煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

摘 要：在我國社會發(fā)展轉(zhuǎn)型的大背景下，傳統(tǒng)的煤炭洗選系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)如今社會發(fā)展的需求。為了提升煤炭洗選廠的經(jīng)營效益，本文采用系統(tǒng)設(shè)計的方法，以A洗選廠為例，分析了洗選控制系統(tǒng)存在的問題，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計方案，制定了硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計策略。本文設(shè)計的煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)大幅提升了煤炭洗選的質(zhì)量和效率，能夠為煤炭生產(chǎn)企業(yè)升級改造洗選系統(tǒng)提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：洗選系統(tǒng)；智能化控制；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TD 92" " " 文獻標志碼：A

隨著工業(yè)制造行業(yè)的發(fā)展，我國對能源的需求量也在逐漸增加。煤炭是我國主要能源之一，煤炭的開采與使用非常重要。在煤礦生產(chǎn)中，作為生產(chǎn)中的重要一環(huán)，煤炭洗選可以提高煤炭作業(yè)的生產(chǎn)效率，提升煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)工藝和裝備遺留的問題漸顯，在一定程度上阻礙了煤礦產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在煤炭洗選過程中，為了實現(xiàn)自動控制、提高效率并保障洗選質(zhì)量，煤礦企業(yè)會積極引入各種先進設(shè)備和技術(shù)來提升煤炭洗選系統(tǒng)的自動化、智能化程度。由于科學技術(shù)迭代更新速度較快且煤礦洗選系統(tǒng)的日常使用消耗較大，因此需要及時對煤炭洗選系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，才能確保其時刻處于良好運行狀態(tài)。因此對煤炭洗選系統(tǒng)進行自動化升級改造，可以提升煤礦作業(yè)的整體效率，并降低能耗，實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的提質(zhì)增效目標。

1 煤炭洗選控制系統(tǒng)存在的問題

A煤炭洗選廠成立于2006年，設(shè)計規(guī)模為20.0Mt/a，原煤煤種牌號為長焰煤、不黏煤，共設(shè)有2個相對獨立的洗選系統(tǒng)。該洗選廠從建立至今一直處于運營狀態(tài)，出現(xiàn)了設(shè)備老化嚴重、自動化程度較低的問題，嚴重影響了洗選作業(yè)效率。A煤炭洗選控制系統(tǒng)現(xiàn)今存在的主要問題如下。

1.1 軟硬件兼容性較差

由于A煤炭洗選廠建設(shè)時我國工業(yè)體系建設(shè)尚不完善，因此大多數(shù)煤炭生產(chǎn)設(shè)備都是從國外進口的。例如煤炭洗選設(shè)備，多數(shù)從德國、日本等國家采購。但這些設(shè)備均根據(jù)制造國的執(zhí)行標準生產(chǎn)，在A煤炭洗選廠應(yīng)用過程中會出現(xiàn)選型不匹配和系統(tǒng)兼容性較差的問題，為后期的系統(tǒng)升級改造帶來了較大困難。

1.2 集成化程度較低

由于在前期設(shè)計和建設(shè)過程中，A煤炭洗選廠的布局缺乏合理性，導致各作業(yè)流程之間相對獨立，未充分考慮協(xié)調(diào)運行的問題，使提升系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)和重介洗選系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)處于獨立作業(yè)狀態(tài)，每個系統(tǒng)都有專屬的供電線路，就為進行多級控制管理帶來了較大困難。

1.3 維護保養(yǎng)成本高

隨著設(shè)備不斷升級改造，綜合考量經(jīng)濟成本，A煤炭洗選廠更新了使用時間過長的設(shè)備，并升級了控制系統(tǒng)。雖然可以在一定程度上提升設(shè)備的工作效率，但也會造成設(shè)備型號多樣、系統(tǒng)運行不協(xié)調(diào)的問題[1]。隨著生產(chǎn)線不斷擴大，設(shè)備逐漸增多，對設(shè)備的維護保養(yǎng)和運行監(jiān)控成為沉重的負擔，尤其對老化設(shè)備進行運行維護的成本將大幅增加，嚴重影響了選煤廠的生產(chǎn)效益。

