選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉順當(dāng)

(西山煤電(集團(tuán))有限公司 屯蘭選煤廠，山西 古交 030206)

0 引言

選煤廠是對工作面原煤進(jìn)行再處理的場所，隨著工作面采煤效率的提升及不同行業(yè)對精煤的要求不同，對選煤廠的洗選能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)選煤系統(tǒng)主要以繼電器控制為主，期間還需大量人力參與其中。選煤廠生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣，要求選煤廠安全、可靠生產(chǎn)[1]。為提升選煤廠的安全性和可靠性，本文以某選煤廠為例建立監(jiān)控系統(tǒng)，以達(dá)到提升其自動化生產(chǎn)能力、監(jiān)測選煤廠各設(shè)備實(shí)施運(yùn)行參數(shù)的目的。

1 選煤廠工藝流程概述

實(shí)現(xiàn)選煤廠的自動化生產(chǎn)，提升其可靠性和穩(wěn)定性，應(yīng)掌握該選煤廠的選煤工藝和相關(guān)設(shè)備性能。某選煤廠的選煤方式為重介質(zhì)選煤，根據(jù)煤炭顆粒的密度不同對其進(jìn)行分層處理，從而達(dá)到選煤的目的，較其他選煤方式更具有廣泛的適用性，且可提高精煤的產(chǎn)率。

根據(jù)選煤生產(chǎn)中的不同流程，可將選煤控制系統(tǒng)分為原煤分級系統(tǒng)、塊煤分選系統(tǒng)、末煤分選系統(tǒng)、粗煤泥分選系統(tǒng)、浮選系統(tǒng)以及煤泥水處理系統(tǒng)[2]。不同流程對應(yīng)分選設(shè)備如表1所示。

表1 選煤工藝及對應(yīng)設(shè)備類型

2 選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

結(jié)合某選煤廠的分系統(tǒng)及涉及到的關(guān)鍵設(shè)備，對選煤廠各分選系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化改造，最終實(shí)現(xiàn)了對選煤廠中各工藝流程及各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的集中監(jiān)測控制和分散控制。監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為：以PLC為核心，基于以太網(wǎng)通信技術(shù)對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行監(jiān)測，并為上位機(jī)配置一臺工業(yè)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)數(shù)量的液晶顯示器，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的記錄。基于選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對現(xiàn)場的安全保護(hù)和重介液密度的控制，從而達(dá)到降低選煤廠生產(chǎn)成本和作業(yè)人員勞動強(qiáng)度、提高選煤廠經(jīng)濟(jì)效益的目的[3]。在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖1所示的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)原理圖。

圖1 選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場分系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)通訊層以及上位機(jī)監(jiān)測層。其中，現(xiàn)場分系統(tǒng)主要是選煤廠各工藝流程的分系統(tǒng)和PLC下位機(jī)控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通訊層包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、光纜終端盒、光纖網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備；上位機(jī)監(jiān)測層為上位機(jī)控制系統(tǒng)和相關(guān)上位機(jī)計(jì)算機(jī)、顯示儀、工程師站和數(shù)據(jù)站等。

3 選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，完成對選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

3.1 監(jiān)控設(shè)備分類及其對應(yīng)PLC的組態(tài)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是基于PLC完成對各級設(shè)備的電氣監(jiān)控，所需監(jiān)控的設(shè)備包括普通設(shè)備、軟啟動設(shè)備、變頻控制設(shè)備、皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、電動平板閘門和電動閥。本節(jié)著重完成監(jiān)控系統(tǒng)中PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，完成對不同監(jiān)測對象對應(yīng)的PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。

其中，普通設(shè)備電氣控制主要是基于PLC對普通設(shè)備的電機(jī)啟動、電機(jī)換向以及電機(jī)停止等動作的控制，控制回路中包括低壓交流接觸器、低壓斷路器和綜合保護(hù)器等。一般地，選煤廠中的分級篩、脫介脫水篩、重介質(zhì)旋流器、弧形篩以及脫泥篩等設(shè)備均屬于普通設(shè)備，對應(yīng)控制回路中包含有5個數(shù)字量輸入點(diǎn)。

