基于西門子PLC的煤泥烘干自動控制系統設計

李 祥

(山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 忻州 036506)

煤泥是指煤粉含水所形成的混合物，屬于煤炭生產過程中的副產品。根據煤炭的品種和煤泥形成過程的不同，煤泥性質差別較大。由于我國大部分的煤泥具有水分高、粘性大、熱值低等特點，所以為了增加其使用價值，需要對煤泥進行烘干。目前的煤泥干燥技術采用煤泥壓濾+滾筒加熱干燥技術。加熱干燥操作簡單，并且干燥后的煤泥熱值較高。煤泥烘干自動控制技術應用于煤泥干燥工藝中，可以有效提高煤泥的干燥效率，減少環境污染，進而實現煤炭資源的可持續發展。

1 煤泥烘干系統設計的工業背景

山西省河曲舊縣露天煤業有限公司選煤廠于2018年7月開始正式投產運營，原設計生產能力洗原煤5.00 Mt/a，煤泥產率大致為5%～10%，每天生產煤泥約757.5～1 515 t。由于煤泥產品灰分較高、含水量高、經濟效益差，以及煤泥堆放場地的限制，嚴重影響選煤廠的正常生產運行。此外，由于煤泥產品露天堆放存在隨風揚塵、遭雨流失、久熱自燃的問題，不僅會嚴重造成礦區環境的二次污染，而且暗藏安全隱患[1]。

選煤廠為改善煤泥占地、污染環境的不利局面，通過使用煤泥烘干系統對煤泥烘干處理，最后使煤泥處理成粒度不大于13 mm，水分不大于14%的產品，增值為商品動力煤，形成單品進行單獨銷售，或者與中煤混合銷售，從而提高了選煤廠的經濟效益和環保效益[2]。

2 系統結構

該煤泥烘干系統以西門子S7-1500型PLC為控制核心，并與選煤廠其他控制系統進行協調控制，實現煤泥烘干過程控制，系統整體結構如圖1所示。煤泥烘干系統應用于整個選煤廠工業控制網絡中，既滿足該選煤廠控制系統的集中應用管理，又能夠保證烘干系統的單獨運行[3]。

圖1 煤泥烘干系統結構

從圖1看出，該系統網絡的首層為管理層，由集控平臺和監控平臺組成。第二層為控制層，主要由低壓配電裝置、PLC 控制中心和指示設備3部分組成，其中，低壓配電裝置提供各設備的三相動力電源和PLC控制中心的控制電源，指示設備為傳統指示儀表，而PLC 控制中心主要由S7-1500系列PLC模塊和人機設備組成?？刂茖又饕獙崿F所有設備集中聯鎖啟/?？刂?，根據各傳感器反饋，由PLC 控制中心輸出變頻器的給定，并通過人機設備顯示烘干系統生產線上各個設備的運行情況，同時監視電熱爐和烘干機等的出口溫度、濕度、壓力、濃度和運行預警狀態等。最后一層為物理層，由執行機構和傳感器構成。煤泥烘干自動控制系統中烘干機是關鍵的執行機構，圍繞這個控制中心實現對煤泥烘干機、熱風系統、除塵系統等的監控和操作。

3 PLC控制系統設計

3.1 煤泥烘干控制系統構建

壓濾機回收的煤泥水分一般都超過20%，煤泥烘干系統使煤泥在旋轉破碎過程中經過650～850 ℃的高溫熱風進行12～18 min的風干處理，可將細煤泥濾餅處理成預期的煤泥產品進行整合銷售[4]。為了實現上述目標，構建了煤泥烘干系統，如圖2所示，烘干系統包括刮板輸送機、干燥機、熱風爐、引風機等過程設備。整個系統在S7-1500PLC控制中心的作用下，采集干燥機、刮板機、熱風爐、引風機的狀態變量，通過控制熱源的溫度、煤泥的進料速度、出料速度以及干燥機內部壓力、溫度和濕度等，最終服務于滾筒干燥機的變頻控制，實現對煤泥烘干系統整體運行的協同控制。

圖2 煤泥烘干設備系統

控制系統選用西門子的高端控制器S7-1500系列PLC，緊湊型CPU1512C-1PN，其集成了模擬和數字I/O、PROFINET通訊接口，適用于本系統設計。變頻器選用西門子S120(CU310DP+PM340)，該變頻器集V/F、矢量控制及伺服控制于一體，與S7-1500運動控制功能配合使用，可實現對煤泥干燥機的變頻控制。此外，擴展了PRFIBUS DP模塊CP1542-5用于CPU與變頻器間通訊。S120通過PRFIBUS DP接收S7-1500發送的控制字以及速度給定，并反饋速度和位置信號給S7-1500，在S7-1500PLC中實現閉環控制。根據系統需求，為控制系統配置數字量及模擬量輸入模塊，最終硬件組態如圖3所示。

