煤泥水車間設備網絡化變更控制系統的設計與實現

趙曉紅，朱 帥，楊 陳，彭 晨

(1.西山煤電(集團)有限公司 屯蘭選煤廠，山西 太原 030206；2.上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200444)

選煤生產流程供應鏈包含原煤準備車間、主選車間、浮選車間、煤泥水車間等核心環節。由于我國選煤主要采用的是以水作為媒介的濕法洗選加工工藝，因此選煤生產流程供應鏈中的煤泥水車間在工藝流程中發揮著重要作用[1]。選煤廠煤泥水車間的作用主要是對煤炭分選加工過程中產生的煤泥水進行處理[2]。該車間配備有大量的生產設備，通過對煤泥水中的固體物質和水分別進行回收、加工等操作，從而實現煤炭資源的有效回收和水的循環復用。改善煤泥水車間設備的控制方式，提高設備之間的協同性，是實現煤泥水車間工藝優化的重要基礎[3]。

目前，許多研究人員也提出了一些針對煤泥水車間的設備控制方案。寧永安[4]提出了一種針對整個選煤廠的智能化改造方案，通過整合選煤廠信息層面的內容，實現了對煤泥水車間乃至整個廠區狀態的監控。但是該方案只是停留在監測層面，無法有效地對煤泥水車間以及其他車間設備進行控制。劉東亮[5]提出了一種對加藥系統進行控制的方案。該方案是以絮凝劑濃度為控制對象，采用了HMI觸摸屏控制，但該方式仍屬于就地控制，并未將控制信號進行集中管理。牛一波[6]提出了一種基于PLC控制器的煤泥水控制系統的設計方案，通過主從站的設計，在一定程度上提高了相關流程的自動化水平，但該方案的實現與劉東亮等人提出的方案類似，僅是將控制信號交給從站，并沒有將控制信號集中到控制室，故仍屬于就地控制。以上方案仍然是將煤泥水車間的各個設備視為獨立存在，并未在根本上改變車間設備的控制方式。

煤泥水車間內設備數量眾多、且分布零散，如果設備的運行狀態控制仍然采用本地控制方式，就會產生用工人數和工作效率之間的矛盾，不符合當前提倡的“減員增效”的生產管理目標。為此，設計了一種以西門子S7-1500可編程控制器(以下簡稱S7-1500 PLC)為核心的煤泥水車間設備網絡化變更控制系統，將車間設備控制權進行集中處理，通過網絡數據的形式向設備發送控制指令和信息采集指令，從而實現煤泥水車間的設備的網絡化變更控制。在生產中，該系統可根據工藝流程的動態需要對煤泥水車間的設備進行變更控制，如控制底流泵的啟停、調節閥門開度等，不僅能大大降低用工人數，還可提升設備控制的實時性和協同性，提高生產效率。

1 系統硬件

系統硬件由核心控制器模塊、分布式IO模塊、工業以太網模塊、底流泵控制模塊、電動閘板閥門開度控制模塊以及液位控制模塊組成。其中電動閘板閥門開度控制模塊由閥門現場電氣柜以及閥門位移傳感器組成。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

1.1 核心控制器模塊

根據工業現場環境對設備的要求，選擇PLC作為系統的核心控制器。根據煤泥水車間情況，要想實現系統控制，對控制器主站的要求一般有：① 處理的信號均為開關量和模擬量；②要能夠實現分布式控制；③ 通信方案能實現高復用性，以降低施工難度。據此要求，最終選擇西門子S7-1500 PLC作為系統的主站控制器。該系列PLC對于信號的處理可以實現納秒級的響應，對于當前普遍采用的分布式IO系統，S7-1500 PLC也提供了良好的支持[7]。在通信方案上，S7-1500 PLC支持目前主流的Profibus以及Profinet通信。Profinet是PNO組織為滿足實際工業現場需求推出的現場總線[8]。該總線以工業以太網標準為基礎實現[9]，能實現通信的高復用性。

因為系統采用分布式控制，所以在核心控制器模塊中的S7-1500 PLC不需要配備輸入輸出模塊，只需要配備電源模塊、通信模塊以及控制器CPU即可。

1.2 分布式IO模塊

因為在煤泥水車間內部，所有的設備都呈現“總體分散、區域集中”的特征，所以系統結構采用“分散式集中”架構。“分散式集中”架構一般可以采用兩種方式來實現：第一，使用多臺PLC控制器，利用現場總線將其連接；第二，使用分布式IO模塊。與多臺PLC控制方式相比，分布式IO模塊控制方式具有結構緊湊、體積小、組態簡單、開發便利的優點[10]。

