南屯煤礦選煤廠自動配煤系統的設計與應用

于立軍，王東才，王 冬

(兗州煤業股份有限公司 南屯煤礦選煤廠，山東 鄒城 273500)

南屯煤礦選煤廠自動配煤系統的設計與應用

于立軍，王東才，王 冬

(兗州煤業股份有限公司 南屯煤礦選煤廠，山東 鄒城 273500)

為解決南屯煤礦選煤廠無法均質配煤的問題，從自動配煤的理論研究出發，設計了返煤自動配煤系統。介紹了自動配煤系統的組成、控制原理、系統功能，并分析了該系統在南屯煤礦選煤廠的應用效果。生產實踐表明：自投入使用后，自動配煤系統運行平穩，實現了不同煤質煤炭的自動摻配，且配煤合格率高，配煤平均灰分完全滿足需求。

選煤廠；自動配煤系統；差額補償

隨著開采時間的延長，南屯煤礦井下開采條件越來越差，工作面越來越小。多個工作面同時開采時，不同工作面的原煤煤質差別較大；加之邊角煤居多，斷層數量較多，即使同一工作面的原煤煤質差別也較大，使配煤工作量和難度均增加。目前，該廠有7個跨線裝車倉，2#、3#、4#倉儲存精煤，總容量為4 500 t；1#、5#、6#倉儲存混煤，總容量為4 500 t；7#倉儲存塊煤，容量為1 200 t。由于裝車倉容量小，且受空間的限制，無法實現均質配煤。現場只能通過計算運輸不同煤質煤炭的車輛數來完成配煤，不但使工人工作量增大，勞動強度增加，而且導致煤炭摻配不均，無法滿足用戶要求。為此，從自動配煤的理論研究出發，在對煤場返煤系統現有格局分析的基礎上，確定返煤自動配煤系統的控制方案。通過手動、自動兩用系統使煤炭入倉，采用差額質量補償法對其進行摻配[1-2]，以保證配后煤炭的平均灰分滿足需求，并解決原配煤方式存在的大滯后問題。

1 系統組成

1.1 硬件組成

自動配煤系統由信號傳輸系統、檢測系統、控制系統三大部分組成，檢測系統是自動配煤系統的核心，主要包括傳感器接口電路、濾波電路、A/D轉換電路、CPU控制計算單元四部分，系統結構示意圖如圖1所示。

(1)移動信號傳輸裝置。由于皮帶走廊位于地下，給煤機為移動式設備，空間有限，電磁干擾較多，對信號的采集和控制信號的傳輸要求很高。為此，采用可靠的移動信號傳輸裝置——滑軌上跑滑車帶動拖纜進行信號傳輸[3]。

圖1 自動配煤系統結構示意圖

(2)傳感器接口電路。在線測灰儀檢測到的配煤灰分通過4～20 mA信號輸出給PLC，617#給煤機的瞬時煤流量和619#輸送帶的總瞬時煤流量通過4～20 mA信號輸出給PLC，傳感器輸出信號經耦合電路處理后接入系統[4-5]。

(3)濾波電路和A/D轉換電路。傳感器輸入信號經濾波處理后接入控制單元，確保串擾信號不會進入系統；A/D轉換電路將經濾波處理后的模擬信號轉換成相應的數字信號。

(4)CPU控制計算單元。集中控制系統以西門子CPU3152DP PLC作為控制核心，通過現場總線與遠程分站PLC進行通訊。

(5)嵌入式操作系統。鑒于現場操作環境復雜，選擇觸摸式、嵌入式操作平臺，實現執行指令的多任務同時執行，充分發揮硬件資源的優勢，提高系統的整體性能[6-7]。

(6)系統外圍設備。外圍設備主要包括PLC控制柜、集中控制操作臺、就地控制柜等,這些設備可為主要設備的安放、操作提供便利條件。

1.2 軟件設計

1.2.1 變量的確定

采用模糊控制策略作為系統控制策略，以配后煤炭灰分作為控制變量。模糊控制器有四個輸入量，即煤炭當前灰分值(即累計值)與設定值偏差e、灰分偏差隨時間的變化率△e(可由其瞬時值計算求得)、兩種摻配煤的當前流量q1、q2(即皮帶秤瞬時稱重值)。

在設計模糊控制規則前，必需對模糊控制器的輸入、輸出變量空間進行模糊分割。根據隸屬度分為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB七個模糊論域，其意義如下：

NB=負方向大的偏差(Negative Big)

