配煤筒倉智能布料控制系統(tǒng)的改造

摘要：介紹了鋼鐵行業(yè)對配煤筒倉自動布料控制的改進。將原有的人工到現(xiàn)場操作控制箱，升級成以磁性接近開關定位為基礎的遠程控制，改善了現(xiàn)場操作環(huán)境下的本質安全，解決了現(xiàn)場操作十個配煤筒倉勞動強度過大、工作效率低的問題，實現(xiàn)了布料過程的自動化。

關鍵詞：鋼鐵；機械小車；料倉定位；磁性接近開關；PLC控制

中圖分類號：TP29" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0055-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.014

0" " 引言

方大特鋼焦化廠有三座焦爐，包括頂裝焦爐和搗固焦爐兩種不同類型，共用一套配煤系統(tǒng)。頂裝焦爐和搗固焦爐在煉焦工藝上有很大差異，兩種不同類型焦爐的焦炭質量、配比結構也存在較大差異。

1" " 改造前背景

煉焦煤是我國煤炭資源中的稀缺品種，尤其是強黏結性的主焦煤和肥煤資源正越來越緊張，2018年以來，低硫主焦煤的價位持續(xù)走高，近幾年焦化廠一直使用的低硫主焦煤如平頂山東、青町臨渙等性價比越來越低，而原來性價比較高的一些廉價貧瘦煤資源（例如兩渡貧瘦煤）已很難滿足焦炭質量和焦炭成本總體平衡的需求。

為平衡兩種不同類型焦爐的焦炭質量，配煤配礦小組在制定用煤配比時使用的是兩個配比（搗固和頂裝各一個）。搗固焦爐的優(yōu)勢是煤源的適用范圍比較廣，多配入一些弱黏結性的煤就可以得到較好的焦炭質量，但在實際生產中搗固焦爐的優(yōu)勢沒有全部發(fā)揮出來，主要原因是只有一套配煤系統(tǒng)，卻要根據(jù)工藝要求配兩種不同配比的煤，而且煤倉還是共用的，煤種也一樣，只是在配比上進行了調整。

2018年搗固焦爐共執(zhí)行了57個配比，其中主焦煤平均配比為37%、貧瘦煤8%、肥煤21%、氣煤13%。要把搗固焦爐的優(yōu)勢盡可能發(fā)揮出來，可以再配入一些其他性價比高的煤種，這樣一來整個配煤成本就會下降。

為兼顧煤場資源結構種類和焦炭質量，配煤配礦小組在制定配比過程中，針對配煤成本的優(yōu)化有很大局限性。根據(jù)焦化配煤倉設計要求，一般配煤倉的數(shù)量應比配煤所用的煤種數(shù)量多2～3個[1]，焦化廠使用的煤種一般在8～9個，配套9個配煤倉沒有達到基本設計要求。這些情況會產生以下幾個問題：

1）兩種爐型的配比雖然不同，但兩種爐型所用的煤種卻一樣，無法充分發(fā)揮搗固焦爐的優(yōu)勢，降低配煤成本。

2）焦炭質量出現(xiàn)波動后，在配比調整過程，由于沒有備用的配煤倉，調整時間會相對較長，影響焦炭質量的波動時間。

3）配煤倉圓盤出現(xiàn)問題后或其中一個跑盤準確率出現(xiàn)較大誤差后，沒有備用配煤倉，影響焦炭質量，同時會造成配煤成本波動較大。

原配煤筒倉布料是2006年搗固爐擴建工程的配套項目，沒有實現(xiàn)全自動控制。機組共3臺布料小車，其中1臺布料小車（固可逆小車）安裝在鋼結構支架上固定不移動，被動接收上游皮帶供應的煤，再按當前配煤工藝正/反向落料到安裝2臺可移動布料小車（1#、2#可逆小車）的可逆皮帶上，然后落到9個配煤筒倉落料口，即完成一次配煤工藝操作[2]。遠端主控室只能遠程控制這3臺布料小車的可逆皮帶執(zhí)行正/反向啟、?？刂疲瑹o法遠程控制1#、2#可逆小車的正/反向自動走行，可逆小車需要操作工在生產現(xiàn)場通過手動操作機旁操作箱控制，走行到工藝位置，再肉眼觀察確認小車是否對準筒倉落料口，憑經驗判斷是否需要再手動微調小車進行移動布料。

