選煤廠配煤控制系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計研究

陳曉勇

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司供電分公司，山西霍州 031400）

1 概況

配煤技術(shù)作為清潔煤技術(shù)和煤炭焦化工藝的重要組成內(nèi)容，在實施過程中需要精準(zhǔn)測量混煤參數(shù)，一般是通過人工計算等方式進(jìn)行混煤半自動配比，再根據(jù)配比通過配煤系統(tǒng)實施混煤配制。但是這類配煤系統(tǒng)存在配煤精準(zhǔn)性不足、生產(chǎn)過程自動化程度低、工人操作能力依賴高、無法實現(xiàn)配煤和裝車檢測、傳感器采集數(shù)據(jù)未參與自動控制等問題，制約著選煤廠配煤生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率。因此，本文以李雅莊選煤廠為研究對象，針對該選煤廠原配煤控制系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了一種配煤系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案，為現(xiàn)有配煤控制系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整提供支持。

2 選煤廠配煤控制系統(tǒng)硬件規(guī)劃設(shè)計

李雅莊選煤廠配煤控制系統(tǒng)主要包括S7-300 PLC、上位機(jī)、倉位儀、瓦斯檢測儀、鼓風(fēng)機(jī)、分料翻板、振動給煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、電子皮帶秤、軌道衡、平煤器、調(diào)車絞車、漏煤斗、攪拌器等硬件設(shè)備，配煤控制系統(tǒng)至今已應(yīng)用多年，在應(yīng)用中表現(xiàn)出諸多問題。為滿足選煤廠配煤控制自動化發(fā)展要求，結(jié)合李雅莊選煤廠實際情況，新設(shè)計的系統(tǒng)額外設(shè)置多種外圍設(shè)備和控制設(shè)備，具體設(shè)備型號見表1 和表2。

表1 系統(tǒng)新增外圍設(shè)備Table 1 New peripheral equipment added to the system

表2 系統(tǒng)新增控制設(shè)備Table 2 New control equipment added to the system

基于原系統(tǒng)設(shè)備與新增系統(tǒng)設(shè)備，對新系統(tǒng)進(jìn)行硬件總線布置設(shè)計，重新布置后的系統(tǒng)硬件總線如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總線布置Fig.1 System hardware bus layout

系統(tǒng)控制設(shè)備與硬件總線均布設(shè)于配電室的電器柜中，涉及控制設(shè)備包括變頻器、PLC 控制系統(tǒng)、電機(jī)保護(hù)器等。變頻器兩端分別連接稱重給煤機(jī)的電機(jī)三相進(jìn)線和PLC 的AO 輸出端；電機(jī)保護(hù)器兩端則分別連接稱重給煤機(jī)電機(jī)進(jìn)線端和智能網(wǎng)關(guān)，由智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；在原有PLC控制系統(tǒng)的基本上，再新增一套PLC 控制系統(tǒng)作為新增軟硬件系統(tǒng)。硬件總線則作為系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。

新增PLC 控制系統(tǒng)與原PLC 控制系統(tǒng)之間通過交換機(jī)達(dá)成數(shù)據(jù)交互。在新系統(tǒng)投運后，原PLC控制系統(tǒng)將軌道衡、倉位儀、瓦斯檢測儀等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至新PLC 控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)信號經(jīng)由交換機(jī)傳輸后，通過光纖收發(fā)器將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為光信號，由光纖傳輸至上位機(jī)，經(jīng)過上位機(jī)的分析和處理后，利用光纖收發(fā)器將處理后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號接入環(huán)網(wǎng)[1]；電機(jī)保護(hù)器輸出的故障電流根據(jù)Device 通信協(xié)議傳輸至智能網(wǎng)關(guān)，由智能網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換至Profibus-DP 協(xié)議數(shù)據(jù)后，再傳輸至新PLC 控制系統(tǒng)；變頻器形成的控制信號經(jīng)由控制器輸出至鼓風(fēng)機(jī)、皮帶機(jī)等執(zhí)行設(shè)備，相關(guān)執(zhí)行設(shè)備在接收控制信號后，通過“DI 模塊+繼電器”的控制方式實現(xiàn)設(shè)備的啟?？刂啤?/p>

