褐煤深加工監控系統的設計

朱文靜

（淮南礦業集團有限責任公司煤炭銷售公司， 安徽 淮南232001）

1 引言

煤炭能源占我國一次能源結構70%左右，煤炭資源在中國居于重要地位。但是，近幾年來，隨著我國煤炭資源不斷減少和煙煤價格大幅上漲，由于褐煤價格相對低廉，吸引著國內各大礦業集團的關注，一批新建煤化工項目也紛紛改用褐煤作為原料，參與褐煤提質加工技術的開發，引起了國內研發褐煤提質技術的熱潮。我們知道，褐煤脫水提質是褐煤發電、成型、氣化、液化、焦化和加工水煤漿等綜合利用的前提，經濟效益明顯，符合中國節能政策等要求。據地質探測表明，中國擁有豐富的褐煤資源，開發高效褐煤深加工技術研究具有重要的現實和戰略意義。

實現煤炭洗選加工過程設備運行與管理的自動化，實時數據在線監測處理，系統故障的及時診斷、調配和事故處理，能夠大大提高生產過程的效率和安全性。因此，設計一個功能完善、安全可靠的褐煤深加工運行監控系統，實時監測、控制系統運行，可保證企業安全生產。本文主要介紹了褐煤深加工工藝，基于西門子S7－300系列PLC的過程控制，給出了控制系統的硬件結構、工作過程及實現方法。最后利用組態王6.5軟件設計開發了褐煤工藝監控軟件平臺，實現了工藝過程的在線監測功能。

2 工藝流程

根據工藝系統的特點，試驗線主要工藝設備控制采用就地控制和集中控制兩種控制方式，兩種控制方式間可相互轉換，轉換過程中不影響設備的運行狀態。集控設備均可由操作員在控制室進行單啟單停，以便調度人員根據生產需要調整設備運行狀態。整個系統采用現場總線式連接在一起，通過上位機綜合數據、管理，實現給定值的設定，系統工作的總體顯示和生產統計與報表等功能。

褐煤深加工試驗系統共分為四個子系統：原料準備系統、熱風系統、干燥系統和焙燒成型系統，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

原料系統對原煤進行預處理。

熱風系統主要是把輕柴油和定量空氣在煙氣發生爐燃燒室內充分燃燒后和氣流干燥循環氣混合成一定溫度的煙氣進入混風室I，其溫度由循環煙氣流量來控制。其中一部分混合煙氣在一定的流速下進入氣流干燥器干燥管，在輸送濕粉煤過程中和煤粉充分混合，發生強烈的傳熱、傳質過程，煤中的水分不斷蒸發進入氣相中。氣體出干燥管的溫度回控螺旋定量給料機給料量。

干燥系統主要是把來自混風室混合煙氣與流化床系統從引風機返回的循環氣在混風室II混合后，作為流化床干燥器的流化干燥介質。內熱式流化床干燥器流化干燥介質為混合煙氣，內加熱管中加熱介質為導熱油爐系統提供的一定溫度的循環加熱的導熱油。內熱式流化床干燥器混合煙氣由流化床循環氣和燃油煙氣發生爐的混合煙氣再次混合而成，其溫度由循環份量來控制?；旌蠠煔庠诹骰仓信c煤粉接觸，處于氣固硫化狀態，干燥后固體由鎖氣器輸出。

焙燒系統主要是干燥系統的來料高溫焙燒，然后經高壓成型機成型，噴水冷卻后，由皮帶輸送機送入成品倉。

3 過程控制設計

3.1 系統主要功能

自動／手動的切換，系統可以方便進行手動與自動控制之間的切換，在檢測控制系統故障或檢修時，使用手動控制以維持生產的正常進行。

系統故障的快速診斷功能，控制系統具有快速診斷功能，一旦系統發生故障，不能正常工作，可以將轉換開關轉入診斷狀態，這時系統各部分斷開，由指示燈顯示各部分的狀態，以便快速排除故障。

