基于PLC的多料倉(cāng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

［摘 要］為了提高煤炭資源的合理高效利用，需要對(duì)不同品質(zhì)的煤炭進(jìn)行精準(zhǔn)配置。針對(duì)目前選煤廠配煤任務(wù)繁重，人工靠經(jīng)驗(yàn)配煤比例的方式精度較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大且不容易控制等情況，文章擬研究一套以哈拉溝選煤廠為背景的多料倉(cāng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整不同煤質(zhì)煤炭的比例，將特種煤的煤質(zhì)嚴(yán)格控制在合理的區(qū)間內(nèi)。打破傳統(tǒng)配煤系統(tǒng)原煤倉(cāng)存放煤炭比較固定，不能靈活調(diào)動(dòng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)選煤廠自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤，從而提高配煤質(zhì)量，減少勞動(dòng)力，保證用戶(hù)需求。以推動(dòng)國(guó)家智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升精準(zhǔn)配煤的智能化水平，促進(jìn)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］多料倉(cāng)；原煤隨機(jī)存放；精準(zhǔn)配煤

［中圖分類(lèi)號(hào)］TM76 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0176–03

隨著經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展以及科技水平的不斷進(jìn)步，煤炭資源在為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，其對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的污染問(wèn)題也日益突出。如何清潔、高效、可持續(xù)利用煤炭資源成為開(kāi)采及利用煤炭資源的發(fā)展方向。雖然我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)備豐富，種類(lèi)多樣，但是可以高效利用的優(yōu)質(zhì)煤炭資源并不豐富。

為了合理利用優(yōu)質(zhì)煤炭資源，根據(jù)不同的客戶(hù)需求對(duì)不同種類(lèi)的煤炭進(jìn)行不同比例的精準(zhǔn)配備，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，需要提高煤炭精準(zhǔn)配置加工技術(shù)以保障煤炭資源具有更高的利用效率。現(xiàn)有選煤方式大多以人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行不同煤炭種類(lèi)的粗略比例配置，無(wú)法高效合理的利用煤炭資源，加大了煤炭的生成成本。在科技不斷發(fā)展下，需要以自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，不斷加強(qiáng)技術(shù)能力，力求加快智能化精準(zhǔn)配煤的選煤進(jìn)程。

文章從選煤廠的源頭開(kāi)始減少精準(zhǔn)配煤的工作繁瑣性，以全國(guó)首例年裝車(chē)量為1500 萬(wàn)t 左右的哈拉溝選煤廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目作為研究背景，不同于以往在選煤源頭先對(duì)不同原煤進(jìn)行分類(lèi)，之后通過(guò)控制不同灰分值煤炭的流量達(dá)到目標(biāo)煤炭的需求質(zhì)量，此次研究中選煤源頭5 個(gè)原煤倉(cāng)的煤炭是隨機(jī)不確定堆放的，選煤廠的各種原煤煤炭量隨機(jī)變動(dòng)。原煤倉(cāng)根據(jù)不同原煤產(chǎn)量隨機(jī)存放，完全打破了傳統(tǒng)的原煤倉(cāng)存放指定的原煤種類(lèi)，可輕松應(yīng)對(duì)某一原煤數(shù)量較多時(shí)無(wú)處存放的緊急情況，同時(shí)，既可解決因不同原煤數(shù)量不均勻引起的存放問(wèn)題，也可以為裝車(chē)系統(tǒng)提供不同標(biāo)準(zhǔn)的配置煤。而且文章研究的精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)是根據(jù)不同原煤的比例進(jìn)行配置的，與以往簡(jiǎn)單根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)煤的灰分值來(lái)判斷所配標(biāo)準(zhǔn)煤是否合格不同，通過(guò)這種設(shè)定原煤比例的配置方法，配置的標(biāo)準(zhǔn)煤精準(zhǔn)均勻，完全實(shí)現(xiàn)煤炭的精準(zhǔn)配置，可為以后國(guó)內(nèi)其他選煤廠進(jìn)一步提升改造精準(zhǔn)配煤配置系統(tǒng)提供一定的參考價(jià)值。

1 精準(zhǔn)配煤現(xiàn)狀

我國(guó)煤炭資源種類(lèi)多樣，但總儲(chǔ)量較少，且優(yōu)質(zhì)的煤炭?jī)?chǔ)量更少，為節(jié)約優(yōu)質(zhì)煤炭以及提高煤炭資源的利用率，近年來(lái)儲(chǔ)配煤技術(shù)得到快速發(fā)展。根據(jù)實(shí)際用戶(hù)對(duì)煤炭的需求，將若干不同種類(lèi)、不同品種的煤炭按照一定比例摻配，并根據(jù)各種煤在性質(zhì)上的差異，相互“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，最終使得配出的煤在綜合性能上達(dá)到“煤質(zhì)優(yōu)化互補(bǔ)”，以滿(mǎn)足實(shí)際的需求[1–2]。生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于單一且穩(wěn)定煤質(zhì)的煤炭而言，其可選性一般不會(huì)發(fā)生太大的變化，但是對(duì)于同時(shí)入選多個(gè)煤層的原煤或不同煤種原煤，存在一定的難度。不同煤種原煤的可選性曲線之間也是存在一定的差異，且在相同分選密度級(jí)下分選，其灰分之間可能存在較大差別[3]。因而配煤入選過(guò)程就是為了穩(wěn)定原煤煤質(zhì)，保障后續(xù)分選環(huán)節(jié)的分選效果。針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)不同煤種原煤同時(shí)入選的問(wèn)題，確定最佳的配煤方案成為這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