原設計是在9個倉的下料口位置安裝接近式限位開關，當小車停在當前倉時，檢測到小車所在倉號后發(fā)送給遠端主控室顯示。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，這種小車定位方式位置檢測不是連續(xù)的，很不穩(wěn)定，小車在偏移當前檢測點感應范圍時，遠程無法判斷小車當前所在位置，就會造成小車顯示丟失；而且現(xiàn)場工作環(huán)境粉塵較大，比較昏暗，燈光穿透性不強，有時為觀察是否對準位置人員需走到落料口邊緣，存在人員易滑倒、被機械擠壓、墜落的安全隱患；由于定位技術和對異常情況檢測手段的缺陷，漏料、堵料、混料、裝錯倉事故隨時都可能發(fā)生，容易導致上料過程被迫中斷，操作人員工作強度極大，影響配煤的精準性，混料后也無法對事故原因進行追溯；在當前模式下，遠程操作過程安全風險大，需不斷加強現(xiàn)場設備巡查和維護，對工作效率影響極大。

綜合上述情況，2019年，焦化廠提出希望在原有配套配煤系統(tǒng)配置的9個配煤倉基礎上再新增1個配煤倉，同時對配套配煤筒倉PLC控制系統(tǒng)軟、硬件進行換代升級的改造意向。增加1個配煤倉后的配煤室總容量從2 700 t提升到3 000 t，相當于焦爐約24 h的用煤量。

通過PLC自動控制給料小車按工藝智能布料，可以基本實現(xiàn)頂裝焦爐和搗固焦爐的配比互不干擾，充分發(fā)揮搗固焦爐優(yōu)勢，增加弱黏結性和高揮發(fā)性煤的比例；同時，增加配煤倉后，配比發(fā)生波動和跑盤出現(xiàn)誤差后，可以及時對配比進行調整，有利于焦炭質量的穩(wěn)定。

2" " 目標與任務

2.1" " 研究目標

2.1.1" " 在降本方面

增加1個配煤倉后，頂裝焦爐和搗固焦爐的配比獨立性更強，有利于發(fā)揮搗固焦爐優(yōu)勢。在配比制定過程中可以增加貧瘦煤和其他弱黏結性氣煤的配入量，既可以多配入一定量的高揮發(fā)分煤，也可以配入5%～10%的貧瘦煤，甚至需要另外單獨粉碎的無煙煤等惰性物質，達到節(jié)約優(yōu)質煉焦煤，擴展煉焦煤資源的使用范圍，較大幅度降低噸焦成本的目的。

2.1.2" " 在增效方面

增加1個配煤倉后，根據(jù)新的配煤方式，重新配置對10個筒倉的集中智能布料控制。增加對配煤筒倉現(xiàn)場可逆皮帶小車的定位檢測，使小車位置檢測呈連續(xù)性，能在遠端主控室直觀顯示，同時按新的生產工藝聯(lián)鎖可逆皮帶小車實現(xiàn)遠程自動走行、自動智能布料，降低人工勞動強度，提升工作效率，改善本質安全。

2.2" " 實施思路及任務分解

考慮現(xiàn)場位置和施工難度以及對生產的影響，改造后的10個配煤筒倉并列安裝在同一軸線上，是備煤車間按配煤工藝用來臨時存儲待配煤種的錐形雙曲線料倉。在10個配煤筒倉頂部放料入口位置有一組鋼結構軌道，有兩臺可在軌道上做直線往復運動的機械小車（1#、2#可逆小車）和一臺在可逆小車上方固定安裝的機械小車（固可逆小車），3臺機械小車上均安裝有可以正、反轉的輸煤皮帶。10個料倉除了3#倉、7#倉、10#倉只有一個落料口外，其他每個料倉均有2個落料口。原料煤按工藝路線從固可逆皮帶落到已對好位置的1#或2#可逆小車上，再落到各配煤筒倉落料口，即完成一次配煤工藝操作（圖1）。

經論證，項目范圍在配煤室10個配煤筒倉周邊，項目核心是小車定位的精準性和按配煤工藝控制小車從當前位置自動走行到對應煤倉落料口位置停穩(wěn)的精準性，關鍵技術是小車定位和對位的邏輯算法。

在原有設備基礎上，通過以下幾方面實現(xiàn)改進：

1）土建及鋼結構部分：在原配煤倉南面增加10#配煤倉；增建1個直徑7 m的雙曲線斗嘴配煤槽；可逆皮帶改造延長并更換，皮帶機滑線及可逆小車走行軌道延長；M6皮帶機尾延長，M6皮帶機延長部分對應的10#配煤筒倉槽口位置增設圓盤給料機給料的自動配煤裝置；自動配煤裝置由配煤盤、稱量帶式輸送機、電子秤計量系統(tǒng)等組成，生產時按照給定值自動控制各單種煤的配量，確保配煤比連續(xù)恒定。