2 煤炭洗選系統(tǒng)智能化控制優(yōu)化方案

2.1 監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化

煤礦洗選廠敷設(shè)各種有線網(wǎng)絡(luò)，實際工作環(huán)境相對惡劣，導致傳輸線路在實際運作中容易出現(xiàn)故障，維護工作難度較大?？紤]煤礦洗選廠實際工作環(huán)境，可以利用無線信息高速路解決有線網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)和維護難度大的問題。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以提供穩(wěn)定的上下行傳輸能力，還能完全整合現(xiàn)有的有線檢測系統(tǒng)。同時，數(shù)據(jù)計入設(shè)備的互聯(lián)使各設(shè)備之間能夠相互傳輸控制數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心和監(jiān)控服務(wù)器。該解決方案將有助于提高洗選廠的智能化管理水平，并提升工作效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2 視頻調(diào)度功能優(yōu)化

基于智能化建設(shè)要求，可以通過移動監(jiān)控點手持臺快速回傳現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)。具體視頻調(diào)度的運作流程如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，該視頻調(diào)度功能能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體視頻調(diào)度處理，從而能全面提升緊急事件處置響應(yīng)速度。

2.3 現(xiàn)場移動控制系統(tǒng)優(yōu)化

煤礦洗選廠內(nèi)的巡視人員可以通過手持終端對生產(chǎn)現(xiàn)場進行移動控制和全面監(jiān)測。具體功能如下。1）搭建無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在巡檢主要區(qū)域和路線上搭建無線網(wǎng)絡(luò)，確保整個廠區(qū)范圍內(nèi)覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)。巡視人員可以通過手持終端在任何地方進行操作和監(jiān)測。2）區(qū)域范圍覆蓋。該無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域范圍包括篩分車間、原煤倉下、轉(zhuǎn)載站、棧橋、壓風機房、變配電所以及辦公樓等廠區(qū)范圍。3）終端數(shù)量增加。本文的設(shè)計在原有2臺移動終端的基礎(chǔ)上增加了控制終端。這些控制終端可以供巡視人員對生產(chǎn)現(xiàn)場進行移動控制和全面監(jiān)測。

通過上述安排，巡視人員可以借助手持終端在廠區(qū)范圍內(nèi)的生產(chǎn)現(xiàn)場進行移動控制和全面監(jiān)測。無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍涵蓋了關(guān)鍵區(qū)域并提供了可靠的無線連接。增加的控制終端數(shù)量可以滿足巡視人員的需求，使其能夠及時獲取并處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)。本文的設(shè)計可提升巡視工作的效率和準確性，對廠區(qū)的安全和生產(chǎn)運營具有重要意義。

2.4 振動和溫度監(jiān)測功能優(yōu)化

振動分析功能主要運用軸承故障分析加速包絡(luò)和諧波等技術(shù)進行分析，包括全新的軸承故障數(shù)據(jù)庫。結(jié)合變頻設(shè)備的邏輯控制報警功能，系統(tǒng)可對齒輪箱故障進行CTA分析處理。同時，傳統(tǒng)器件可以與系統(tǒng)上位機軟件進行自動化對接，構(gòu)建全新的后臺數(shù)據(jù)庫，更好地對數(shù)據(jù)庫進行集成處理。

為了保護傳感器，并確保其在煤礦洗選廠的實際情況下有效運行，傳感器的具體防護等級應(yīng)達到IP54級別或以上[2]。傳感器的檢測靈敏度、范圍和頻率應(yīng)與煤礦洗選廠的要求相匹配。傳感器采集的數(shù)據(jù)包括溫度、振動等相關(guān)信息。傳感器的使用和安裝應(yīng)能適應(yīng)現(xiàn)場實際環(huán)境。

集成振動和溫度數(shù)據(jù)能有效展現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)平臺的信息，并結(jié)合設(shè)備的健康狀態(tài)級別進行預(yù)警和報警，以對傳感器的健康狀態(tài)進行分析，并進行統(tǒng)一配置和集中管理。

通過上述改進，振動分析功能能夠更好地應(yīng)用于煤礦洗選廠，有效監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)，并在必要時發(fā)出預(yù)警。傳感器的健康狀態(tài)分析和統(tǒng)一配置能夠提升系統(tǒng)的效率和可靠性。