針對(duì)動(dòng)力配煤的研究，部分研究院所針對(duì)配煤理論、配煤模型的求解及優(yōu)化、配煤模型的應(yīng)用進(jìn)行了研究[4–5]，均得到相似結(jié)論，即認(rèn)為混煤摻燒具有重要意義。其中，浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和浙江大學(xué)熱能工程研究所進(jìn)行了一系列多煤種混配特性研究，解決了大多數(shù)文獻(xiàn)中報(bào)道的僅對(duì)兩種煤混配的結(jié)果進(jìn)行分析的局限性。將3 種煤混配與單種煤進(jìn)行揮發(fā)分、發(fā)熱量相關(guān)性比較，對(duì)混煤燃料比與著火特性的關(guān)系進(jìn)行研究，得出混煤燃燒具有節(jié)能效果的結(jié)論[6]。

華陽(yáng)一礦選煤廠采用傳統(tǒng)的自動(dòng)精準(zhǔn)配煤對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造，對(duì)改造結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)配煤系統(tǒng)只能簡(jiǎn)單的應(yīng)付原煤存放固定且種類(lèi)較少的選煤廠煤炭配煤，并通過(guò)檢測(cè)原煤的灰分值控制原煤的流量，從而配置出灰分值標(biāo)準(zhǔn)的配置煤[7]。

2 多料倉(cāng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

哈拉溝選煤廠5 個(gè)原煤倉(cāng)中的煤炭隨機(jī)存放，隨著原煤的進(jìn)入，不同時(shí)間段原煤倉(cāng)中的原煤種類(lèi)不同，需要在原煤倉(cāng)的裝車(chē)皮帶上設(shè)置3 個(gè)特殊電子稱(chēng)和3個(gè)煤炭灰分值檢測(cè)儀，分別對(duì)不同區(qū)段的原煤進(jìn)行稱(chēng)重檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)3個(gè)區(qū)段煤炭的灰分值和煤炭流量，確定所配置的不同原煤煤炭比例是否達(dá)到要求，在此過(guò)程中不斷對(duì)檢測(cè)結(jié)果和設(shè)定的配比進(jìn)行比對(duì)，從而調(diào)整原煤倉(cāng)下30 個(gè)振動(dòng)給料機(jī)，以達(dá)到所需求原煤配比合格的標(biāo)準(zhǔn)煤。

2.2 多料倉(cāng)精準(zhǔn)配煤算法

在配煤的過(guò)程中，原煤的灰分與流量公式如下：

X1Z1+X2Z2+X3Z3=X4Z4（1）

式中，X1為1號(hào)原料煤的產(chǎn)品灰分；Z1為1號(hào)原料煤的產(chǎn)品流量；X2為2號(hào)原料煤的產(chǎn)品灰分；Z2為2號(hào)原料煤的產(chǎn)品流量；X3為3號(hào)原料煤的產(chǎn)品灰分；Z3為3號(hào)原料煤的產(chǎn)品流量；X4為配置后煤的目標(biāo)灰分；Z4為配置后煤的目標(biāo)流量，其計(jì)算公式如下所示：

Z4=Z1+Z2+Z3（2）

以往選煤廠的常規(guī)做法是原煤倉(cāng)中的原煤是固定的，只需要通過(guò)控制不同原煤的流量，使標(biāo)準(zhǔn)煤的目標(biāo)灰分X 達(dá)到規(guī)定的值即可。文章實(shí)施精準(zhǔn)配煤設(shè)計(jì)，在原煤倉(cāng)中煤炭存放隨機(jī)的情況下，配置出不同煤炭比例一定的標(biāo)準(zhǔn)煤，所配置標(biāo)準(zhǔn)煤是否合格，可根據(jù)判斷不同原煤的比例確定。不同于原始的配煤方式，僅簡(jiǎn)單控制不同原煤的流量完成標(biāo)準(zhǔn)煤的配置。

根據(jù)不同檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，求得所需要控制點(diǎn)的流量Z2 和Z3 的數(shù)據(jù)，從而通過(guò)控制Z2 和Z3 對(duì)應(yīng)上方的振動(dòng)給料機(jī)給定相對(duì)應(yīng)數(shù)量的原煤，以此達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)煤的配置要求。由式（1）和式（2）計(jì)算得出：