3 選煤廠配煤控制系統(tǒng)配煤環(huán)節(jié)程序設(shè)計

3.1 配煤主程序

此次設(shè)計的選煤廠配煤控制系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)中配煤環(huán)節(jié)主程序運行流程如圖2 所示。

圖2 配煤環(huán)節(jié)主程序運行流程Fig.2 Main program operation flow of coal blending link

系統(tǒng)運行過程中，操作人員先通過設(shè)置在值班室的上位機(jī)輸入混煤配比單、預(yù)設(shè)配煤灰分、配煤摻配煤種、預(yù)設(shè)煤流量、給煤機(jī)預(yù)設(shè)出煤量等諸多參數(shù)，然后啟動給煤機(jī)和皮帶機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動控制各給煤機(jī)輸出量。

煤流經(jīng)過給煤機(jī)輸送后落至煤倉下方皮帶輸送機(jī)，輸送機(jī)皮帶上布置有稱重傳感器，可實時采集各煤倉出煤流量，此流量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)總出煤量和當(dāng)前煤種摻配比例的主要參考數(shù)據(jù)。從各煤倉輸送出的煤流通過轉(zhuǎn)運皮帶機(jī)匯流后形成混合煤，由轉(zhuǎn)運皮帶機(jī)中部設(shè)置的攪拌器進(jìn)行充分混勻后，利用灰分測量儀檢測混勻后產(chǎn)品煤的灰分，采集的灰分?jǐn)?shù)值反饋至新PLC 控制系統(tǒng)。由PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)反饋灰分?jǐn)?shù)據(jù)對當(dāng)前配比進(jìn)行動態(tài)化調(diào)節(jié)，保障產(chǎn)品煤質(zhì)量。

3.2 安全監(jiān)測程序

此次設(shè)計的選煤廠配煤控制系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)中配煤環(huán)節(jié)安全監(jiān)測程序運行流程如圖3 所示。

圖3 配煤環(huán)節(jié)安全監(jiān)測程序運行流程Fig.3 Operation process of safety monitoring program in coal blending link

安全監(jiān)測程序主要涉及倉位儀、瓦斯傳感器等傳感器和皮帶限制設(shè)備和電機(jī)保護(hù)器等執(zhí)行設(shè)備，其中電機(jī)保護(hù)器主要用于稱重給煤機(jī)電機(jī)的運行保護(hù)。具體應(yīng)用過程中系統(tǒng)程序會實時監(jiān)測稱重給煤機(jī)是否存在接地電流超限情況，在發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)超限問題后自動停止配煤系統(tǒng)，并發(fā)出緊急報警；倉位儀設(shè)置在煤倉頂部中心位置，在實際應(yīng)用中可以向煤倉發(fā)射紅外線，紅外線經(jīng)過煤層折射后返回至倉位儀，倉位儀根據(jù)折射后接收的紅外線測定煤倉中煤位變化，原配煤控制系統(tǒng)的煤倉高度閾值設(shè)定為25 m，新系統(tǒng)的煤倉高度則增加至30 m；瓦斯傳感器設(shè)置于煤倉底部，用于實時采集煤層中瓦斯?jié)舛茸兓?，在給煤機(jī)未啟動情況下，煤倉內(nèi)部瓦斯?jié)舛认鄬^低，在給煤機(jī)開啟后，由于擾動影響，煤倉內(nèi)粉塵濃度上升，使整體瓦斯含量上升，基于此特點，將新系統(tǒng)煤倉靜態(tài)時瓦斯?jié)舛乳撝翟O(shè)置為0.5%，動態(tài)時則需根據(jù)實際情況進(jìn)行動態(tài)化調(diào)整。