3 煤炭洗選系統(tǒng)智能化自動控制系統(tǒng)設(shè)計

煤炭洗選系統(tǒng)智能化自動控制系統(tǒng)的設(shè)計是一個復雜的過程，主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個部分。本文進行煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)“管、控一體化”原則，建立集中控制系統(tǒng)，將現(xiàn)場所有設(shè)備（包括生產(chǎn)設(shè)備及輔助生產(chǎn)設(shè)備、閥門、閘板等）全部納入其中。可對主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行自動化控制與檢測，對關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，對主要生產(chǎn)指標及設(shè)備工況信息進行實時采集，并同時實現(xiàn)了系統(tǒng)與上級企業(yè)網(wǎng)之間的互聯(lián)，以便進行遠程監(jiān)控和信息共享。

本文設(shè)計的煤炭洗選智能化自動控制系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)框架主要是由檢測儀表、測量元器件、電氣設(shè)備、PLC單元、智能顯示終端、UPS以及現(xiàn)場操作箱等部分組成。其中，現(xiàn)場操作箱主要負責將操作指令發(fā)送至PLC智能控制系統(tǒng)中。配電系統(tǒng)主要是為各種電氣設(shè)備供電。PLC智能控制系統(tǒng)是該洗選系統(tǒng)的核心部件，不僅負責接收智能顯示終端的控制指令，還負責向現(xiàn)場操作箱、傳感器發(fā)送操作指令，控制洗選電氣設(shè)備。UPS不間斷電源主要負責在斷電情況下繼續(xù)為系統(tǒng)正常工作提供電力。由該系統(tǒng)的設(shè)計框架可以看出，可以通過現(xiàn)場操作站、操作箱和智能顯示終端來控制煤炭洗選設(shè)備。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

由系統(tǒng)框架可以看出，該系統(tǒng)主要是由PLC、雷達物料計、傳感器、變頻器、UPS以及接近開關(guān)等部件組成。

3.1.1 PLC

與繼電器控制相比，PLC控制系統(tǒng)是一種具有穩(wěn)定性高、操作簡便等優(yōu)點的優(yōu)良操作系統(tǒng)[3]。本文系統(tǒng)設(shè)計采用瑞典STC公司生產(chǎn)的STC89C52系列PLC。該款PLC整體布局緊湊、模塊化程度高，是一種具有低功耗、高性能的CMOS8位微芯片控制器。內(nèi)部存儲器包括一個8kB容量的Flash，512B容量的RAM，32位的I/O控制端口線，看門狗定時器，4億kB容量的EEPROM計數(shù)器和一個MAX810復位電路，3個16位向量的定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7位向量的4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容于傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行通信口具有強大、可靠的通信功能，可以完全勝任本系統(tǒng)的所有控制任務(wù)。

該煤炭洗選智能化自動控制系統(tǒng)采用的PLC分配方式為自動分配，該分配方式的安裝地址可以隨意設(shè)定，輸入、輸出地址可以進行間斷和連續(xù)切換。該控制系統(tǒng)的設(shè)計需要使用的數(shù)字輸入量、數(shù)字輸出量均為10個，模擬輸入量、模擬輸出量均為5個，可檢測各種傳感信號。STC89C52單片機的I/O接口配置見表1。

3.1.2 傳感器

本文系統(tǒng)設(shè)計采用的傳感器主要有溫度傳感器和速度傳感器。溫度傳感器主要用于監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵電氣設(shè)備的運行溫度，而速度傳感器則用于監(jiān)測洗選系統(tǒng)的運行速度[4]。本文采用的是LM-PT100溫度傳感器，其溫度采集范圍為-40℃～+85℃，具有反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性強的優(yōu)點。采用的速度傳感器型號為GTS211A，檢測頻率范圍為1Hz～10000Hz，檢測速度范圍為1r/min～20000r/min，工作電壓為DC 6V～24V，運行溫度為-25℃～+75℃。

3.1.3 UPS

UPS不間斷電源主要用于在電力系統(tǒng)發(fā)生故障情況下為煤炭洗選系統(tǒng)供電。結(jié)合選煤廠的實際需求和洗選系統(tǒng)的工作負載情況，本文選取的UPS不間斷電源型號為APCSMT750ICH，容量為50VA/500W，輸入電壓范圍為160V～286V，輸出電壓范圍為220V～240V，擁有AVR自動電壓調(diào)整功能、可自定義的電源管理功能以及多重安全保護功能等，是一款性能卓越、工功齊全且安全可靠的設(shè)備，可以滿足本文系統(tǒng)的使用需求。

