焦化廠自動配煤控制系統的設計及應用研究

0 引言

在焦炭生產工藝過程中，需要將氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤四種煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦爐進行高溫煉焦。配比的準確性以及配料系統的可靠性將直接影響焦炭產品的質量。因此，通過提高焦化配煤系統的可靠性、穩定性、準確性來提高焦炭的質量具有非常重要的社會效益和經濟效益。

1 自動配煤系統的組成和主要功能

1.1 系統的組成

包鋼焦化廠備煤自動配煤系統主要由13個振動給煤機、13條稱重小皮帶及1條混料大皮帶組成，全系統由一套西門子S7-300PLC實現控制，同時上位機使用WINCC組態系統實現監控、操作及人機交互功能。系統還使用了一套稱重積算器實現PID控制，用于完成實時煤量對設定煤量的無靜差跟蹤，確保配合煤的準確度。其控制系統采用了PLC技術、現場數據采集技術、工業網絡技術以及組態技術等，構成較為完整的成熟系統。

圖1 自動配煤系統組成

系統工藝過程如下：混料大皮帶啟動，其啟動信號作為稱重小皮帶運行的聯鎖條件，稱重小皮帶啟動信號又是振動給煤機運行的聯鎖條件。系統共有13條稱重小皮帶及13套振動給煤機，運行之初要在組態畫面上勾選要啟動的稱重小皮帶，同時輸入各小皮帶的配煤比等配置信息。系統自動運行時，混料大皮帶啟動后，選中的稱重小皮帶隨即啟動，相應的振動給煤機也啟動。此時通過稱重傳感器采樣實時壓力信號與稱重小皮帶的速度信號（固定值）在稱重積算器中運算，產生實時煤量。實時煤量與設定煤量進行比較，偏差即為控制量，通過積算器中的PID環節，輸出一個4mA～20mA的電流信號，送入振動給煤機的整流裝置，控制其導通角，從而改變整流輸出電壓及電流，最終改變振動給煤機的振幅，下煤量得到調節和控制。這樣，實時煤量始終跟隨設定煤量，在允許的超調范圍內波動，并基本恒定，從而保證了配煤比的準確度。所選中的稱重小皮帶及振動給煤機同時運行，煤料同時落至混料大皮帶，即在混料大皮帶上就是按照設定配煤比要求合格的配合煤。在保證各自實時煤量有效跟蹤設定量的基礎上，即保證了配合煤的品質要求。

從電氣角度分析，總控制系統由以下五個分系統組成：

1）PLC控制系統

完成對混料大皮帶、稱重小皮帶、電振給料機的啟停、聯鎖控制。對配煤現場實際量、設定量進行接收、發送，實現對模擬量的控制。

2）儀表積算器系統

通過對實際設定量與現場實時量的分析運算，利用PID調節系統保持現場實時量對實際設定量的穩定、準確跟蹤。是自動配煤系統的核心。

3）現場稱重系統

該系統由稱重小皮帶和壓力傳感器組成，通過對小皮帶的運行速度以及載煤壓力等信號的采集，為儀表積算器系統提供運算數據。

4）振動給煤機系統

其作為系統的執行機構存在。儀表積算器接收現場采樣信號，通過比較、運算輸出4～20mA模擬量控制信號，用來控制振動給煤機整流觸發的導通角，從而改變振動給煤機的電壓、電流，最終控制其振幅，達到煤量調整作用。

5）計算機WINCC監控畫面系統

全系統的運行情況直觀的顯示于監視器，同時各種控制按鈕、轉換開關等控制元件均由鼠標點擊實現。

1.2 焦化廠自動配煤系統的主要功能

1）實時的檢測各皮帶秤的瞬時流量、累積量；

2）可靠的控制各秤按給定值恒流量運行；

3）配比和總配料量優化計算、下達；

4）現場工藝流程的畫面顯示以及配比、歷史曲線的顯示；

5）現場工藝、操作、過程參數的設置、改寫；

6）各種故障、報警提示，以及登錄、換倉處理；

7）系統配比精度評價；

8）數據報表打印輸出。

2 主要控制信號及主要設備聯鎖關系

2.1 主要控制信號

1）每臺振動給煤機與PLC有3個來往信號，與儀表積算器有1個來往信號。

機旁/集中信號取自振動給煤機機旁操作箱上的選擇開關（機旁為0，集中為1），送至PLC控制柜內的DI模塊；運行信號取自振動給煤機接觸器輔助接點（分斷為0，吸合為1），送至PLC控制柜內的DI模塊；啟動/停止信號取自PLC控制柜內的DO模塊（啟動為1，停止為0），送至振動給煤機接觸器控制其啟停；振動給煤機電控箱接收儀表積算器輸出的煤量控制模擬信號，用來控制其振幅。

