基于PLC控制系統(tǒng)在選煤廠重介分選工藝的應(yīng)用

譚 鵬

(西山煤電 西銘礦 選煤廠，山西 太原 030052)

0 引言

煤炭消費(fèi)在我國(guó)能源消費(fèi)中占據(jù)主要地位，但是其生產(chǎn)利用過(guò)程中存在著環(huán)境污染的問(wèn)題，尤其是我國(guó)北方冬天因取暖而造成的霧霾現(xiàn)象嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。煤炭加工洗選能夠?qū)⒕骸⒅忻汉晚肥诌x開來(lái)，還能夠降低原煤灰分和硫分，凈化環(huán)境，因此本文研究的一種基于PLC的重介質(zhì)精選煤工藝控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 重介質(zhì)選煤原理

阿基米德原理指出：在液體中浸泡的物體所受到液體的浮力為物體排開液體所受到的重力大小。即浮力G0與排開液體體積、液體密度成正比，與其他因素?zé)o關(guān)。重介質(zhì)選煤原理正是基于此，將氧化鐵與水按一定比例配置成一定密度的重介質(zhì)懸浮液，然后將原煤放入其中，與重介質(zhì)懸浮液密度相比，密度小的上浮物質(zhì)經(jīng)其他工藝分選后成為精煤，密度大的下沉物質(zhì)為矸石等雜質(zhì)。

原煤在重介質(zhì)懸浮液中受到的懸浮力G0為：

G0=V(δ-ρsu)g.

(1)

其中：V為入洗原煤的體積；δ為入洗原煤的密度；ρsu為重介質(zhì)懸浮液密度；g為重力加速度。

根據(jù)阿基米德原理研制的重介質(zhì)淺槽分選機(jī)是選煤廠進(jìn)行原煤主選的主要設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由入料和出料溜槽、刮板輸送機(jī)、分選槽和溢流堰等部分組成。待選原煤經(jīng)入料溜槽進(jìn)入裝有氧化鐵懸浮液的分選槽中，密度不同的物質(zhì)就會(huì)分層，密度小的產(chǎn)物會(huì)漂浮在懸浮液上層，隨著液體流入溢流堰成為精選煤，密度大的產(chǎn)物會(huì)沉降到分選槽底部的刮板處，然后緩慢的排出。淺槽分選機(jī)具有原煤處理速度快、產(chǎn)量高、塊煤破壞度小等優(yōu)點(diǎn)。選煤廠塊煤在主選淺槽進(jìn)行主選，主選后的輕產(chǎn)物經(jīng)過(guò)脫介和分級(jí)處理后得到精煤產(chǎn)品，重產(chǎn)物在再選淺槽進(jìn)行再選，再選后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)脫介處理后得到中煤產(chǎn)品，再選后的重產(chǎn)物經(jīng)過(guò)脫介處理后為矸石。

圖1 重介質(zhì)淺槽分選機(jī)結(jié)構(gòu)組成

2 重介質(zhì)選煤系統(tǒng)控制要求

(1) 生產(chǎn)集中控制功能。生產(chǎn)集中控制的內(nèi)涵包括兩部分，一是操作人員能夠通過(guò)既定程序在遠(yuǎn)方操作臺(tái)發(fā)布控制命令完成整個(gè)選煤工藝流程，二是操作人員通過(guò)遠(yuǎn)方監(jiān)控設(shè)備監(jiān)視或查閱生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)。

(2) 啟停車順序控制功能。交流異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，為了避免電網(wǎng)遭受損害，洗選設(shè)備啟動(dòng)或停車時(shí)不能同時(shí)由多個(gè)設(shè)備進(jìn)行，合理的啟動(dòng)順序?yàn)槟婷毫鞣较蛎扛粢欢螘r(shí)間啟動(dòng)一臺(tái)設(shè)備，停車順序?yàn)轫樏毫鞣较蛎扛粢欢螘r(shí)間停止一臺(tái)設(shè)備。

(3) 控制方式選擇功能。選煤系統(tǒng)控制方式有集控自動(dòng)控制方式、集控就地聯(lián)鎖控制方式、集控就地單機(jī)控制方式以及緊急制動(dòng)控制方式。

(4) 聯(lián)鎖和解鎖功能。進(jìn)行選煤作業(yè)時(shí)，生產(chǎn)線上的所有設(shè)備處于聯(lián)鎖狀態(tài)，目的是服務(wù)于設(shè)備啟停順序控制。當(dāng)選煤設(shè)備處于檢修狀態(tài)時(shí)，生產(chǎn)線上的所有設(shè)備處于解鎖狀態(tài)。

(5) 工藝選擇功能。根據(jù)選煤廠不同產(chǎn)品對(duì)選煤工藝的不同要求，操作人員能夠通過(guò)集控室的操作臺(tái)選擇工藝流程，完成各種粒度范圍原料的洗選和加工等工藝流程，最終得到不同的精煤和中煤產(chǎn)品。

(6) 預(yù)警功能。在洗選工作開始前，需要工作人員對(duì)各洗選設(shè)備進(jìn)行全面檢查，以免洗選工作開始后發(fā)生意外，因此在遠(yuǎn)程集控操作的工作人員確認(rèn)開始洗選工藝前，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員發(fā)出開始洗選的預(yù)告信號(hào)，提醒工作人員撤離現(xiàn)場(chǎng)，以免發(fā)生危險(xiǎn)。集控室工作人員確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)檢查的工作人員撤離完畢后才能啟動(dòng)生產(chǎn)。

