選煤廠壓濾控制系統的改造設計

吳 凱

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦選煤廠，山西 古交 030200）

引言

選煤廠是對煤礦所產出的原煤進行加工的場所，其中，煤泥壓濾系統是原煤被洗選后的煤泥漿料進行過濾壓榨的處理系統，其對應的產生不僅可再次利用，而且可對洗選煤水進行回收再利用。當前，選煤廠壓濾控制系統所面臨的問題包括有智能化程度有限、入料量僅根據作業人員的經驗判斷導致不穩定、與其他系統配套的通訊及監測設備的配置不完善、存在極大的安全隱患等[1]。因此為提升壓濾系統的效率、提升其自動化智能化水平，本文重點對選煤廠壓濾控制系統進行改造。

1 現狀分析

西曲礦選煤廠壓濾系統所采用的壓濾組件的具體型號為KM350/2000 的快開式隔膜壓濾機，所配置壓濾機的數量為4 臺，壓濾系統的組成如圖1 所示：

圖1 壓濾系統組成圖

如圖1 所示，選煤廠壓濾系統包括有攪拌池。PLC 控制柜、入料泵、壓濾機、輸送帶以及壓風機等組成。其中，攪拌池主要是實現煤泥料漿的合理配比；壓濾機作為壓濾系統核心其主要任務是實現煤泥料漿的脫水功能；壓風機為含水率降低的煤泥提供一定風壓實現壓榨功能；刮板輸送機對煤泥餅進行運輸；PLC 控制柜主要實現壓濾系統的自動化控制[2]。目前，壓濾控制系統所存在的問題可總結如下：

1）對于風壓榨環境，僅在系統工作前在上位機對壓榨時間參數進行設置，在設定時間完成壓榨環節后通過排水量由現場操作人員間接判斷含水率。上述方式智能化及可靠性偏低。

2）在實際壓濾過程中通過人工對入料時間進行估算，常會導致過濾程度不一的情況發生。即，經常導致過濾不充分或者噴漿的情況發生。

3）由于缺乏對煤泥料漿濃度、管路壓力等參數的監控導致時常發生管路堵塞，對壓濾系統的相關設備造成沖擊，進而降低設備的可靠性和整個系統運行的安全性。

4）當前壓濾控制系統相應的設備、儀表以及通訊系統配置的不完全，無法實現對整個系統進行全面、合理地監控管理[3]。

綜上所述，當前急需對選煤廠壓濾控制系統進行改造設計，并對其控制策略進行設計。

2 壓濾控制系統的改造設計

本小節在對壓濾控制系統整體改造的基礎上，對相應的硬件設備及控制規則進行設計。具體闡述如下：

2.1 壓濾控制系統的整體改造設計

通過對當前壓濾系統所存在的問題及原因進行分析后認為，解決上述問題的核心在于通過對壓濾設備和空氣壓縮機遠程監測和控制的基礎上，對壓濾系統的運行狀態進行監控，最終達到對煤泥含水率進行精準、實時控制的目的。在原壓濾控制系統的基礎上，設計改造后的壓濾控制系統的結構如下頁圖2 所示，改造后的壓濾控制系統以PLC 控制、變頻器等為核心，對現場壓濾設備、空氣壓縮機等設備運行參數監測和對系統液壓油壓力、溫度、管路壓力、流量等參數監測的基礎上，實現對壓濾系統中入料泵和空氣壓縮機的實時精準控制以確保最終煤泥含水率滿足要求[4]。

圖2 壓濾控制系統改造后系統圖

2.2 PLC 及現場設備的選型設計

2.2.1 PLC 控制器的選型設計

PLC 控制器為本次改造的核心重點，PLC 控制器肩負著對監測參數的分析處理和對控制信號的傳輸（包括上位機和現場設備）。結合壓濾控制系統的工況，PLC 控制器需對整個系統的運行方式、各級設備的運行狀態、液壓油缸的壓力、各限位開關的狀態、管路的壓力及流量等數字和模擬信號進行分析處理；同時，在對上述參數分析處理的基礎上通過以太網接口上傳至上位機，實現各項參數的實時顯示和記錄；通過Profibus 接口將控制信號傳遞至現場設備實現對變頻器的控制；對超出閾值的參數發出報警功能并及時停機。

結合工業中PLC 控制器的應用情況，本工程所配置的PLC 控制器為S7-300 系列。同時，結合實際工況為其配置數字量輸入點數為37，數字量輸出點數為22，模擬量輸入點數為3。PLC 控制器其他功能模塊的選型如表1 所示：

表1 PLC 控制器相匹配的其他功能模塊選型

2.2.2 現場設備的選型

現場設備包括有傳感器、觸摸屏以及變頻器，選型結果如表2 所示。

表2 現場設備選型結果

值得注意的是，變頻器的選型需考慮空氣壓縮機（55 kW）和入料泵（75 kW）的實際額定功率。

3 壓濾系統控制策略的改造及功能實現

目前，壓濾控制系統僅采用單純的電氣控制策略實現對相關設備的控制。在實際應用中，傳統電氣控制控制略存在延時長、精度不高等問題。綜合當前工業中應用較為廣泛的PID 和模糊PID 控制策略，本節將在對比上述兩種策略控制效果的基礎上，最終選擇最適用于選煤廠壓濾控制系統的控制策略。

以入料泵的控制為例，采用PID 控制策略，其對應的控制目標將入料泵壓強保持在0.75 MPa 左右；當通過壓力變送器所檢測的壓強與目標值存在偏差時，通過對入料泵變頻器的控制實現對入料流量的控制，最終實現入料壓力的恒定[5]。針對入料泵壓力的控制對應的PID 的初始參數為：比例環節調節系數0.51、積分環節調節系數為0.4，微分環節調節系數為0.05。

同樣以入料泵的控制為例，采用模糊PID 控制策略進行控制，其對應的控制目標同樣為保證入料泵壓力的恒定。區別在于模糊PID 控制策略能夠基于對模糊算法對PID 的初始參數進行調整，最終實現對入料泵壓力在最短的時間內完成恒定控制。基于模糊算法整定后的PID 控制器參數為：比例環節為0.4、積分環節為0.5，微分環節為0.02。

兩種控制方式的仿真結果對比如表3 所示：

表3 PID 策略與模糊PID 策略的控制效果對比

如表3 所示，采用模糊PID 控制策略整個系統達到平衡所需的時間與采用PID 策略明顯減小一倍；同時，在整個調整控制過程中模糊PID 控制策略的超調量較小，即對系統的影響、沖擊較小。

4 結語

煤泥壓濾系統為選煤廠的重要組成部分，其控制系統的性能直接決定選煤廠的工作效率和節能減排生產的目標。針對傳統雅壓濾系統自動化智能化水平、控制精度不足以及安全系數低問題，基于PLC控制器和變頻器實現對傳統壓濾系統的硬件改造；并對比模糊PID 策略和PID 控制策略對入料泵壓力控制的響應時間和超調量，最終選用基于模糊PID控制策略對選煤廠壓濾系統進行控制。