基于PLC的煤泥壓濾自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

原 凱

（潞安化工集團(tuán)漳村煤礦洗煤廠，山西 長(zhǎng)治 046000）

近些年來(lái)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展我國(guó)的煤炭行業(yè)得到了很好的發(fā)展，煤炭需求量劇增，所以煤炭這一行業(yè)對(duì)其所需要的設(shè)備的需求數(shù)量很多。傳統(tǒng)的壓濾機(jī)使用起來(lái)不方便、需要人工控制、線(xiàn)路復(fù)雜、易壞難修，而且在生產(chǎn)煤炭時(shí)還特別離不開(kāi)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)和使用機(jī)器的能力，這些問(wèn)題使得煤炭出產(chǎn)率很難提高。煤炭的壓濾機(jī)不僅是煤泥的擠壓過(guò)濾系統(tǒng)的很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而且在煤廠的加工運(yùn)作中具有不能被替代的關(guān)鍵作用，且壓濾機(jī)的好壞與選煤廠的加工管理、煤炭利用、減少污染等工作有著密不可分的關(guān)系。開(kāi)展壓濾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)工作不僅可以很好地提高壓濾系統(tǒng)的加工速率、減少壓濾過(guò)程所花資金、確保煤泥壓濾的品質(zhì)，還能順應(yīng)國(guó)家提倡的綠色生產(chǎn)及長(zhǎng)久發(fā)展的新目標(biāo)，所以開(kāi)展改造壓濾機(jī)自動(dòng)化的計(jì)劃具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

1 現(xiàn)如今煤泥壓濾及其控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中的弊端

需要人工控制是煤泥壓濾系統(tǒng)存在的第一個(gè)弊端。在煤泥的壓榨過(guò)程中的壓榨的時(shí)間的長(zhǎng)短就需要根據(jù)過(guò)濾料漿是否濃稠以及煤泥中的水分含量來(lái)設(shè)定而且需要根據(jù)操作人員查探到的排水量的多少來(lái)進(jìn)一步設(shè)定，所以煤炭的產(chǎn)量低而且煤炭的質(zhì)量很難一樣。第二大問(wèn)題就是原料入量不能控制。這個(gè)主要被決定于煤泥料漿的顆粒的大小以及濃度來(lái)對(duì)入料量進(jìn)行控制，由于工人技術(shù)水平參差不齊且需工人手動(dòng)調(diào)控，就會(huì)常常出現(xiàn)壓濾的不充分或者壓濾過(guò)度的情況。問(wèn)題三，一些重要步驟的安全問(wèn)題也不容忽略，如由于煤泥濃度和粒度發(fā)生很大的變化而導(dǎo)致的可能出現(xiàn)的管道被堵的現(xiàn)象，而且入料泵在很長(zhǎng)一段時(shí)間的額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，有很大的概率會(huì)使管路受到過(guò)高的壓力被破壞從而發(fā)生故障。還有，基于控制系統(tǒng)中所使用的機(jī)器儀表、通信程序等環(huán)節(jié)還不完備等短板而導(dǎo)致的不能高效率的監(jiān)控完整的壓濾系統(tǒng)的弊端[1]。

2 大體規(guī)劃設(shè)想

為了減少壓濾機(jī)的人工操控率，完成對(duì)壓濾機(jī)工作的整個(gè)過(guò)程的時(shí)刻觀測(cè)和遠(yuǎn)程操做，使排查壓濾機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障的難度降低，確保壓濾機(jī)可以很好的運(yùn)作，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和以往的資料，在原有的基礎(chǔ)上，對(duì)煤泥壓濾機(jī)的全套自動(dòng)化操控系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。具體方案見(jiàn)圖1。從圖1展示的是煤泥過(guò)濾的非手動(dòng)化操控系統(tǒng)包括PLC、觸摸屏、入料泵、壓濾系統(tǒng)、變頻器等一系列的傳感器等部分。在這些里面，PLC是這一整個(gè)操控系統(tǒng)的重中之重，對(duì)壓濾機(jī)等實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理然后再加以分析處理都由它完成，然后再在顯示屏上把操控的命令等其他消息展示出來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓濾系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

這個(gè)控制系統(tǒng)的重要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包含:對(duì)煤泥過(guò)濾機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)式的操控;非自動(dòng)、維護(hù)、聯(lián)合操作等操控方式;在觸摸屏上，可以全程展示過(guò)濾系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)作狀態(tài)以及里面每個(gè)地方的壓力和狀態(tài)的數(shù)據(jù)，往往可以依據(jù)目標(biāo)操控的要求而對(duì)其中各種參數(shù)值重新設(shè)定和隨時(shí)更改。不但操作起來(lái)又方便又快，而且操作時(shí)的狀況還很清晰直觀。包含了濾壓裝置、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)輸送等一流技術(shù)，從而用于對(duì)煤炭的遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。