軟啟動設(shè)備主要指選煤廠中的重負(fù)荷啟動設(shè)備和相關(guān)大功率設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)對選煤廠電網(wǎng)的保護(hù)，并達(dá)到節(jié)能的目的，實(shí)現(xiàn)大功率及重載設(shè)備的軟啟動控制，對應(yīng)控制回路中包含有6個數(shù)字量輸入點(diǎn)和1個數(shù)字量輸出點(diǎn)[4]。對應(yīng)軟啟動設(shè)備的電氣控制原理如圖2所示。

圖2 軟啟動設(shè)備的電氣控制原理圖

變頻控制設(shè)備主要指選煤廠的泵類設(shè)備，由于泵類設(shè)備不具備自動調(diào)速功能,僅依靠閥門對其進(jìn)行控制導(dǎo)致其大部分工況下均在高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成大量電能的浪費(fèi)。為此，基于PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)對泵類設(shè)備的變頻控制，對應(yīng)控制回路中包含有7個數(shù)字量輸入點(diǎn)、1個模擬量輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。

皮帶運(yùn)輸機(jī)為選煤廠的主要運(yùn)輸設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)過程中因外力、張力以及安裝等外界因素容易導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象。因此，選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對皮帶運(yùn)輸機(jī)的跑偏故障進(jìn)行監(jiān)測，將現(xiàn)場所監(jiān)測到的跑偏信號傳送至PLC中，并發(fā)出報警信號。同理，刮板輸送機(jī)主要監(jiān)測其是否出現(xiàn)斷鏈等故障，并對發(fā)生異常的工況進(jìn)行及時停機(jī)處理。針對刮板輸送機(jī)與帶式輸送機(jī)的需求，為其對應(yīng)電氣監(jiān)控系統(tǒng)配置8個數(shù)字量輸入信號、2個數(shù)字量輸出信號(輸出回路信號、報警回路信號)。

針對上述一系列的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的控制需求，分別為系統(tǒng)選用S7-300PLC控制器，為上位機(jī)和下位機(jī)配置100 Mb/s的以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件

本方案選用STEP7 Micro/Win對監(jiān)控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)控制需求，完成對CPU、主站、遠(yuǎn)程站、以太網(wǎng)IP地址的配置[5]。要求所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件具備如下功能：①將現(xiàn)場采集到的模擬信號傳輸給PLC后對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以備后續(xù)計(jì)算使用；②要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對選煤廠設(shè)備的全自動控制和現(xiàn)場手動控制，并達(dá)到節(jié)能的效果；③要求監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備采用順序控制的方式，啟動時從后向前啟動，停機(jī)時采用從前向后的方式。塊煤分選系統(tǒng)的工作為選煤廠的關(guān)鍵流程，其對應(yīng)的程序流程如圖3所示。

圖3 塊煤分選系統(tǒng)程序流程圖

此外，要求選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面還可顯示工藝流程圖和其他功能畫面(包括報警畫面、報表畫面和變量趨勢畫面等)。人機(jī)界面中的變量趨勢畫面如圖4所示。

圖4 變量趨勢界面

該監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)某選煤廠實(shí)際運(yùn)行后，選煤廠所有分系統(tǒng)的可靠性大大提升，且對故障的定位和處理效率更高。與原選煤廠相比，選煤廠配置監(jiān)控系統(tǒng)后，對應(yīng)系統(tǒng)的啟停耗時由無監(jiān)控系統(tǒng)下的80 min縮短為40 min；系統(tǒng)的停機(jī)時長由22 h縮短為2.5 h；系統(tǒng)的絕對耗能由10.7 kWh/t降低為8.6 kWh/t。

4 總結(jié)

為進(jìn)一步提升選煤廠的自動化程度和洗選生產(chǎn)能力，本文完成對選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，具體總結(jié)如下：

(1) 以PLC為核心建立選煤廠的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對選煤廠各級別設(shè)備電氣控制的節(jié)能性、可靠性和穩(wěn)定性。

(2) 基于以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)的通信，并實(shí)時顯示選煤廠的工藝流程和其他功能。

(3) 經(jīng)實(shí)踐表明，某選煤廠應(yīng)用該監(jiān)控系統(tǒng)后系統(tǒng)啟停時長、故障停機(jī)時長以及系統(tǒng)的耗能明顯降低，具有實(shí)際意義。