重介質(zhì)洗煤自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

司海波

（山西高平源野煤業(yè)有限公司機(jī)電管理部，山西 晉城 048000）

引言

重介質(zhì)洗煤技術(shù)具有精度高、適應(yīng)力強(qiáng)、粒度分選范圍廣以及可低密度分選等特點(diǎn)，是一種比較易于自動化控制的高效科學(xué)的洗煤方法。影響重介質(zhì)洗煤效果優(yōu)劣的指標(biāo)較多，包括重介質(zhì)懸浮液流量、密度、煤泥質(zhì)量、磁性物含量、懸浮液入料壓力以及合格介質(zhì)桶液位等。眾多的重介質(zhì)洗煤參數(shù)以及工藝設(shè)備參數(shù)控制的滯后性，使得該洗煤方法僅靠人工完成操作較為困難。針對這一現(xiàn)象，本文擬以PLC 可編程控制器以及工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行重介質(zhì)洗煤集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期對重介質(zhì)選煤自動化發(fā)展有所幫助。

1 重介質(zhì)洗煤工藝分析

重介質(zhì)洗煤運(yùn)用的主要原理為阿基米德原理，密度大于懸浮液密度的顆粒在下層，比懸浮液密度小的在上層。運(yùn)動中的顆粒會受到重力、浮力以及運(yùn)動阻力三種力。剛開始加速的顆粒最終會與懸浮液以末速度做相對運(yùn)動。顆粒大的，相對速度就大，分選的速度就會越快，分選效率較其他就更高。故重介質(zhì)洗煤方法是以密度大小進(jìn)行分選，其主要影響因素為重介質(zhì)懸浮液特性[1-5]。

本文以某洗煤廠為例進(jìn)行重介質(zhì)洗煤工藝介紹，其基本流程示意圖如圖1 所示。該洗煤廠運(yùn)用的是三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器工藝。首先，應(yīng)對原煤進(jìn)行重介質(zhì)懸浮液預(yù)濕，使其在重力的作用下進(jìn)入重介質(zhì)旋流器。介質(zhì)泵將與煤泥水充分?jǐn)嚢杌靹虻闹亟橘|(zhì)懸浮液沿切線打入一段重介質(zhì)旋流器，一段重介質(zhì)旋流器在內(nèi)部將二者攪拌并產(chǎn)生雙旋流層后，可將精煤分選出來。剩余的重產(chǎn)物將通過排料余壓進(jìn)入二段重介質(zhì)旋流器，經(jīng)過高密度分選后可分選出矸石與中煤。將分選處的矸石、中煤、精煤和剩余的重介質(zhì)懸浮液分別進(jìn)行弧形篩與脫介篩脫介處理。脫介篩的處理會產(chǎn)生稀介質(zhì)和次生煤泥，稀介質(zhì)可進(jìn)入稀介桶利用磁選機(jī)回收，次生煤泥可通過分流箱將一部分重介質(zhì)懸浮液回收，并將剩余的煤泥進(jìn)行處理。

圖1 重介質(zhì)洗煤工藝基本流程示意圖

2 重介質(zhì)洗煤自動控制設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，洗煤廠的自動控制系統(tǒng)已發(fā)展為集合自動控制、參數(shù)檢測以及生產(chǎn)管理為一體的綜合控制系統(tǒng)，配置要求只需依據(jù)洗煤廠處理能力大小進(jìn)行略微調(diào)整即可。洗煤廠的自動控制系統(tǒng)大多包括PLC 控制層以及工控機(jī)監(jiān)控層兩層。PLC 控制層的主要功能為對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)控，具體包括信息測控設(shè)備、PLC 本地站和遠(yuǎn)程站。工控機(jī)監(jiān)控層的主要功能為將PLC 控制層所采集的信息傳輸給操作員，并將操作員的命令反饋給第一層。同時(shí)，當(dāng)設(shè)備有故障發(fā)生時(shí)，也會將故障信息打印出來。對某洗煤廠進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，該洗煤廠較為適合PLC 設(shè)備、以太網(wǎng)以及自動化控制設(shè)備的方案進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖2 所示。重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)包括PLC 可編程控制器、上位機(jī)、就地操作箱以及其他相關(guān)設(shè)備。