工藝參數的動態顯示，可以動態顯示主要工藝參數：料位、溫度、流量、氧含量、變頻器運行、故障自動顯示和電源指示等。

故障報警功能，系統故障檢測、報警，變頻器故障報警，溫度、含氧量等超限報警。

數據處理功能，系統通過上位機系統可以對控制系統的過程參數處理：數據存儲、過程參數查詢和數據打印。

3.2 系統的總體設計

褐煤深加工過程控制主站采用西門子CPU315可編程邏輯控制器，系統結構框架按照工藝系統功能進行分類，共設一個主站和四個分站。主站和監控上位機之間采用MPI放上通訊，主站和從站之間通過Profibus－DP現場總線連接起來。其中4個從站分別負責對包括原料準備系統、熱風系統、干燥系統以及焙燒成型系統的監控，且負責各系統設備的開關機，并且負責系統運行中的各參數的監視。一臺主PLC負責對整個系統的參數整體監視，并且能夠產生相應的報警。系統控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

3.3 系統軟件開發

程序設計開發采用專用編程軟件STEP7來實現。STEP 7是西門子PLC編程的專用軟件，它是專門用于對通信處理器（CP）進行驅動及提供組態的軟件。本控制系統的程序主要實現以下功能：實現各種模擬信號的采集和量程的轉換；實現系統的自動控制和單臺設備的計算機啟停；實現部分參數的閉環控制；實現所有參說的存儲。

3.4 系統控制方案

由于本系統中主要是對反應器的溫度進行控制，所以作者采用了前饋－反饋控制，控制系統的框圖如圖3所示。

圖3 控制系統框圖

由于控制過程是一個大滯后的控制系統，采用一般的反饋控制會出現較大的偏差，且偏差出現的時間較長，達不到系統的要求，所以系統采用了前饋控制。但是在過程中可能還存在著無法測量的擾動，對于這一部分擾動用前饋控制來實現的。所以系統采用了前饋－反饋控制相結合的方法。選擇對象中最主要的，反饋控制不易克服的擾動進行前饋控制，其它一些擾動進行反饋控制。這樣即發揮了前饋控制校正及時的優點，又保持了反饋控制克服多種擾動的長處。

圖3是反應器的前饋－反饋控制系統。在系統中前饋控制主要克服反應器冷流體流量的變化；而反饋控制則克服其它擾動因素的影響。

4 上位機監控軟件

利用中文界面的人機界面軟件“組態王6.5”是為上位機開發平臺，該軟件采用了多項新技術，實現了實時多任務，運行穩定可靠。工程瀏覽器調用畫面制作系統和工程運行系統來完成畫面的開發和運行。

本控制系統的監控界面根據試驗的工藝流程圖設計，由監控系統流程、原料準備、熱風、干燥、焙燒成型、系統參數設定、閥門調節設定和實時歷史曲線組成。監控系統流程畫面能夠監視整個工藝流程中全部設備的運行狀況，過程工藝參數的顯示。每個子系統畫面詳細設計了各子系統的工藝過程及操作規程，子系統畫面同時設計了操作按鈕窗口，實現了設備的遠程計算機啟動。根據系統的工藝流程用組態王的上位機監控界面如圖4所示，此界面能夠動態的顯示整個工藝的流程，顯示設備的運行狀態以及要檢測的工藝參數。

圖4 上位機監控界面

本系統采用西門子s7－300系列PLC實現褐煤干燥工藝過程的監控，并采用組態王6.5組態軟件設計開發了上位機監控平臺。該系統能夠方便的監視整個工藝的流程，設備的運行情況和工藝過程的重要參數，給操作人員提供了一個方便可靠的操作監視平臺，減輕了操作人員的工作量，提高了工作效率。經過現場使用測試表明：系統工作正常、性能穩定，能滿足現代化生產運行、管理的要求。

［1］蔣兆桂.褐煤提質技術研究進展與展望［J］.煤炭加工與綜合利用，2012，（6）：47－52.

［2］廖常初.S7－300／400PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］劉元揚，劉玉長，黃學章.自動檢測和過程控制［M］.北京：冶金工業出版社，2005.

［4］劉鍇，周海.西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.