NM=負方向中的偏差(Negative Medium)

NS=負方向小的偏差(Negative Small)

ZO=近于零的偏差(Zero)

PS=正方向小的偏差(Positive Small)

PM=正方向中的偏差(Positive Medium)

PB=正方向大的偏差(Positive Big)

確定控制變量后，根據經驗設計出模糊控制規則。設計模糊控制規則時，是在所設想對控制對象各階段之反應，記述采取哪一種控制較好。先選擇各階段的特征點，記錄在模糊控制規則的前件部，再思考在該點采取的動作，記錄在模糊控制規則的后件部[8]。

1.2.2 控制規則的確定

系統初始運行時，根據目標煤質要求，檢索煤場數據庫并計算求出最佳配煤方案，提示操作員參與配煤的兩個煤堆；依據兩臺給煤機最終取煤的兩個煤堆煤質參數，計算出配煤比例，將配煤比例與數據庫進行比對，計算出給煤機應設初始頻率；預設兩臺給煤機的頻率，開啟設備開始配煤，等待檢測結果。由于實際運行過程中，每臺給煤機下料灰分的非線性，主要采用四種模式對配煤灰分進行調節。

(1)灰分反饋值小于設定值且618#皮帶稱煤流量小于設定總煤流量時，通過PLC控制加大高灰煤流量，使灰分反饋值增大，直至等于灰分設定值。如果高灰煤流量增加到最大，而灰分反饋值仍小于設定值，通過PLC控制降低低灰煤流量，使灰分反饋值增加，直到其與灰分設定值相等。具體控制程序如下：

If(620A

THEN IF(GS≠50) THEN GS++

ELSE DS--

(2)灰分反饋值小于設定值且618#皮帶稱煤流量不小于設定總煤流量時，通過PLC控制降低低灰煤流量，使灰分反饋值增大，直到灰分反饋值與設定值相等。如果低灰煤流量已降至最低，而灰分反饋值仍小于設定值，通過PLC控制加大高灰煤流量，直至兩個灰分值相等。具體控制程序如下：

If(620A

THEN IF(DS≠0) THEN DS--

ELSE GS++

(3)灰分反饋值大于設定值且618#皮帶稱煤流量小于設定總煤流量時，通過PLC控制增加低灰煤流量，使灰分反饋值減小，直到灰分反饋值等于設定值。如果低灰煤流量已增至最大，而灰分反饋值仍大于設定值，通過PLC控制降低高灰煤流量，直到二者平衡。具體控制程序如下：

If(620A>SetA)&(618S<618SetS)

THEN IF(DS≠50) THEN DS++

ELSE GS--

(4)灰分反饋值大于設定值且618#皮帶稱煤流量大于設定總煤流量時，通過PLC控制減少高灰煤流量，使灰分反饋值減小，直到灰分反饋值等于設定值。如果高灰煤流量已減至最小，而灰分反饋值仍大于設定值，通過PLC控制增大低灰煤流量，直到兩者相等。具體控制程序如下：

If(620A>SetA)&(618S≥618SetS)

THEN IF(GS≠0) THEN GS--

ELSE DS++

改變給煤機頻率后，等待數秒，檢測配煤灰分數據；將檢測灰分值與設定灰分值進行比較，繼續上述步驟，直至檢測灰分值與設定灰分值相等。該調節過程是一個實時調節過程[9]。

2 控制原理

通過對南屯煤礦選煤廠煤場返煤系統現有格局分析，可得：

(1)

Q2=Q3-Q1，

(2)

聯合式(1)和式(2)得：

(3)

式中：A1、A2分別為617#、618#圓盤給料機輸出煤炭灰分，%；Q1、Q2分別為617#、618#給料機輸出煤炭流量，t/h；A為配煤目標灰分，%；Q3為619#輸送帶總煤流量，t/h。

Q1由安裝在輸送帶上的617#電子皮帶秤反饋數據獲得，Q3通過619#輸送帶機尾電子皮帶秤反饋數據獲得，A通過安裝在620輸送帶上的灰分儀獲得。由于A1、A2無法獲得準確數據，只能通過實驗室人工檢測獲取大概灰分值，但可確認高、低灰取煤點，故系統采用根據目標灰分值計算后分級加減高低灰煤的方法實現配煤。

控制系統動態模式的精確程度是影響控制效果好壞的關鍵因素，系統動態信息越詳細，越能達到精確控制的目的[10]。由于煤炭粒度、形狀、密度、水分及其與給煤機葉輪間的摩擦力等參數無法獲得，而這些因素對煤炭流量存在影響。為此，采用模糊數學來處理控制問題。