2）自動控制部分：重新選型磁性接近開關，型號為Ni50-CP80-VP4X2 10-65VDC 200 mA Sn：500 mm，該款產品質量好，精準度高。磁性接近開關安裝在配煤筒倉現(xiàn)場可逆皮帶小車的鋼結構支架上。通過控制電纜將信號引入備煤主控室一樓的PLC柜內，實現(xiàn)對兩個機械小車的定位和遠程南、北向的啟/停控制。PLC重新編程，采用西門子的工業(yè)以太網方式通信，滿足當前生產工藝要求的邏輯聯(lián)鎖，實現(xiàn)小車自動化控制。采集現(xiàn)場10個筒倉的雷達料位數(shù)據(jù)，在WinCC里直觀實現(xiàn)料位顯示和預警功能，后期可查歷史趨勢記錄，方便分析追溯。PLC硬件上留好充足的數(shù)字量、模擬量點位，為后續(xù)擴容做好準備。

2.3" " 具體實施過程

2.3.1" " 勘察現(xiàn)場，為設計自動控制方式做準備

了解改造現(xiàn)場具體生產環(huán)境，了解兩個可逆小車和固可逆皮帶的長度、能行駛的安全范圍，了解操作工手動操作兩個可逆小車倉位對位的過程，了解并測量兩個可逆小車能行駛到的極限位置。

2.3.2" " 設計并論證方案

為方便以后的擴容升級改造并網需求，預留PLC模塊擴展冗余點位；梳理統(tǒng)計并申報備件計劃；向公司提交立項申請，解決費用問題。

2.3.3" " 物資到場后驗收合格，組織施工

1）因場地和配煤工藝的特殊性，與生產口確認好控制要求：配煤房約190 m的場地內有10個配料筒倉，如圖1所示，除了3#倉、7#倉、10#倉是單獨放料，其他7個倉可以分兩個半圓分別放料。依照現(xiàn)場廠房結構和2臺可逆小車自身長度及實際移動極限，1#可逆小車實際移動范圍在1#倉到4#倉之間，可放料7個位置；2#可逆小車移動范圍是5#倉到10#倉，可放料10個位置。

2）先行測量并焊接好磁性接近開關的鋼結構支架，將21個磁性接近開關（1#可逆小車7個落料位置+小車左右兩個極限位置，2#可逆小車10個落料位置+小車左右兩個極限位置）作為2臺可逆小車定位的基準。

3）考慮到2臺可逆小車的鋼結構車身自重較大，剎車時可能會因慣性剎不住沖出去而丟失定位信號，設置5～15 cm的慣性沖出量作為提前剎車的緩沖。

4）根據(jù)10個配煤筒倉的新配煤工藝，列出邏輯控制的卡諾圖（表1、表2），能有效展現(xiàn)出生產現(xiàn)場2臺可逆小車從當前位置接到遠程命令自動對位到需要落料的位置時往復行走方向的實際狀態(tài)。如：2#小車當前位置在6#倉6-2位置，主控室要遠程控制2#小車去9#倉9-1位置放料，在主控室WinCC畫面上直接點擊9-1按鈕，2#小車會自動向左行，走到9-2定位位置后自動停止。

5）在可逆小車定位的基礎上進行PLC程序設計，按卡諾圖創(chuàng)建變量編寫PLC程序[3]。在PLC編程過程中，著重設置了安全保護的邏輯：1#可逆小車只能在1-1、1-2、2-1、2-2、3、4-1、4-2的范圍內受控，2#可逆小車只能在5-1、5-2、6-1、6-2、7、8-1、8-2、9-1、9-2、10的范圍內受控；小車只能在各自允許行駛的區(qū)域內執(zhí)行啟/?？刂啤⑼?復運動控制；在小車兩側分別設置安全極限的停止限位、急停保護，防止小車沖出相撞。

6）修改WinCC畫面、調試PLC程序，協(xié)調生產試機成功。

3" " 結論

1）直接經濟效益：增加1個配煤筒倉，解決了調節(jié)煤種受空間限制的問題，節(jié)約了優(yōu)質煉焦煤，擴展了煉焦煤配比方案，焦炭質量發(fā)生波動后，可以及時調整配煤比，減少焦炭質量波動的時間，提高焦炭質量的穩(wěn)定性。按以下數(shù)據(jù)進行計算：改造前，全年焦炭產量84.5萬t，噸焦耗洗精煤1.204 t，搗固焦爐使用煉焦干煤50.87萬t；改造后，搗固焦爐增加2%左右貧瘦煤、3%左右氣煤，用于替代主焦煤，并用1/3焦煤替代原配煤中的氣煤，最終每年降低成本超過500萬元。

2）配煤筒倉智能布料控制也是本質安全提升項目，它改善了現(xiàn)場操作環(huán)境下的本質安全，解決了現(xiàn)場操作十個配煤筒倉勞動強度過大、工作效率低的問題，實現(xiàn)了布料過程的自動化。

[參考文獻]

[1] 王曉琴.煉焦工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2] 潘立慧，魏松波.煉焦新技術[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[3] 廖常初.PLC編程及應用[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：張羋（1983—），男，江西南昌人，工程師，從事冶金企業(yè)PLC自動控制、過程控制的研究和實現(xiàn)工作。