3.1.4 智能顯示終端

本文系統(tǒng)設(shè)計使用的智能顯示終端為西門子的KTP1200 Basic PN。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計理念，可根據(jù)操作人員的工作特點來設(shè)計與其相匹配的友好人機界面，支持多種通信協(xié)議，如Profibus、Profinet和EtherNet/IP等，可與其他設(shè)備進行便捷通信，并進行智能化控制。它可以結(jié)合工作需要來引導操作人員對現(xiàn)場進行管理。此外，該智能終端還具有可選的冗余功能，使其可以更好地滿足復雜環(huán)境下的多種需求[5]。系統(tǒng)中的該觸摸屏和PLC通過CAN總線進行連接，以實時監(jiān)控和控制煤炭洗選系統(tǒng)工作狀況。

3.1.5 電路系統(tǒng)

智能顯示終端電路的第一個引腳為接地；第二個引腳接電源端口；第三個引腳則先外接一個3K電阻，再接地，以便調(diào)節(jié)顯示終端的顯示效果；第四個引腳RS為顯示終端寄存器的選擇端口，采用二進制計算方法，其中0表示顯示儀發(fā)出的指令，1表示顯示儀發(fā)出的數(shù)據(jù)，最終連接到89C52單片機的P25引腳上；第五個引腳RW為顯示終端的讀寫端口，與89C52單片機的P26引腳相連接；第六引腳為顯示終端的執(zhí)行命令使能引腳，和單片機的P27引腳相連接；第七引腳～第十四引腳是D0～D7的8位雙向數(shù)據(jù)端口，這段引腳分別與89C52單片機上的P0～P7端口相對應(yīng)；剩下的第十五引腳、第十六引腳為顯示終端的空腳端口和背光電源端口。此外，顯示終端的正極接VCC，負極接GND。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 PLC程序設(shè)計

結(jié)合洗選控制系統(tǒng)所應(yīng)具備的功能，統(tǒng)計開關(guān)量輸入點、模擬量輸入點等數(shù)據(jù)信息，并完成相應(yīng)的邏輯功能控制。采用PLC對模擬量進行處理時還應(yīng)區(qū)分電壓輸入信號和電流輸入信號，以確保數(shù)據(jù)處理的精度。PLC智能控制系統(tǒng)還應(yīng)與智能顯示終端之間建立CAN通信連接，在此，本文采用CAN2.0B29為擴展幀，波特率為250kB/s。將PLC設(shè)為CAN通信主站，將智能顯示終端設(shè)為CAN通信分站，并設(shè)定分站地址為0X99，建立TxPDO/RxPDO通信，每條CAN通信連接傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)。

PLC與洗選系統(tǒng)人機界面同樣通過CAN總線連接。本文設(shè)定洗選系統(tǒng)人機界面平臺分站號地址為0X89。PLC智能控制系統(tǒng)和操作站之間通過TCP/IP通信協(xié)議連接，只需獲取操作站的IP地址和端口號即可[6]。本文還基于PLC完成了煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)的報警設(shè)置。當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，PLC智能控制系統(tǒng)會向聲光報警裝置發(fā)送動作指令，并同時在智能終端界面顯示故障具體信息，從而幫助技術(shù)人員及時解決故障問題。本文設(shè)計的煤炭洗選系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

3.2.2 人機界面設(shè)計

本文設(shè)計的煤炭洗選智能化自動控制系統(tǒng)人機界面主要分為主畫面、運行參數(shù)顯示、儀表參數(shù)、顯示終端操作以及歷史數(shù)據(jù)曲線、故障報警等模塊。PLC智能控制系統(tǒng)通過CAN總線將洗選系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)傳送至人機界面，并以動畫形式對洗選過程進行動態(tài)顯示。此外，在人機交互界面還可以對洗選系統(tǒng)進行啟動、停止等控制操作。

4 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計的煤炭洗選智能化自動控制優(yōu)化方案采用TCP/IP協(xié)議和CAN控制總線建立洗選系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式。在該模式中，以PLC智能控制系統(tǒng)為核心，對煤炭洗選系統(tǒng)進行智能化控制，不僅能顯著提升系統(tǒng)運行效率，還解決了傳統(tǒng)洗選系統(tǒng)兼容性差、維護成本高的問題，對推動選煤廠的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

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