2）每臺稱重小皮帶與PLC有5個往來信號，與儀表計算器有1個來往信號。

機旁/集中信號取自稱重小皮帶機旁操作箱上的選擇開關（機旁為0，集中為1），送至PLC控制柜內的DI模塊；電源正常信號取自稱重小皮帶斷路器輔助接點（分斷為0，閉合為1），送至PLC控制柜內的DI模塊；故障信號取自稱重小皮帶電機保護器（故障為0，正常為1），送至PLC控制柜內的DI模塊；運行信號取自稱重小皮帶接觸器輔助接點（分斷為0，吸合為1），送至PLC控制柜內的DI模塊；啟動/停止信號取自PLC控制柜內的DO模塊（啟動為1，停止為0），送至稱重小皮帶接觸器控制其啟停；稱重小皮帶接觸器輔助點送儀表積算器，用來實現聯鎖。

3）每臺自動配料秤儀表積算器與PLC有2個往來信號，與現場有3個往來信號。

實際流量取自配料秤儀表積算器，是現場實際的瞬時流量，信號類型為4～20mA，送至PLC柜內的AI（模擬量輸入）模塊；設定流量取自PLC柜內的AO（模擬量輸出）模塊，送至配料秤儀表積算器；自動配料秤儀表積算器接收現場的稱重信號；接收稱重小皮帶接觸器啟動信號；輸出振動給煤機煤量控制模擬信號。

4）混料大皮帶信號取自混料大皮帶接觸器送至PLC控制柜內的DI模塊。

2.2 主要設備聯鎖關系

1）在設備聯鎖情況下，小皮帶與給煤機需在大混料皮帶啟動后方可啟動。

2）在設備聯鎖情況下，啟動過程：小皮帶先啟動，給煤機延時啟動。停止過程：給煤機先停止，小皮帶延時停止。

3）小皮帶校秤與大混料皮帶無聯鎖關系。

4）在正常生產情況下，單條小皮帶的設定流量與實際流量偏差超過設定量一定時間后，全系統自動停止。

3 PLC控制系統軟件設計及硬件構成

3.1 軟件設計

整個P L C控制系統上位機采用西門子SIMATIC WINCC V6.2,實現監視、操作、趨勢、報表等功能；下位機為西門子SIMATIC STEP7 V5.4，實現采集、運算、控制等功能。主要的程序結構為：

FC1：主要的控制程序塊

FC2：控制程序塊中各種啟動、停止標志等

FC3—FC15：實現了13條小皮帶的流量采集與累積，偏差、報警等控制算法

FC16、FC17：報表采集運算塊

DB1：按鈕背景數據塊

DB2：標志背景數據塊

DB3—DB15：各小皮帶流量采集與累積，偏差、報警等內部標志的背景數據塊

DB16、DB17：報表背景數據塊

3.2 硬件構成

1）PS307 電源模塊，供電模塊

2）S7-300系列CPU-2DP，中央處理器模塊

3）CP343模塊，與上位機以太網通信模塊

4）ET200M遠程I/O，遠程I/O通信模塊

5）DI模塊，數字量采集模塊

6）DO模塊，數字量輸出模塊

7）AI模塊，模擬量采集模塊

8）AO模塊，模擬量輸出模塊

3.3 上位機操作說明

1）操作畫面

操作畫面用于生產過程中各設備狀態的監視（運行、停止、故障、掉電等）和操作（啟、停等），分解鎖和聯鎖兩種操作方式。在解鎖方式下，各現場設備可由畫面單啟、單停按鈕完成單一設備的獨立啟、停操作；在聯鎖方式下，現場設備可統一的進行順啟（小皮帶與給煤機依次順序啟動）、順停（小皮帶與給煤機依次順序停止）、同啟（小皮帶與給煤機同時啟動）、同停（小皮帶與給煤機同時停止）等操作。