根據煤泥水車間的實際要求和核心控制器S7-1500 PLC的兼容性，最終選用ET200SP分布式IO控制器作為分布式IO模塊的控制核心。ET200SP分布式IO控制器具有簡單易用、體積小巧、性能卓越、功能強大等特點[11]，且支持工業以太網Profinet。通過采用Profinet工業總線，該控制器可以實現高性能、靈活的分布式自動化解決方案[12]。此外，ET200SP分布式IO控制器通過采用可更換的總線適配器，還可提供各種工業總線連接技術，可連接常用的RJ45插頭，實現網絡互連[10]。

1.3 底流泵控制模塊

底流泵是煤泥水車間的主要生產設備，對底流泵的控制也是選煤廠煤泥水車間設備網絡化變更控制系統的核心任務。

底流泵控制模塊的功能包括：設備狀態控制、設備控制方式的切換、設備電流檢測。底流泵的運行狀態可以分為啟動、運行和停止。在三種狀態中，啟動是底流泵最為重要的狀態。底流泵啟動時電樞內阻小，轉速低，反電動勢小，因此啟動電流(轉速為零時啟動瞬間的線電流[13])會遠高于額定電流，直接啟動時，啟動電流可以達到額定電流的4～7倍。啟動電流是影響啟動性能的重要因素[14]，啟動電流過大對底流泵和電網電源都有影響：一是使電網電壓瞬時下降，特別是在大功率底流泵啟動時，電壓下降很大，會導致底流泵啟動困難，甚至還會影響到電源線纜上其他設備的正常運行和啟動[15]；二是過大的啟動電流將會使底流泵和線纜上的電能損耗增加，特別是在頻繁啟動或啟動時間長的情況下，會導致電能損耗更大。因此需要為底流泵設計合理的啟動方式[16]。

當前，底流泵的啟動方式主要有全壓啟動、自耦降壓啟動、星三角啟動、變頻器啟動等方式[18]。對于本地控制的底流泵而言，這幾種啟動方式技術都很成熟。但是對于本系統來說，需要給這些啟動方式增加控制方式切換和遠程控制的功能，因此需要對傳統的底流泵啟動電路進行改造。

以星三角降壓啟動方式為例來說明設計思路及方案。傳統底流泵星三角降壓啟動方式控制電路如圖2所示。按下圖2中啟動按鈕SB2，接觸器KM、KM1和KT得電，主觸點閉合，底流泵處于星形連接狀態；時間繼電器KT動作后，接觸器KM1斷電，KM2上電，此時底流泵處于三角形連接狀態，電機開始正常運行。運行時，按下停止按鈕SB1，則停止運行。

圖2 傳統底流泵星三角降壓啟動方式控制電路

根據系統的要求，對傳統底流泵星三角降壓啟動方式控制電路進行重新設計，使其能夠實現設備控制方式的切換以及遠程、就地兩種方式的控制，并從設備安全角度考慮，增加急停控制、檢修控制狀態。此外，從信號的角度來看，為了方便操作人員對設備當前狀態進行檢測，系統需要為設備增加對應的信號指示功能，如：設備的運行狀態指示燈、控制狀態指示燈。重新設計的底流泵的遠程、就地控制電路如圖3所示。

當圖3中的旋鈕開關SW位于23/24觸點時，設備為就地控制方式，此時遠程控制方式被機械式斷開，控制回路相當于普通星三角降壓啟動電路。當圖3中的旋鈕開關SW調整到13/14觸點時，控制回路處于遠程控制方式下，就地控制功能完全切斷，此時遠程控制器控制觸點K1的狀態為：當K1閉合時，接觸器KM和KM1帶電，底流泵開始啟動；一段時間之后，時間繼電器KT動作，促使KM1斷開，KM2閉合，底流泵開始處于正常運行狀態；當K1斷開時，電路釋電，底流泵停止。圖3中，中間繼電器KA1、KA2負責設備的控制狀態檢測，KA1得電時，設備處于遠程控制方式下；KA2得電時，設備處于就地控制方式下；兩者均未得電時，設備為檢修狀態，本地人員和遠程人員均無法改變設備的運行狀態。