3 操控系統(tǒng)的硬件構(gòu)想

3.1 PLC選擇型號(hào)型的設(shè)想

在操控系統(tǒng)中的PLC的型號(hào)是57-300，它不但可以通過(guò)Profibus-DP協(xié)議達(dá)成與變頻器的溝通聯(lián)系，而且在連接以太網(wǎng)后還可以和觸摸屏形成關(guān)聯(lián)，PLC 的控制操作原理由圖2展示。圖2展示的是，PLC的控制系統(tǒng)有兩部分分別是控制柜和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中控制柜有CPU、通信的接口、I/O 模塊以及繼電器、觸摸屏和電源等，其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備指的是壓濾機(jī)還包括與其相配套的儀器和壓風(fēng)機(jī)等?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是：接收觸摸屏的操控指令和參數(shù)的功能后再傳達(dá)出去；壓濾系統(tǒng)在正常情況下可以毫無(wú)問(wèn)題的開(kāi)啟以及預(yù)防被沖擊的性能；問(wèn)題發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)的功能；PLC能夠接收到由現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到并發(fā)出的系統(tǒng)運(yùn)作狀況的信息，采用非外嵌式的系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理篩選，從而使輸出的操控命令可以操控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以達(dá)到設(shè)備良好工作的目的；按了控制柜上的按鈕后可以達(dá)成對(duì)壓濾系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式的更換和對(duì)設(shè)備運(yùn)作的調(diào)控。

3.2 壓力傳感器的型號(hào)選擇

和煤泥壓濾的質(zhì)量的高低密不可分的是在煤泥壓濾過(guò)程中極為關(guān)鍵的參數(shù)——壓力，這里所指的壓力指：入料、進(jìn)風(fēng)、壓榨三個(gè)壓力值，壓濾系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的入料的壓力值大概是0.7MPa，壓榨時(shí)的壓力值大概是1.0MPa，進(jìn)風(fēng)的壓力值大概是0.7MPa。看了上面指出的壓力數(shù)值以及整個(gè)系統(tǒng)的工作需要，所以選擇了電容式名稱(chēng)為SK-DBS208的壓力傳感器。

3.3 關(guān)于觸摸屏的挑選依據(jù)

在系統(tǒng)里的觸摸屏可以很直白地展示出在過(guò)濾壓力系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，為工作人員對(duì)設(shè)備系統(tǒng)展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了可能，從而更好的根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況對(duì)設(shè)備下達(dá)指令和監(jiān)控。觸摸屏被安在了PLC 上，因?yàn)樵O(shè)備沒(méi)有在良好的環(huán)境中運(yùn)行，所以挑選了能在惡劣環(huán)境中工作的觸摸屏——昆侖通態(tài)TCP1063K。

3.4 關(guān)于變頻器的型號(hào)選擇

在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中，變頻器能夠和以上說(shuō)到的兩個(gè)機(jī)器合作以保證完成壓力信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，再傳送到PLC進(jìn)行下一步分析，從而最終輸出控制系統(tǒng)的信號(hào)，以達(dá)到對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行恒定壓力的控制任務(wù)，從而進(jìn)一步確保系統(tǒng)在沖壓時(shí)能夠低時(shí)高質(zhì)安全的工作。變頻器主要被應(yīng)用于入料泵和風(fēng)壓機(jī)上，這兩者的額定功率依次是75kW 和55kW，為了能確保壓濾系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠安全穩(wěn)定，所以使用了西門(mén)子MICRO?MASTER440變頻器，選擇理由是它的額定輸出功率是90kW，額定電流輸出為178A，在全程運(yùn)轉(zhuǎn)中有較高的穩(wěn)定性，這些優(yōu)點(diǎn)足以滿(mǎn)足壓濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)劃要求。

3.5 構(gòu)建以太網(wǎng)通信

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信核心是MCGS 組態(tài)軟件，這個(gè)軟件可以隨時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)的程序以應(yīng)對(duì)在運(yùn)行中的各種情況，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)收集和操控信號(hào)的傳達(dá)得到保證。驅(qū)動(dòng)程序的線(xiàn)程都是獨(dú)立不交叉的，以防止工作中發(fā)生兩兩干擾。工業(yè)上的以太網(wǎng)是由PLC和觸摸屏共同組成的，選用了RJ45水屏，和8芯的可以屏蔽信號(hào)的雙絞線(xiàn)相互連接，在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)配置的以太網(wǎng)IP地址可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳送與通訊[3]。

4 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件

4.1 主程序的構(gòu)設(shè)規(guī)劃

圖3 展示的是煤泥的壓濾機(jī)的控制系統(tǒng)的主體程序圖。圖框中要求不同相對(duì)應(yīng)的所設(shè)計(jì)的程序也不同，這包含了一個(gè)設(shè)備里的程序設(shè)計(jì)，且程序設(shè)計(jì)可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在開(kāi)啟PLC 后，操作系統(tǒng)就進(jìn)入了OB100的狀態(tài)，這表示程序的初始化完成；在初始設(shè)定啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)自己轉(zhuǎn)入主OB1程序，一步步達(dá)成對(duì)壓濾設(shè)備的保護(hù)功能和整個(gè)系統(tǒng)狀況的信息的收集。通過(guò)進(jìn)一步加工后滿(mǎn)足系統(tǒng)的開(kāi)啟條件，而且在正常的情況下開(kāi)啟后系統(tǒng)可以不犯錯(cuò)誤地接收到操作人員發(fā)出的指令從而管控壓濾機(jī)。