(7) 事故報(bào)警功能。選煤工藝控制系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)各個(gè)設(shè)備基本故障信號(hào)的采集和判斷功能，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，集控室的控制器接收到異常信號(hào)，如果確認(rèn)故障發(fā)生則迅速發(fā)出事故報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員進(jìn)行事故處理。

(8) 數(shù)據(jù)采集功能。在選煤生產(chǎn)過(guò)程中，下位機(jī)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)在服務(wù)器中，上層管理系統(tǒng)能夠在需要時(shí)隨時(shí)查看這些數(shù)據(jù)。

(9) 閉環(huán)控制功能。閉環(huán)控制包括懸浮液密度閉環(huán)控制功能和合格介質(zhì)桶液位閉環(huán)控制功能。

(10) 電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能主要指過(guò)流保護(hù)和溫度保護(hù)。

3 重介質(zhì)懸浮液密度控制

重介質(zhì)懸浮液密度閉環(huán)控制由基于γ射線的懸浮液密度檢測(cè)和基于模糊PID控制的懸浮液密度控制兩部分組成。懸浮液密度檢測(cè)的原理是：通過(guò)采集經(jīng)數(shù)據(jù)處理后γ射線密度計(jì)產(chǎn)生的懸浮液電離信號(hào)，獲取此時(shí)重介質(zhì)懸浮液的密度，得到此時(shí)懸浮液密度誤差e及誤差變化率ec并存儲(chǔ)，然后判斷懸浮液密度誤差e和密度誤差變化率ec是否超過(guò)限制，如果判斷為超過(guò)限制，則令超限值取為上限或下限，然后對(duì)懸浮液密度誤差e和密度誤差變化率ec進(jìn)行模糊化處理，如果判斷結(jié)果為沒(méi)有超過(guò)限值則直接進(jìn)行模糊化處理，然后根據(jù)模糊化處理的結(jié)果查控制規(guī)則表，獲取此時(shí)合適的PID控制器參數(shù)，最后進(jìn)行清晰化和量化處理。PID控制器的輸出能夠控制清水閥的開度從而控制加水量，同時(shí)也能控制分流器的開度加稀介質(zhì)懸浮液，最終將懸浮液密度調(diào)節(jié)到合適值。整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)按照一定的控制周期進(jìn)行循環(huán)，其程序流程如圖2所示。

圖2 重介質(zhì)懸浮液密度控制流程

4 合格介質(zhì)桶液位控制

合格介質(zhì)桶液位閉環(huán)控制是重介質(zhì)懸浮液密度控制的基礎(chǔ)，相比于懸浮液密度模糊PID控制的復(fù)雜原理，合格介質(zhì)桶液位控制是一種動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定的簡(jiǎn)單線性控制過(guò)程，因此基本的PID控制器即可完成，合格介質(zhì)桶液位控制流程如圖3所示。通過(guò)壓力計(jì)式液位計(jì)對(duì)合格介質(zhì)桶內(nèi)的液位進(jìn)行檢測(cè)，PLC將實(shí)測(cè)液位與給定液位做差得到液位誤差，經(jīng)過(guò)PID控制調(diào)節(jié)后，輸出控制信號(hào)給加水閥，通過(guò)加水閥調(diào)節(jié)加水量的多少和分流量的多少，從而控制合格介質(zhì)桶內(nèi)液位的高低。

圖3 合格介質(zhì)桶液位控制流程

5 PLC控制系統(tǒng)方案

根據(jù)選煤廠的煤料生產(chǎn)需求和工藝控制要求，基于氧化鐵重介質(zhì)選煤PLC控制系統(tǒng)能夠完成主井口到產(chǎn)品倉(cāng)、產(chǎn)品倉(cāng)裝車外運(yùn)等過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制。本文研究的選煤工藝控制系統(tǒng)可以從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上分為管理環(huán)節(jié)、監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)。基于PLC的重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 重介質(zhì)選煤PLC控制系統(tǒng)框架

管理環(huán)節(jié)由服務(wù)器、工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的管理功能。管理環(huán)節(jié)的服務(wù)器有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和程序服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，包括各類運(yùn)行參數(shù)、監(jiān)控畫面、報(bào)表和報(bào)警記錄以及檢修信息；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和監(jiān)控；程序服務(wù)器負(fù)責(zé)程序安裝和運(yùn)行平臺(tái)。總工和廠長(zhǎng)

的工業(yè)計(jì)算機(jī)主要功能是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視。上述服務(wù)器以及上位機(jī)和下位機(jī)的通訊通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。

生產(chǎn)監(jiān)視部分由攝像機(jī)、閉路電視、切換器、投影儀、工業(yè)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器以及打印機(jī)組成，工業(yè)計(jì)算機(jī)的作用是管理、監(jiān)控控制系統(tǒng)的平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)選煤廠生產(chǎn)過(guò)程的管理、監(jiān)控以及各項(xiàng)報(bào)表的打印，操作軟件采用WinCC組態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)控制環(huán)節(jié)由上位機(jī)控制總站、下位機(jī)控制分站和各類傳感器組成。傳感器的作用是采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和各運(yùn)輸管道的壓力。現(xiàn)場(chǎng)控制環(huán)節(jié)的作用是完成各項(xiàng)操作指令的收發(fā)和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀況與選煤設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的重介質(zhì)選煤法是一種集測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)為一體的先進(jìn)選煤技術(shù)。實(shí)際分選效果表明，該方法分選精度高、增加了煤炭種類、提高了煤炭質(zhì)量，在選煤廠經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)等方面具有重要意義。