圖3 底流泵星三角降壓啟動方式遠程、就地控制電路

全壓啟動、自耦降壓啟動的控制電路可采用類似的方式進行重新設計，而對于使用變頻器等控制器啟動的方式，該控制器一般會帶有通信口，直接接入中央控制器即可。

底流泵在運行過程中，電樞電流值可以反映出當前設備的運行狀態[18]，但當設備出現堵轉、過載等故障情況時，電樞電流值會超出額定電流，因此系統還需要對底流泵的電流值進行檢測。系統采用的是電流互感器配合電流變送器的測量方案。因為底流泵的主回路均為強電，所以使用電流互感器這類無源器件更有利于電流信號的采集。電流互感器將電樞電流從幾十甚至上百安培的電流值轉換為0～5 A的小電流，再利用電流變送器將其轉換為控制器模擬量輸入模塊可以處理的4～20 mA的電流信號，最終實現底流泵電樞電流的測量。

1.4 電動閘板閥門開度控制模塊

電動閘板閥門是選煤廠煤泥水車間流量控制設備，當前主要是通過人員觀測來實現對電動閘板閥門開度的控制。對電動閘板閥門開度的精確、遠程控制是選煤廠煤泥水車間設備網絡控制系統的主要任務。

對電動閘板閥門的運行特點進行分析可知，在開度控制方案中可以以閘板的位移作為電動閘板閥門開度的控制對象。之所以選取位移作為被控對象，是因為電動閘板閥門存在開閥和關閥兩種狀態，即閘板的運動是有方向的。

位移量的測量可使用位移傳感器，通過電阻來實現，并以電位器作為調節的核心器件。在實際的測量過程中，位移的測量分為測量實際物體的尺寸和設備的機械位移，電動閘板閥門閘板的位移屬于設備機械位移，機械位移會使電位器的移動端動作進而導致電阻發生變化，電阻值的變化可直接反應位移量的變化，且電阻值的增大或減小可直觀表明位移的方向，該方向即可表明電動閘板閥門的開閥和關閥的狀態[19]。

系統采用的位移傳感器為KTC1拉桿式電阻位移傳感器，如圖4所示。

圖4 KTC1拉桿式電阻位移傳感器

該傳感器的量程為0～1 250 mm，精度為0.01 mm，信號輸出形式為三線制4～20 mA電流信號，能夠滿足現場閥門的控制要求。

根據電動閘板閥門的結構特點，安裝時可以將位移傳感器的拉桿固定在電動閘板閥的閘板上，以保證拉桿和閘板位于同一平面。閘板運動時會帶動拉桿一起運動，最終可以獲得閘板的位置數據，即開度值。KTC1拉桿式電阻位移傳感器現場安裝示意圖如圖5所示。

圖5 KTC1拉桿式電阻位移傳感器現場安裝圖

位移傳感器的輸出信號直接傳遞給分站控制器，不論設備處于何種控制狀態，電動閘板閥門的開度值均可被實時監測。

電動閘板閥門開度控制模塊中除了閥門位移傳感器，還配備閥門現場電氣柜。該電氣柜負責設備控制方式的切換以及設備的本地控制。選煤廠煤泥水車間的管道直徑最大一般不會超過500 mm，使用的電動閘板閥門的電機功率一般不會超過4 kW，在啟動方式上可選擇全壓啟動。根據啟動方式和功能要求，設計的電動閘板閥門本地控制電路如圖6所示。

圖6 電動閘板閥門本地控制電路

綜上所述，可以得出電動閘板閥門開度控制模塊框圖，如圖7所示。

圖7 電動閘板閥門開度控制模塊框圖

1.5 液位控制模塊

選煤廠煤泥水車間存在著眾多的水倉、入料桶和沉淀池，這些儲水設備的液位高度直接決定著與其相連的底流泵的工作狀態。比如：當入料桶中液位過高時，底流泵應該停止供料；液位過低時，底流泵應該開始供料。

測量液位的方式有很多，比如有接觸式的浮子開關、非接觸式的雷達液位傳感器、超聲波液位傳感器等等[20]。由于煤泥水車間的物料主要以固液混合物為主，因此接觸式測量存在隱患，宜選用非接觸式的測量方式。綜合考慮成本因素，最終選擇了超聲波液位傳感器作為測量元件。在系統中，將超聲波液位傳感器的輸出數據直接發送給分站控制器，分站控制器根據液位值可以實時地控制對應底流泵的工作狀態。

