基于PLC的選煤廠煤泥水處理控制系統設計與實現

蘇松嶸

(山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

在選煤廠的各項工藝環節中，無論是循環水的復用與閉路循環還是分選效率、洗選質量，還是社會對企業的環保考核，煤泥水處理都是非常重要的工藝環節。提高循環水質量的主要兩個環節為沉降環節和底流回收環節。本文通過設計煤泥水處理控制主站、濃縮池底流回收從站和加藥系統從站，改善了以往人工控制循環水濁度不穩定、藥劑浪費等情況，對于選煤廠具有重要的意義。

1 煤泥水處理控制系統主站

系統主站選用西門子公司生產的SIMATIC S7-1200 PLC作為主控制器，與其配套的西門子系列的PLC軟件編程平臺為TIA Portal V12，這是西門子公司目前主推的編程平臺。主站的功能包括各項數據的收集和處理、手/自動控制、人機交互界面或上位機通信等。

1.1 煤泥水流量監測

系統主站的監測主要有煤泥水流量、濃度和濁度等，本文僅簡要介紹煤泥水流量與濃度的監測設計。考慮到煤泥水中的煤泥顆粒在流動中會產生靜電而吸附在傳感器觸頭表面造成污染，因此選用非接觸式的超聲波明渠流量計LCM-2000，將液體流量大小轉換為液位高低，使得測量不受液體的水質、密度、黏度、溫度、腐蝕性、壓力和電導率變化的影響，相比傳統的接觸式流量計更適合于煤泥水流量的工況。LCM-2000系列明渠流量計由轉換器、傳感器、標準量水堰槽組成，其安裝示意圖如圖1所示。經過嚴格設計的帕歇爾槽中的液位高低與液體流量存在映射關系，在程序中根據液位高低可查表獲得對應的流量大小。煤泥水處理過程中，主站需要對煤泥顆粒多少進行估計，從而確定整體工作量。

1.2 煤泥水濃度監測

放射性同位素法是一種精準的濃度測量方法，但是其存在安全隱患。對于煤泥水處理系統而言，煤泥水在整個洗煤廠作業中處于動態循環，若放射性同位素設備發生泄漏會蔓延到整個系統，后果不可控制。經過安全性考量，最終采取了超聲波測量法，通過向液體發送超聲波，液體中的顆粒數量多少會使超聲波信號發生不同程度的衰減，系統根據接收到的超聲波信號強弱來判斷液體濃度。

圖1 LCM-2000超聲波明渠流量計安裝示意圖

1.3 系統主站通訊配置

除了各類物理量的監測，系統主站需要承擔與底流回收系統、自動加藥系統以及集控主站的通訊。底流回收系統從站也采用與主站相同型號的西門子PLC，S7-1200系列PLC-TO-PLC的通訊通過集成通訊接口PROFINET實現。在STEP7 BASIC建立主控PLC項目與底流PLC項目，完成對二者的命名和編輯通訊地址等設置后，分別在二者的程序中調用TSEN-C和TRCV-C，設置好相關參數，最后下載到兩個PLC上，經過調試后即可實現通訊連接。

2 濃縮池底流回收系統

濃縮池底流回收系統的處理流程可簡要概括為：沉降后的煤泥水經底流泵加壓，然后輸送給壓濾系統。相對于底流泵的控制，壓濾系統比較獨立，對各環節配合度要求不高，因此本文設計的底流回收系統主要是改造升級原有的底流泵控制系統。

2.1 濃縮池底流回收系統硬件設計

經過研究與討論，確定了底流泵控制邏輯的控制目標，一方面能夠保證物料的持續輸送，另一方面盡量減少底流泵的啟停，以延長其工作壽命。攪拌桶內的液位是底流回收系統的一個重要信號，只有準確地測量才能進一步控制攪拌桶閥門、底流泵啟停和壓濾機打料時機。傳統的液位測量控制器例如浮球液位控制器，在液體性質發生改變時需要調節浮球的參數，因此選擇了非接觸式的超聲波液位計。如圖2所示，在攪拌桶頂端安裝超聲波發生與接收器，根據發出與接收到的時間t，即可計算出桶內液面高度L：

L=H-vt/2.

(1)

其中：H為液位計的安裝高度；v為聲音傳播的速度，取一個標準大氣壓下，15℃時的聲速為340 m/s。選用的超聲波液位計的傳輸信號為電流信號，經過設計與校準，攪拌桶的液位對應到4 mA～20 mA的電流信號，4 mA對應零液位，20 mA對應滿液位。經過PLC控制器的轉換，得到實際桶內的液面高度，模擬信號在可編程邏輯器件的IO設備輸入點。

B-盲區；D-空距；F-物位渦度

除了超聲波液位計，底流入料閥門也需要重新設計，攪拌桶內的液位較高才能停泵，因此閥門必須選擇電動閥門，并且具有遠程控制模式，經過各種閥門的選型，本文采用Z973X/H-6刀閘閥門，配合Z30-18W-Z型電動操作機構，可以顯示閥門的開度，將開度傳輸至PLC進行組態顯示，從而實現了數據的可視化，能夠顯著提高生產的自動化水平。

2.2 濃縮池底流回收系統軟件設計

在壓濾系統的從站底流回收控制子程序模塊中，除上電復位、系統初始化子程序外，主要包括底流儲料桶液位傳感器信號的采集與處理程序、與主站TCP協議通信子程序、底流泵和底流閥控制子程序、底流泵和底流閥運行指示子程序等，其程序流程如圖3所示。

3 自動加藥系統

自動加藥系統從站的功能有：攪拌桶和物料桶的液位信號采集與處理、變頻器控制、人機交互等。從功能上分，自動加藥系統可以分為自動制備設備和加藥添加設備，這些設備主要是為了提高煤泥顆粒的沉降速度，提高洗煤的回收效率。人機交互界面設計了一個觸摸屏，實現除電源操作以外的所有操作，對自動加藥系統信息量進行編址，并且與組態畫面的圖標建立一一對應的關系。自動加藥系統的信息量如表1所示。

圖3 濃縮池底流回收系統程序流程

表1 自動加藥系統的信息量

通過手動添加粉狀藥劑到喂料機，然后通過一個特制的篦子進行簡單過濾，自動加藥系統運行，然后進水閥門開始注水至事先預定的液位，接著風機啟動，通過送藥管子輸送到攪拌桶中，在整個投藥過程中，粉狀的藥劑間歇性向溶液中添加，通過攪拌電機的運轉消除結塊的藥劑，到達預定時間后，轉牌閥門打開，藥劑通過螺桿泵進行添加。在“自動”模式下，自動加藥系統具有程序記憶功能，受斷電影響后還能繼續斷電之前的工步，一旦設備在加藥過程中產生了某種故障，不能通過斷電來停止流程。這樣設計的好處是能夠加快藥劑溶液的制備效率。濃縮池絮凝劑自動加藥工作流程為：程序開始準備→加藥和攪拌→加水→攪拌→制備結束，對轉牌進行判斷→轉牌→加藥結束。

4 結語

現階段我國很多礦井已經開發多年，處于末采階段，原先的跳汰選煤已經顯露出控制落后、資源浪費等弊端。通過應用西門子S7系列PLC和FORCE CONTROL等先進控制技術，并且在濃度計、流量計等改造中應用先進的超聲波傳感器，經過設計升級的煤泥水處理控制系統具有靈活性、魯棒性等優勢，明顯降低了企業的運行成本，提升了生產效率，對其他選煤廠的升級改造具有借鑒意義。