圖3 PLC硬件組態

3.2 煤泥干燥機的控制

煤泥干燥機是整個烘干系統生產線的核心部分。由于該選煤廠每天產出煤泥757.5～1 515 t，要實現快速烘干，解決煤泥堆積與環境污染問題，對煤泥烘干系統的產能和效率要求極高，為此，本系統選用經過改進的新型烘干設備-TMG3420型高效滾筒式干燥機。為了保證入料均勻可控，首先經由打散裝置打散成0～35 cm大小不等的煤粒，再經過刮板輸送機轉載從入料端直接進入料斗，由螺旋倒料選煤裝置進入干燥滾筒內[5]。在煤泥干燥機中，煤泥通過翼板和揚料板的作用，實現物料的縱向旋轉，熱風爐將鼓風機引入的空氣加熱，并帶動空氣流經干燥機后由引風機引出，實現煤泥和熱風的相互作用以及壓力平衡，增大物料和熱介質的接觸面積，使熱利用率得到很大的提高，從而獲得粒度、水分符合要求的產品[6]。干燥過程中設備的運行狀態、電機轉速、內部溫度濕度、壓力均可采集到PLC控制裝置中，通過對烘干系統進行狀態分析，由PLC實現閉環控制驅動變頻器，進而相應地改變烘干機的轉速和烘干時間以及其它設備的啟停。烘干系統過程控制如圖4所示。

圖4 烘干系統過程控制示意

3.3 進料系統

煤泥的進料系統包括打散裝置、刮板輸送機、料斗和選料機，其中刮板輸送機是進料系統實現濕煤泥輸送和分配的關鍵設備，采用變頻控制。煤泥烘干控制系統根據整個系統的工作狀態、料斗中物料位置和生產實際情況判斷進料系統的間斷啟停，調整刮板輸送機電機轉速給定，從而有序調整濕煤泥給入量，能夠減少入料口堵塞的發生幾率。同時，變頻控制和間斷工作模式，使刮板輸送電動機消耗電能減少，節能效果顯著。

3.4 熱風系統

在整體系統中，熱風爐是煤泥烘干的重要熱風源，作為介質濕熱交換和煤泥烘干的重要樞紐組成部分，熱風爐擔負著熱量的輸送和傳遞的任務。以往的熱源設備所采用的高溫沸騰爐，使用劣質煤作為燃料產生高溫煙氣參與煤泥烘干，會增大環境污染和節能壓力。而本系統采用本公司的自備電廠作為電力供應，滿足就地取材的原則，既減少污染，同時也可以節約成本，因此，本系統選取電熱爐作為熱源。

本系統烘干工藝采用順煤流干燥方式，熱風與濕煤泥由同一側進入干燥機，利用高溫熱風蒸發煤泥濕氣，同時可以通過增加熱風溫度及壓力加大蒸發強度，提高濕熱交換效率。高溫熱風的溫度高低直接決定著煤泥的烘干效果。溫度低會導致煤泥不符合標準，需要返工進行二次烘干。溫度太高會導致煤泥水分含量很低，達不到再利用的標準。一般情況下溫度需要控制為650～850 ℃，并且保證風干時間在12～18 min左右。為了達到更好的干燥效果，在干燥機內部設定4個溫度監測點，傳感器可將溫度信號傳回至控制器，同時根據干燥機出風溫度調節熱風爐出口的蒸汽壓力，當出風溫度低于設定值時，提高蒸汽壓力，反之，降低蒸汽壓力，大大提高了熱風爐蒸汽的有效利用率[7]。

3.5 引風系統

為了達到最佳的除濕效果，干燥機內部負壓值需要維持在設定值，因此，在出料處設置濕度監測點和干燥機內負壓值監測點，傳感器將出料處測得的干燥機內部負壓值送至PLC，經過系統處理來調節引風機的電機轉速，負壓值過大，調小電機頻率，減小風量，負壓值過小，增大電機頻率，增大風量，通過PID算法使機內負壓值維持在設定值[7]。引風機采用變頻驅動，能夠實現引風機軟啟動，避免啟動時強烈的沖擊，在一定程度上能夠保護電網。

3.6 除塵系統

在烘干煤泥時，煤泥烘干機不斷地旋轉進行濕熱交換，會產生濃度較大的粉塵和廢氣，而且水分含量高、易結露，必須采取有效措施抑制污染物的排放和大范圍擴散。因此本系統從環保層面考量設計了兩級除塵系統進行除塵，采用螺旋除塵配合袋式脈沖除塵器對粉塵進行回收。

螺旋除塵器采用GXC型高效旋風除塵器作為一級除塵設備，在煤泥干燥系統中分離煤粉，凈化干燥廢氣。袋式脈沖除塵器采用JQM系列氣箱脈沖袋式除塵器作為二級除塵設備，采用氣箱式結構和離線清灰技術進行分室反吹脈沖清灰，既可以保持動力強勁而充分地清灰，又降低了設備的局部阻損，收塵效率可達 99.9%以上，凈化后氣體的含塵質量濃度小于50 mg/m3。

除塵系統需要傳感器采集出料口煙氣濃度，反饋到PLC進行閉環控制，實現對塵埃濃度的控制。

4 結 語

設計的煤泥烘干系統以西門子S7-1500型PLC為控制核心，對進料系統、干燥機系統、熱源系統、引風系統、除塵系統進行工藝控制。在實際使用過程中，根據煤泥順流干燥工藝要求和細煤泥濾餅初始狀態，對烘干工藝中涉及的溫度、濕度、壓力、速度等運行參數進行了PID控制，提高了烘干系統自動化水平和烘干效率，取得了良好的應用效果。經過初期的調試運行，系統可以將煤泥處理成粒度不大于13 mm，水分不大于14%的產品，最大限度地將煤泥產品處理為商品用煤，與中煤摻混銷售，既提高了煤炭的利用效率，增加了選煤廠的經濟效益，同時解決了煤泥占地的問題，改善了周圍環境。