2 系統軟件

系統軟件由控制器程序和用戶界面程序組成。控制器程序負責處理現場數據、發送相關指令。用戶界面程序是操作人員使用系統的入口，負責與主站控制器進行通信，并在該界面上顯示車間設備的控制狀態、運行狀態以及相關數據。

2.1 控制器程序

控制器程序的功能為：系統硬件結構組態、與分布式IO模塊建立現場通信、系統硬件上電復位、現場數據檢測、設備控制指令的發送。其中現場數據檢測包括設備的控制狀態數據檢測、設備的運行狀態檢測、底流泵設備電流檢測以及電動閘板閥門開度數據檢測。

2.2 用戶界面程序

系統采用組態王作為用戶界面程序的開發平臺，該程序主要包含車間設備概覽界面、泵房設備操作界面、底流泵控制界面、電動閘板閥門控制界面以及故障報警模塊。

2.2.1 車間設備概覽界面

車間設備概覽界面負責對整個車間所有設備的運行狀態進行展示，包括底流泵的運行狀態和電流數據、閥門的開度信息、水倉的液位信息。軟件啟動時，該界面將作為用戶界面程序的初始界面，負責與主站控制器建立通信。該界面也負責為其他界面提供導航，從該界面可以進入泵房設備操作界面，為進一步操作設備提供基礎。車間設備概覽界面如圖8所示。

備忘錄為雙方建立了一個合作框架，未來雙方將在該框架下研究利用各自的獨特能力、專門知識和客戶關系開展一系列商業合作的可行性。

圖8 車間設備概覽界面

在車間設備概覽界面中，按照車間設備的工藝流程，可對所有設備合理工作狀態予以展示。

2.2.2 泵房設備操作界面

車間設備概覽界面可為操作人員提供設備狀態的展示，操作人員如果想要對具體的設備進行操作，則需要點擊車間設備概覽界面上的導航按鈕進入對應的泵房。泵房設備操作界面如圖9所示。

圖9 泵房設備操作界面

泵房設備操作界面負責展示泵房內部設備的工作狀態，展示方式與車間設備概覽界面相同，也是通過點擊設備的方式派生出對應的設備操作界面，如：底流泵操作界面、閥門操作界面。

在底流泵操作界面上可直接對底流泵發送控制指令，操作人員可以直觀地看出設備當前的控制方式、設備的運行狀態以及根據實際生產需要通過按鈕對設備進行操作。底流泵操作界面如圖10所示。

圖10 底流泵操作界面

此外，為了保證對設備操作的唯一性，當設備處于本地控制方式或者是檢修狀態時，控制按鈕將被隱藏。通過對操作按鈕進行可見性控制，可確保設備操作的安全性。

2.2.3 電動閘板閥門操作界面

圖11 電動閘板閥門控制界面

在該界面上，操作人員可以根據生產實際需要輸入電動閘板閥門的開度，確定之后，核心控制器會給分布式IO模塊發送操作指令，當位移傳感器檢測到的電動閘板閥門開度符合設備要求后，設備停止動作。

2.2.4 故障報警模塊

故障報警模塊主要根據系統檢測到的設備的狀態數據進行判別，比如：底流泵的電流數據、水倉的液位數據。這些數據都會有一個閾值，當超出設定閾值后，用戶界面程序會在界面上發出文字報警提示，并進行聲音報警。

3 實際應用

目前，該系統已經在西山煤電(集團)有限公司屯蘭選煤廠投入使用，運行狀態良好。通過安裝該系統，屯蘭選煤廠煤泥水車間設備的變更控制方式得到了優化，設備控制效率和實時性得到進一步的提升，同時大大降低了現場操作人員的數量和工作強度。此外，通過安裝該系統還為煤泥水車間工藝的進一步優化奠定了基礎。

4 結語

選煤廠煤泥水車間設備網絡化變更控制系統有效解決了目前煤泥水車間設備控制存在的控制方式單一、控制權利分散以及控制實時性差的問題，并通過采用位移傳感器實現了電動閘板閥門開度的精確、實時控制，進一步提升了車間設備控制的精確性，為選煤廠生產設備狀態的監控、管理手段以及生產運行的優化提供了支持。