通過(guò)對(duì)配比優(yōu)化，得出：

從優(yōu)化的配比中篩選出最優(yōu)配比：

式中，M為所求的最優(yōu)化的值（最小值），從而得出最優(yōu)化的配置比例Z1∶Z2∶Z3。

精準(zhǔn)配煤的的控制調(diào)節(jié)主要是通過(guò)設(shè)定好標(biāo)準(zhǔn)煤配置比例，對(duì)不同原煤進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果和設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)煤配比進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果調(diào)整振動(dòng)給煤機(jī)的頻率來(lái)控制原煤的給量，從而使標(biāo)準(zhǔn)煤的配置比例達(dá)到事先設(shè)定好的合格標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 多料倉(cāng)精準(zhǔn)配煤模型開(kāi)發(fā)

（1）在變頻器和皮帶秤安裝完畢，對(duì)每個(gè)煤種做獨(dú)立的頻率– 給煤量試驗(yàn)，建立基礎(chǔ)的給煤量模型，試驗(yàn)過(guò)程中，用新型皮帶秤計(jì)量給煤量。

（2）在用基礎(chǔ)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^(guò)程中，利用新型皮帶秤監(jiān)測(cè)每個(gè)煤倉(cāng)的總給煤量，并建立負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，監(jiān)測(cè)給煤量是否偏離，并進(jìn)行調(diào)整，保證運(yùn)行過(guò)程中給煤比例穩(wěn)定，避免出現(xiàn)煤質(zhì)事故。

（3）在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)定需要的標(biāo)準(zhǔn)煤原煤配置比例，不斷對(duì)比各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整振動(dòng)給煤機(jī)的頻率控制原煤的給煤量，皮帶秤將檢測(cè)的數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，完成實(shí)時(shí)對(duì)原煤比例的控制調(diào)整。

（4）優(yōu)化給煤量模型，提高給煤的精準(zhǔn)度，同時(shí)仍將新型皮帶秤數(shù)據(jù)作為反饋，保留負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)積累數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化模型，數(shù)據(jù)積累的越多，給煤量模型越準(zhǔn)確。多料倉(cāng)精準(zhǔn)配煤模型實(shí)施流程如圖1 所示。

2.4 配煤實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

（1）當(dāng)所有的硬件和分系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用后，開(kāi)始實(shí)施實(shí)時(shí)精準(zhǔn)配煤控制。

（2）配煤決策模塊根據(jù)煤質(zhì)信息、裝車(chē)任務(wù)等確定當(dāng)前車(chē)次的裝車(chē)任務(wù)和配煤比例、配煤煤倉(cāng)、給煤機(jī)開(kāi)啟方案，并發(fā)送給開(kāi)發(fā)的配煤實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

（3）根據(jù)給煤機(jī)數(shù)量方案開(kāi)啟給煤機(jī)，設(shè)置給煤機(jī)頻率。

（4）每個(gè)煤倉(cāng)下方的皮帶秤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和累計(jì)該煤倉(cāng)的配煤量，并發(fā)送給配煤控制系統(tǒng)，計(jì)算給煤量是否偏離，如偏離則進(jìn)行調(diào)整。

（5）多能譜煤質(zhì)在線分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤質(zhì)，并發(fā)送給精準(zhǔn)配煤系統(tǒng)，精準(zhǔn)配煤系統(tǒng)根據(jù)煤質(zhì)在線分析儀和裝車(chē)皮帶上測(cè)總煤量的皮帶秤進(jìn)行累計(jì)加權(quán)平均，計(jì)算累計(jì)加權(quán)平均的煤質(zhì)是否超標(biāo)，如果超標(biāo)則對(duì)配煤比例進(jìn)行微調(diào)。

重復(fù)上述步驟（3）～（5）。

多料倉(cāng)配煤控制系統(tǒng)實(shí)施流程如圖2 所示。

（6）多料倉(cāng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)的應(yīng)用流程如圖3 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目研究的多料倉(cāng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)，在處理原煤復(fù)雜程度方面要完全優(yōu)于傳統(tǒng)精準(zhǔn)配煤系統(tǒng)，可同時(shí)精準(zhǔn)的對(duì)多種原煤按設(shè)定好的配置比例進(jìn)行精準(zhǔn)配置，最終形成的標(biāo)準(zhǔn)煤不僅在質(zhì)量方面且在裝車(chē)效率方面得到了大幅提升。在按需求完成精準(zhǔn)配煤的同時(shí)，也為客戶(hù)在成本投資上也減少了較多的人力投資成本。相信這種新型的多料倉(cāng)自動(dòng)化精準(zhǔn)配煤控制系統(tǒng)以后將會(huì)在各大選煤廠進(jìn)行推廣，產(chǎn)生明顯的市場(chǎng)效益。

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