圖2 重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

現(xiàn)階段，系統(tǒng)控制共有繼電器控制和PLC 控制兩種形式。繼電器的方法主要是通過繼電器與導(dǎo)線的連接而實(shí)現(xiàn)的，PLC 控制是運(yùn)用編程的方法而實(shí)現(xiàn)控制的。相比之下，PLC 控制方法的改變只需進(jìn)行程序修改即可實(shí)現(xiàn)，而繼電器控制需改變硬件連接，較為復(fù)雜。同時(shí)，PLC 控制還具有可靠性高、抗干擾強(qiáng)、壽命長、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，故PLC 控制方法更為方便可靠，適用于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

PLC 可編程控制器主要包括儲存器、I/O、中央處理CPU、電源等部件，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。CPU 分為三部分，分別為運(yùn)算器、控制電路以及寄存器。控制電路的作用為對指令進(jìn)行讀取、解釋以及執(zhí)行；運(yùn)算器主要是對數(shù)字與邏輯進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，寄存器是運(yùn)算中間結(jié)果儲存的位置。存儲器的作用為存儲系統(tǒng)和用戶程序以及相關(guān)數(shù)據(jù)等。I/O 接口主要是數(shù)據(jù)輸入輸出的接口，是CPU 與外界信號交換的樞紐，以驅(qū)動執(zhí)行元件。系統(tǒng)運(yùn)行主要以采集電源信號、故障信號、運(yùn)行信號以及控制選擇信號的數(shù)字信號以及采集液位高度、密度等數(shù)據(jù)的模擬信號為基礎(chǔ)，通過CPU 對重介質(zhì)懸浮液與介質(zhì)桶狀態(tài)進(jìn)行判斷控制。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

市面上的PLC 可編程控制器主要分為整體式與模塊式兩種。整體式不具備擴(kuò)展功能，只能運(yùn)用于點(diǎn)數(shù)較少的項(xiàng)目，故不適合于該系統(tǒng)。綜合分析，選取西門子公司的SIMATIC S7-1500 PLC。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

通常情況下，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括設(shè)備層、控制層以及信息層三部分。信息層主要通過以太網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)管理，設(shè)備層與控制層還可運(yùn)用現(xiàn)場總線進(jìn)行控制。但由于總線標(biāo)準(zhǔn)各不相同，運(yùn)用現(xiàn)場總線控制的方法較易形成信息孤島，不利于企業(yè)管理。工業(yè)以太網(wǎng)以TCP/IP 為標(biāo)準(zhǔn)，采用協(xié)議開放的方法，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與訪問功能，具有傳輸快、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，較為適合該系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6-11]。

通過對該洗煤廠進(jìn)行實(shí)際分析，由于信號傳輸所需距離較大，故本設(shè)計(jì)選用光纖的方式進(jìn)行信號通信。以太網(wǎng)交換機(jī)放置在工業(yè)現(xiàn)場，以延長信號傳輸距離，提高抗干擾能力，方便系統(tǒng)調(diào)試，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 其他部件設(shè)計(jì)

由于PLC 選取的為西門子公司的SIMATIC S7-1500 PLC，故CPU型號為1513-1PN；S7-1500 PLC 有系統(tǒng)電源與負(fù)載電源兩種電源，故選用PM 70W、120/230VAC 電源；測控系統(tǒng)主要需配備分流箱、密度計(jì)、液位計(jì)、壓力計(jì)以及黏度計(jì)測量工具。

3 系統(tǒng)測試

將上述設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于實(shí)際洗煤廠控制系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了自動化控制，較傳統(tǒng)的PID 控制方式，其性能精度更高，控制更為靈活，符合重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

重介質(zhì)洗煤技術(shù)是洗煤技術(shù)中的主流技術(shù)，但由于該技術(shù)洗煤參數(shù)多、工藝設(shè)備參數(shù)控制滯后，靠人工完成操作控制較為困難。針對這一現(xiàn)象，本文擬以PLC 可編程控制器以及工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行重介質(zhì)洗煤集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)分析研究得出了以下結(jié)論：

1）PLC 可編程控制器+工業(yè)以太網(wǎng)的方法較為適合重介質(zhì)洗煤自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對重介質(zhì)洗煤自動化發(fā)展有所幫助。

2）運(yùn)用PLC 可編程控制器+工業(yè)以太網(wǎng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，性能精度更高，控制更為靈活，符合重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。