對每一套倉設備（振動給煤機、小皮帶）可獨立進行選中生產操作。對每一套倉設備（振動給煤機、小皮帶）可獨立進行選中報警參與與取消操作。

每一套倉設備在啟動時，要確認是否“上電”，“本地/遠程選擇”，“電機保護”。單設備校秤時，不參與聯鎖控制，完成后要復位校秤確認。

2）配料畫面

配料畫面用于輸入和監視各種煤種的煤量及水分的配比，以及實際、設定、累積煤量。每班操作前要復位清零累積量。

3）綜合畫面

綜合畫面綜合了操作畫面的設備狀態監視功能與配煤畫面的實際、設定、累積煤量顯示。

4）趨勢畫面

趨勢畫面記錄了各設備的運行情況以及實際和設定的煤量變化曲線。

5）報表畫面

報表畫面是班報表的打印畫面。

4 系統運行過程出現的問題與解決方案

1）振動給煤機遠程控制時，不聯鎖停車，造成煤料掩埋小皮帶的故障。

故障分析：正常情況下，當稱重小皮帶停止時，遠程聯鎖點斷開，如圖，繼電器KA失電釋放，從而使振動給煤機失電停止。但設計中操作電源使用了交流380V，線路過長，加之KA線圈與指示燈HL并聯，因此當小皮帶聯鎖點斷開時，由于指示燈的電感、電阻的作用，使A點并未懸空，而是產生比B點電位低大約100V的電位點，也就是說A、B兩點間具有100V左右的電壓，使得KA不能有效釋放，造成不停車，煤料繼續傾下掩埋皮帶的故障。

圖2 改造前電路圖

解決方案：指示燈HL拆除，不與KA線圈并聯。這樣指示燈的電感、電阻作用不再出現，AB兩點不會再產生電壓，繼電器KA可以正常釋放。KA操作電源使用220V，使系統有一個清晰準確的參考零電位，使系統失電時電源徹底斷開。

圖3 改造后電路圖

采用以上方案，問題得到徹底解決，故障得到遏制。

2）系統啟動瞬間，突加給定，造成系統運行不穩定的故障。

故障分析：系統在啟動瞬間，由于稱重小皮帶上還沒有物料，因此反饋信號幾乎為零，調節器給定偏差即為給定量，從而使輸出達到最大值，造成整流裝置立刻達到最大導通角，輸出電壓及電流瞬間突變為最大值。這樣的情況對整流裝置的穩定運行十分不利，極大地縮短了其使用壽命。同時，瞬間的大電壓和大電流沖擊振動給煤機的線圈，大大縮短其使用壽命，且極易造成線圈燒損。瞬間的大電流使振動給煤機劇烈振動，對其機械結構也非常不利。

解決方案：從限制稱重積算器輸出量入手，稱重積算器輸出端加入一個積分環節，時間設定為20秒，這樣在啟動瞬間，雖然偏差很大，積算器的輸出量卻緩慢增加，去除了大電壓、大電流對設備的沖擊。

但在正常運行中如果該積分環節仍起作用，勢必對系統的響應速度造成極大的影響，無法保證配煤比的準確度，因此在啟動完成后，即20秒鐘后，積算器自動將此積分環節短接，使系統進入正常調節狀態，從而既去除了啟動瞬間的沖擊，又有保證了系統的功能實現及配煤比的準確度。

5 結束語

包鋼焦化廠自動配煤控制系統是PLC、儀表積算器、現場稱重系統的典型應用，三者通過工業以太網、Profiubus-DP網絡連接，實現信息交互。采用動態誤差累積計算法實現自動控制，能有效地控制配煤重量精度，提高配煤精度高，減少誤差。混料皮帶、給料皮帶等設備之間的聯鎖控制，配煤過程的可視化操作，使所有的控制均在終端上操作完成，提高了整個系統的自動化程度。較高的配煤精度為穩定焦炭質量，降低配煤成本，增加經濟效益提供有利的技術支持。

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