基于PLC的選煤廠壓濾控制系統的設計及實現

劉 皓

(西山煤電(集團)有限公司 屯蘭選煤廠，山西 古交 030206)

0 引言

煤泥選煤廠洗選加工的副產品具有含水量高、黏性高、熱值量低等特點。為加強對煤泥等副產品的利用，提高能源的利用率，避免浪費煤炭資源，選煤廠配置了有效的煤泥水處理設備—壓濾機實現對煤泥的回收。隨著工作面綜采設備自動化水平的提升及選煤技術的發展，導致煤質變差，進而對壓濾系統提出了更高的要求[1]。為提升選煤廠壓濾系統的自動化水平及可靠性，本文基于PLC以壓濾機為監控對象實現對壓濾設備運行參數的實時監控。

1 壓濾控制系統的總體設計

目前，某選煤廠壓濾設備為快開式隔膜壓濾機，廠內共有4套相對獨立的壓濾系統，其主要由攪拌池、入料泵、壓濾機、輸送機、壓風機以及PLC控制柜組成，主要功能是對副產品煤泥進行壓榨，并對煤泥水循環利用。該選煤廠壓濾系統中壓濾機的具體型號為KM350/2000。針對當前壓濾系統自動化水平低、可靠性差的問題，本文將結合PLC控制技術、變頻控制技術、傳感器控制技術和PID控制算法實現對選煤廠壓濾系統的自動化監控，最終實現對所得煤泥副產品中含水率的控制，實現對壓濾系統相關設備參數的集中監測和控制[2]。基于上述自動化、高可靠性的控制思路設計如圖1所示的壓濾控制系統結構。

如圖1所示，壓濾自動化控制系統的核心控制器為PLC控制柜，此外還包括上位機觸摸屏、壓濾機、空氣壓縮機、入料泵、變頻控制器以及用于現場設備運行參數監測的各類傳感器(壓力傳感器、流量傳感器)等。其中，通過控制入料泵實現對入料環節的控制；通過控制空氣壓縮機實現對壓榨環節的控制。其控制原理為：壓濾控制系統的最終控制設備為壓濾機，其控制依據為壓濾機檢測儀表和形成開關的狀態參數，控制途徑為通過電磁閥對入料泵和空氣壓縮機等輸出單元的控制最終實現對壓濾機的控制[3]。采用PROFIBUS-DP通信協議對該控制系統上位機、下位機進行通信，并采用以太網通信技術實現通信[4]。

圖1 壓濾控制系統結構

1.1 壓濾控制系統的硬件設計

1.1.1 PLC系統

壓濾控制系統的控制對象為壓濾機，其輔助設備包括測量儀表和壓力表等，其執行設備包括電磁控制閥、壓風機等。

本文采用的壓濾機為KM350/2000型快開式隔膜壓濾設備。PLC為壓濾控制系統的核心，本文著重對PLC相關硬件進行選型設計。結合PLC不同產品的特征及壓濾系統的控制需求，本控制系統選用S7-300系列的PLC，對應CPU模塊的具體型號為315-2PN/DP；對應的數字量輸入模塊為SM321，數字量輸出模塊為SM322，模擬量輸入模塊為SM331。經統計，本控制系統中數字量輸入點有37個，數字量輸出點有22個，模擬量輸入點有3個。本控制系統對應電源模塊選用PS307-5A和PS307-10A。

1.1.2 壓濾控制系統其他硬件選型

本控制系統其他硬件選型結果如表1所示。

表1 壓濾控制系統其他硬件選型

壓濾控制系統的變頻調速是其提升自動化水平、降低能耗、避免系統在啟停時對電網造成沖擊的關鍵。針對壓濾系統的變頻控制需求，該系統需對入料泵的壓力進行變頻控制，基于PLC和變頻器的入料泵變頻控制原理如圖2所示。

圖2 入料泵變頻調速控制原理圖

1.2 壓濾控制系統的軟件設計

壓濾控制系統的軟件包括壓濾控制系統的主控制程序、壓風機聯控程序、入料泵壓力控制程序、故障報警程序等。為保證壓濾控制系統的精確性和可靠性，本文將采用PID控制策略對其各分系統進行控制。本節將著重對模糊PID控制策略的設計進行研究。模糊PID控制器結構如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結構框圖

模糊PID控制流程如下：r(k)為系統輸入，由壓力檢測計對輸出信號y(k)進行監測，與輸入的信號對比，得出偏差率ec和偏差e，模糊PID控制器基于模糊控制規則對PID控制器中的比例環節增益Kp、微分環節增益Kd和積分環節Ki進行調整，通過PID控制器得出對應的偏差和偏差率下的控制策略u(k)實現對變頻器的控制，最終達到對壓風機對應控制的目的。

結合工程經驗并查閱相關文獻，針對壓濾控制系統其對應的傳遞函數如式(1)所示：

(1)

對應上述傳遞函數中PID控制器中的三個參數分別為：比例因數為0.51，積分因數為0.4，微分因數為0.05。經仿真分析，通過采用模糊PID控制策略與采用PID控制策略對壓濾控制系統的控制效果的比較得出，模糊PID控制策略具有超調量小、系統調整時間少且振蕩次數少的優勢。即，驗證了模糊PID控制器對壓濾控制系統控制的穩定性和可靠性。

基于模糊PID控制算法和PLC、變頻器控制的流程，編寫了相應的壓濾控制系統關鍵分系統控制的程序流程圖。圖4為模糊PID控制算法下基于PLC的壓濾控制系統主監控系統的界面。

圖4 壓濾控制系統監控主界面

2 總結

壓濾系統為選煤廠針對副產品煤泥回收、循環水回收利用的關鍵分系統，其自動化水平和可靠性直接決定選煤廠煤泥的回收率和能耗。為提升選煤廠壓濾系統的自動化水平、降低其生產能耗，本文基于PLC設計壓濾控制系統，具體總結如下：

(1) 壓濾控制系統的核心為PLC，其對應控制策略的算法為模糊PID控制算法，所選型PLC為S7-300系列的產品，并為系統配置相應的模塊。

(2) 基于模糊PID控制策略對壓濾系統的控制，與傳統PID控制策略相比較具有響應及時、振蕩次數小以及超調量小的優勢。