選煤廠自動裝車系統的設計與應用

程廣魁

（西山煤電屯蘭礦選煤廠，山西 古交 030200）

近年來，隨著綜采工作面采煤效率的提升，對選煤廠各個分系統的處理能力和性能提出了更高的要求。當前自動裝車系統存在作業人員勞動強度大、工作環境差、效率低以及故障率高的問題，究其原因在于自動裝車系統的自動化水平低、裝車精度不高且故障定位不準確[1]。本文著重對選煤廠裝車系統的自動化控制進行研究。

1 自動裝車系統的設計

1.1 自動裝車控制系統的總體設計

自動裝車控制系統的自動化、高精度實現需實現對精煤煤倉倉口閘門的控制，對皮帶機的控制，對煤炭重量的精準稱重，對車廂進行識別以及實現對系統的監測和控制功能。針對自動裝車系統的控制需求，本方案采用以PLC 控制器為核心的控制系統實現，并采用以太網實現上位機與現場設備之間的通信，所選擇PLC 控制器的型號為S7-300 系列[2]。

根據控制需求，將自動裝車控制系統分為現場控制層、調度監控層以及信息管理層。其中，現場控制層主要基于PLC 控制模塊并結合模糊PID 控制算法所實現；調度監控層主要是對現場裝車系統設備運行參數的監測和控制，實現對系統的統一集中管理；信息管理層是為控制系統將來的控制需求提供程序及網絡接口。

1.2 自動裝車系統工藝流程設計

根據自動裝車系統的控制需求，設計如圖1 所示的自動裝車系統控制工藝流程。

圖1 自動裝車系統控制工藝流程

如圖1 所示，自動裝車系統根據車廂內煤炭的實時重量對煤倉液壓閘門和皮帶機進行控制，當系統檢測到車廂重量滿足要求時鐵牛將裝滿的車廂拖走，并由車廂識別系統對車廂進行識別。此外，控制系統根據車廂內貨物的重量控制皮帶機的帶速，保證精煤能夠均勻地裝入車廂內。

2 自動裝車監控系統的設計

2.1 自動裝車監控系統PLC 組件的選型

根據對自動裝車控制系統的總體設計，要實現對自動裝車任務的精準控制首先需準確獲取自動裝車系統設備的實時運行參數。經統計，自動裝車系統涉及到需控制的部件包括有皮帶機的驅動電機、煤倉的液壓閘門（9 套）、下煤簸箕、鐵牛、車號識別系統等[3]。

基于自動裝車監控系統可實現對皮帶機跑偏情況、液壓閘門的開口大小、液壓站點的壓力進行檢測，通過檢測結果及車廂內精煤的實時重量可實現對煤倉閘門的開關或者開口大小、皮帶機的帶速、液壓站壓力等參數進行控制。PLC 為自動裝車控制系統的核心，結合工業PLC 的選型經驗及系統的控制需求，該系統所選用PLC 控制器為S7-300 系列，并為其配置如表1 所示的其他模塊。

表1 PLC 控制模塊的配置

2.2 監控系統的設計

自動裝車系統的裝車流程設計：煤倉→液壓閘門→皮帶機→簸箕→車廂（實時稱重）→鐵牛牽引。

自動裝車系統的控制流程設計：車廂進入軌道→自動識別系統對車號進行識別→由鐵牛牽引車廂到達指定位置→皮帶機啟動—煤倉液壓閘口打開→精煤落入車廂并由稱重系統對車廂重量進行實時稱重→重量達到要求由鐵牛牽引出制動位置[4]。

為確保火車車廂的精煤量滿足要求，為自動裝車系統配置GUC-S 系列動態電子軌道衡實現對車廂精煤重量的精準測量。GUC-S 系列動態電子軌道衡的稱重原理如圖2。

圖2 GUC-S 系列動態電子軌道衡的稱重原理

水分為衡量煤炭經濟價值的關鍵，煤炭中水分過高會給用煤企業造成損失，而水分過低會給煤炭生產企業造成損失。因此，為了避免在自動裝車過程中造成精煤水量的損失，在皮帶機上增設水分在線監測設備，實現對精煤中水分的實時檢測，并在皮帶上方增設一套噴淋裝置。當監測到精煤中水分欠缺時，由PLC 控制器對噴淋電磁閥進行控制啟動噴淋裝置，將水以霧狀的形式均勻噴灑于精煤上。針對精煤水分控制系統設計如圖3 所示的上位機監控界面。

圖3 煤炭水分自動控制系統上位機監控界面

3 自動裝車系統控制策略的設計

鑒于傳統PID 控制器對控制參數調整控制后為固定值，當外界因素對系統造成干擾或者系統本身參數發生變化時，原參數已不適用于新工況。即傳統PID 控制算法的魯棒性較差，其控制效果無法滿足實際生產的需求[5]。為此，本文將采用模糊PID控制算法實現對自動裝車系統的控制。

基于模糊PID 控制器能夠根據控制參數的變化量和變化率對控制參數進行控制，在完成模糊PID控制器隸屬函數確定、模糊控制規則以及模糊推理驗證的基礎上，確定模糊PID 控制器中的積分環節參數為0.02、微分環節參數為0.01、比例環節參數為0.1。

為驗證模糊PID 控制算法的控制效果，以自動裝車系統中皮帶機為研究對象，當車號識別系統檢測到車廂到達指定位置時，皮帶機應先于煤倉液壓閘口開啟以防止堆煤現象的產生，研究皮帶機的啟動特性，如圖4。

圖4 模糊PID 控制算法下自動裝車系統皮帶機啟動特性

如圖4 所示，當皮帶機具備啟動條件時，控制系統能夠及時啟動皮帶機且帶速穩定所需時間僅為0.2 s，在整個控制過程中皮帶機帶速振蕩次數較少且超調量很小。因此，模糊PID 控制算法在自動裝車控制系統中具有較佳的應用效果。

4 結語

本文著重對自動裝車系統進行研究，具體總結如下：

（1）以PLC 控制器為核心設計包含由調度監控層、現場控制層和信息管理層組成的自動裝車控制系統；

（2）根據選煤廠裝車工藝為自動裝車控制系統設計裝車流程及其控制流程，并設計了以GUC-S系列動態電子軌道衡為核心的自動稱重系統，為保證煤炭的經濟價值為自動裝車系統配置了水分在線監測儀和噴灑裝置；

（3）以模糊PID 控制算法為核心的控制策略對自動裝車系統的控制具有響應及時、超調量小以及振蕩次數小的優勢。