4.2 下級(jí)程序的構(gòu)思

煤泥的壓濾系統(tǒng)中下級(jí)程序中包括機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)方式的挑選、對(duì)壓風(fēng)機(jī)的聯(lián)合控制、對(duì)入料泵的操控以及遇到故障發(fā)出警報(bào)等。這些里面，運(yùn)轉(zhuǎn)方式下子程序的主要作用就是完成系統(tǒng)的人工操作、檢查維修和聯(lián)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)變；風(fēng)壓機(jī)的聯(lián)控下級(jí)程序的任務(wù)是對(duì)風(fēng)壓機(jī)里實(shí)時(shí)壓力的檢測(cè)、收集和分析。在現(xiàn)實(shí)數(shù)值與目標(biāo)數(shù)值的對(duì)比中，能夠傳達(dá)風(fēng)壓機(jī)變頻器的合理操控，保證風(fēng)壓機(jī)壓力數(shù)值整體穩(wěn)定與發(fā)生變化后對(duì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓壓力始終保持在1MPa 上下；入料泵操控子程序的設(shè)計(jì)理念和風(fēng)壓機(jī)大致相同，經(jīng)由壓力傳感器收集入料泵的每時(shí)刻壓力維持入料泵壓力的固定數(shù)值與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)值，使壓力整體穩(wěn)定在0.7MPa 上下；故障發(fā)生時(shí)的報(bào)警系統(tǒng)則主要隨時(shí)警報(bào)煤油壓濾器中的油的溫度、油的壓力以及運(yùn)行壓力等，在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作過(guò)程中只要PLC 接到的運(yùn)作情況信號(hào)發(fā)生異動(dòng)，那么系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)啟發(fā)生問(wèn)題就發(fā)出響動(dòng)提示的系統(tǒng)，而且會(huì)在屏幕上同步顯示出故障發(fā)生的地點(diǎn)以及解決故障的方案，在問(wèn)題被解除之后就會(huì)恢復(fù)正常。

4.3 位于上位機(jī)的軟件構(gòu)想

在此基礎(chǔ)上觸摸屏以及上位機(jī)達(dá)成煤泥壓濾的監(jiān)視系統(tǒng)的構(gòu)想，里面都包含主界面、狀態(tài)顯示界面、對(duì)參數(shù)的設(shè)置界面等，使屏幕前的工作人員可以通過(guò)屏幕了解全部信息。在屏幕中，界面的主要部分被用在隨時(shí)顯示壓濾系統(tǒng)里面各種設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，在選中界面里面的設(shè)備圖標(biāo)后，就會(huì)轉(zhuǎn)入控制界面的設(shè)置框，從而調(diào)整設(shè)備的參數(shù)；對(duì)話(huà)框的轉(zhuǎn)換菜單能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)界面的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的主要界面在圖4展示；在狀態(tài)展示界面能夠直接看到煤泥壓濾的每個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，給操作者操控調(diào)改參數(shù)值提供借鑒依據(jù)；煤泥壓濾整個(gè)系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)的最初設(shè)定值及后期改正由參數(shù)的設(shè)定界面調(diào)控；操作失誤以及設(shè)備的安全問(wèn)題則可以在注釋界面看到，顯示問(wèn)題發(fā)生的原因和篩選問(wèn)題的指導(dǎo)建議。

圖4 系統(tǒng)主界面

5 運(yùn)轉(zhuǎn)成效檢測(cè)

新設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在投入到煤炭的生產(chǎn)加工后，煤泥濾餅里所包含的水分含量會(huì)比之前降低將近10%，新設(shè)備下可以把煤泥濾餅里的水分含量穩(wěn)穩(wěn)地把控在20%上下，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)一次的時(shí)間將由以前的50min 縮到35min，將很大地提高煤泥壓濾的運(yùn)轉(zhuǎn)能力和工作效率，確保了壓濾后產(chǎn)品的品質(zhì)，將減少操作人員的工作時(shí)間和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，獲得了很好的設(shè)計(jì)成果。

6 結(jié)束語(yǔ)

壓濾機(jī)在煤泥壓濾過(guò)程中是非常關(guān)鍵的壓濾裝置，它操控的非手動(dòng)化水平將極大地影響生產(chǎn)的效率及產(chǎn)品品質(zhì)。談到某一個(gè)煤炭加工廠里的煤泥壓濾系統(tǒng)存在很多的短板問(wèn)題，對(duì)以上關(guān)于PLC 的操控使用系統(tǒng)進(jìn)行了新的構(gòu)思，以硬件設(shè)施、軟件設(shè)施、上位機(jī)為代表做了對(duì)整體控制系統(tǒng)的改造調(diào)整。在投入生產(chǎn)中的情況來(lái)看，新的控制系統(tǒng)的使用使煤泥濾餅里的水分含量為原來(lái)的90%左右，加工一次時(shí)間比原來(lái)減少了15min，提高并穩(wěn)定了煤泥濾餅的品質(zhì)，使煤泥壓濾的工作更快更好地完成，且效果明顯。