最終由分析控制模塊將控制指令傳輸至執(zhí)行機構(gòu)模塊進行相應(yīng)調(diào)整，使各參數(shù)穩(wěn)定在合格范圍內(nèi)。

1.2 基于模糊PID的懸浮液密度控制策略

由于重介質(zhì)懸浮液密度的控制過程具有較強的非線性特征，因此在大多選煤控制系統(tǒng)中都采用PID控制。傳統(tǒng)PID控制的動態(tài)性能較差，并且各環(huán)節(jié)參數(shù)的整定過分依賴準(zhǔn)確的受控對象數(shù)學(xué)模型，因此難以滿足高精度的控制需求[8]。而模糊控制算法無需得到受控對象的數(shù)學(xué)模型即可通過規(guī)則知識進行推理，將模糊控制與PID控制相結(jié)合，以模糊推理規(guī)則代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID中的比例、積分、微分調(diào)節(jié)參數(shù)，即可使控制器在隨機環(huán)境下實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，使得整體系統(tǒng)在受到較大擾動的情況下仍可保持良好的控制性能，模糊PID控制原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制原理圖

由圖3可知，該模糊PID控制器的原理是在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上通過模糊推理來得到三個調(diào)節(jié)參數(shù)GKP、GKI、GKD以及偏差量e(t)和偏差變化率de/dt的模糊關(guān)系，最終得到輸出量ΔKP、ΔKI、ΔKD，用于實時調(diào)整三個P、I、D參數(shù)，使得對受控對象的控制效果更優(yōu)化。

2 硬件方案設(shè)計

該控制系統(tǒng)的核心硬件主要為各主從站PLC及數(shù)據(jù)采集模塊中用于現(xiàn)場參數(shù)采集的各類傳感器，PLC與傳感器的合理選用是保證系統(tǒng)控制及采集參數(shù)可靠性的關(guān)鍵，因此需要進行合理選型。為了保證控制精度，本系統(tǒng)的控制核心選用S7-1500可編程控制器，其CPU模塊型號選用1513-1PN，電源模塊選用PM 70 W 120/230VAC型，可適用于各類供電網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。從站PLC需要收集傳感器所采集的各類信號，因此除CPU及電源模塊外還需要模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)和SM332(AO)。

重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)作為整個自動控制系統(tǒng)的核心部分，最主要的功能就是實現(xiàn)懸浮液密度的自動調(diào)節(jié)，因此密度傳感器的選型對其密度調(diào)控的精確性至關(guān)重要。受重介質(zhì)懸浮液池內(nèi)大量雜質(zhì)及氣泡的影響，大部分密度計的測量誤差較大，效果并不理想。為了保證測量結(jié)果的可靠性，選用PH-2000型γ射線密度計對懸浮液密度進行測量，其密度測量范圍為0～3 000 kg/m3，輸出為標(biāo)準(zhǔn)4 mA～20 mA電流信號，由于γ射線的高穿透性以及非接觸式的測量結(jié)構(gòu)，可以最大限度地降低液體中雜質(zhì)、氣泡以及液體流量的影響，滿足本系統(tǒng)的精度需求。

本系統(tǒng)采用HCUS-500型超聲波液位傳感器對水池及介質(zhì)桶內(nèi)的懸浮液液位進行監(jiān)測，其測量范圍為0～20 m，測量精度可達0.5%～1.0%，信號輸出為兩線制4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流，同時具有自動功率調(diào)整及增益控制功能，方向性好，穿透能力強，可滿足本系統(tǒng)需求。

針對池內(nèi)磁性物質(zhì)的監(jiān)測，選用TS-SDC-8A磁性物含量測量儀進行測量，其測量范圍為0～1 000 g/L，測量精度為±1%，可輸出4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，滿足本系統(tǒng)監(jiān)測需求。

3 軟件方案設(shè)計

本系統(tǒng)的運行模式包括全線自動、手動及檢修三種模式。當(dāng)進入自動模式時，系統(tǒng)將按照程序預(yù)設(shè)置的開車流程自動進行煤炭的運輸、離心、脫介篩、重介質(zhì)選煤等相應(yīng)操作；當(dāng)選擇手動模式時，需通過就地操作箱完成選煤操作；當(dāng)系統(tǒng)處于檢修模式時，設(shè)備即停止運行并進行相關(guān)檢修工作，相應(yīng)程序流程如圖4所示。

圖4 運行模式選擇流程圖

重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)軟件的功能主要包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號輸出及數(shù)據(jù)管理等，子系統(tǒng)軟件具體功能如圖5所示。

圖5 重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)軟件功能圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)的不足，以PLC為控制核心結(jié)合模糊PID控制技術(shù)設(shè)計了一套控制精度高、響應(yīng)速度快、可靠性較高的重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)，通過主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)及各類傳感器實現(xiàn)了對選煤過程的自動控制及工況參數(shù)的實時監(jiān)測，保證選煤廠整個選煤流程安全高效地進行。