3.3 其他程序

除了主程序和安全監(jiān)測程序以外，配煤環(huán)節(jié)程序還包括數(shù)據(jù)濾波子程序、延時處理子程序等。數(shù)據(jù)濾波子程序采用卡爾曼濾波方法，此方法濾波效果較為明顯，可有效降低輸入數(shù)據(jù)的噪聲問題；延時處理子程序則綜合考慮煤流經(jīng)由給煤機(jī)下落至皮帶秤、煤倉與煤倉之間、煤倉與灰分儀之間存在的延時運行問題，綜合控制因延時而造成的數(shù)據(jù)誤差。

4 選煤廠配煤控制系統(tǒng)裝車環(huán)節(jié)程序設(shè)計

4.1 主程序

根據(jù)李雅莊選煤廠車輛運輸?shù)膶嶋H情況，此次設(shè)計的新系統(tǒng)配煤過程與裝車過程同步進(jìn)行。裝車環(huán)節(jié)主程序涉及參數(shù)數(shù)據(jù)包括裝車車號、裝車煤種、裝車車道、裝車數(shù)量、裝車重量、車廂載重等。相關(guān)參數(shù)均會通過傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后傳輸至上位機(jī)中，新PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)控制分料板動作，將分料板調(diào)整至預(yù)定位置后，啟動帶式輸送機(jī)進(jìn)行裝車操作。

此過程中，灰分儀自動檢測產(chǎn)品煤經(jīng)過分料板時的灰分參數(shù)，將采集數(shù)據(jù)反饋至新PLC 系統(tǒng)和上位機(jī)。另外，產(chǎn)品煤在裝車時也會采集煤流量數(shù)據(jù)，在裝車煤流量達(dá)到預(yù)定值后，系統(tǒng)自動停止配煤操作，實施煤倉切換的同時，通知車輛和相關(guān)人員執(zhí)行裝車檢查和移車操作，直至完成整改裝車過程。選煤廠配煤控制系統(tǒng)裝車環(huán)節(jié)主程序流程如圖4 所示。

圖4 裝車環(huán)節(jié)主程序運行流程Fig.4 The main program running process of loading link

5 工程應(yīng)用

將設(shè)計的新系統(tǒng)在李雅莊選煤廠中進(jìn)行實踐，在經(jīng)過近3 個月的應(yīng)用后，確認(rèn)改造后的新系統(tǒng)基本可滿足選煤廠配煤、裝車等需求。為更為直觀地對比新系統(tǒng)的改進(jìn)效果，對比分析改造前和改造后配煤控制系統(tǒng)的配比和灰分變化，具體情況如圖5和圖6 所示。

圖5 原配煤控制系統(tǒng)的配煤曲線Fig.5 Coal blending curve of original coal blending control system

圖6 新配煤控制系統(tǒng)的配煤曲線Fig.6 Coal blending curve of new coal blending control system

如圖5 所示，在配比方面，原配煤控制系統(tǒng)僅能夠在集中固定比例中進(jìn)行調(diào)整，無法實現(xiàn)精細(xì)化、動態(tài)化配比控制，并且系統(tǒng)每次調(diào)整均會導(dǎo)致給煤機(jī)配比出現(xiàn)較大變化。在灰分方面，當(dāng)實際配比與配比單較為類似時，產(chǎn)品煤的實際灰分比例僅有22%，遠(yuǎn)低于預(yù)設(shè)值的25%。

如圖6 所示，在配比方面，新配煤控制系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)配比的動態(tài)化自動控制，還將配比波動控制在2%以內(nèi)；在灰分方面，當(dāng)實際配比與配比單較為近似時，產(chǎn)品煤的實際灰分比例為24.5%，此灰分更接近于預(yù)設(shè)灰分，并且還預(yù)留一定的余量，避免灰分波動造成的灰分超限情況?？傮w來說，新系統(tǒng)配比控制、灰分控制效果更優(yōu)秀。

6 結(jié)語

綜上所述，在李雅莊選煤廠原有配煤控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種選煤廠配煤控制系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。根據(jù)工程實踐應(yīng)用結(jié)果可知，相較于李雅莊選煤廠原配煤控制系統(tǒng)，新配煤控制系統(tǒng)在配比控制、灰分控制等方面均表現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，設(shè)計的新配煤系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。