針對無法確定葉輪取煤點煤量是否充足，620#灰分儀對配后煤炭灰分檢測、反饋存在時間滯后的問題，開發出差額補償法解決配煤精度問題。配煤時記錄配煤調整時長，在5 min內調整正常則進行下一個調整時長的記錄；如果超過配煤時限而沒有達到預定的配煤質量要求，則計算該時間段缺少的煤炭種類，此后加大該種煤的給煤量，直至達到平均質量要求[11-12]。自動配煤系統控制流程如圖2所示。

圖2 自動配煤系統控制流程圖Fig.2 Control system flowsheet of automatic coal blending system

3 系統功能

自動配煤系統的應用，不但可及時掌握配后各倉煤的灰分數據，而且可通過灰分反饋及差額補償來保證配煤平均灰分滿足要求。該系統的主要功能體現在以下三方面：

(1)自動確定預灌倉煤量。系統初始化時自動獲取煤倉數據庫數據，進而確定預灌倉煤量，也可手工輸入灌倉煤量。在灌倉煤量達到上限時，系統自動報警或停止灌倉。

(2)配煤異常報警功能。根據配煤瞬時時間和配后煤流量設定灰分上限值，如果配煤的測量灰分值超過灰分上限值而沒有達到設定值，系統自動報警，提示操作員檢查煤場給煤機附近煤量是否充足，是否出現其他異常情況，以便及時手動干預。

(3)差額質量補償功能。如果因煤場煤量不足或其他原因出現階段性的灌倉煤質不符合要求時，在恢復灌倉后系統依據灌倉容量，在加權平均計算的基礎上自動補充該階段缺失的煤炭量，以保證每倉的配煤平均灰分滿足要求。

4 結語

針對南屯煤礦選煤廠返煤系統現有格局，通過手動、自動兩用系統使配煤入倉，采用差額質量補償法對其進行摻配，保證配煤平均灰分滿足要求。配煤過程中系統能夠自動掌握各倉煤的準確灰分數據，配煤灰分精度在±1.5%內，商品煤合格率達到100%。

該系統具有組態靈活、功能完善、操作簡單等特點，運行安全穩定，達到了較高的自動化水平。自動配煤系統的應用，實現了煤炭的精確摻配，解決了配煤大滯后問題，避免了因質量過剩造成的經濟損失，間接提高了企業經濟效益。

[1] 賈風軍. 動力配煤技術及其重要意義[J].內蒙古科技與經濟，2006(18)：127-128.

[2] 王志剛，許曉鳴，倪 偉.PLC在自動配煤控制系統中的應用[J].電氣傳動，2001(3)：48-51.

[3] 張躍首.自動控制系統在選煤廠的應用[J].煤炭加工與綜合利用，2003(4)：13-16.

[4] 趙小聰，顧衛東，金耀良.火電廠自動配煤系統的設計及優化[J].電站輔機，2007，28(2)：35-38.

[5] 靳國庫.火電廠全自動配煤系統設計[J].電工技術，2006(4)：18-20.

[6] 伍特均，伍特保.基于PLC的火電廠輸配煤粉節能程控系統的開發[J].微計算機信息，2011，27(9)：74-76.

[7] 遆軍喜.PLC在配煤運輸皮帶保護中的應用[J].中國科技財富，2009(6)：56-57.

[8] 王維峰，王新平.PLC在臨渙選煤廠選煤控制系統中的應用[J].煤炭技術，2009(2)：56-57.

[9] 吳中俊，黃永紅.可編程序控制器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[10] 陳忠訓.自動控制技術在選煤廠的應用[J].煤炭工程，2008(10)：58-59.

[11] 程 軍,曹欣玉,周俊虎,等.多元優化動力配煤方案的研究[J].煤炭學報,2000(1):81-85.

[12] 孫靖彪,孫忠仁,姜延武,等.計算機技術在優化配煤入選中的應用[J].選煤技術,2004(2):52-53.

Design and application of automatic coal blending system in Nantun mine coal preparation plant

YU Li-jun，WANG Dong-cai，WANG Dong

(Nantun Mine Coal Preparation Plant, Yanzhou Coal Mining Company Limited, Zoucheng, Shandong 273500, China)

To solve the problem of unevenly blending coal in Nantun mine coal preparation plant, automatic coal blending system is designed based on theoretical research. This paper introduces composition, control pricinple, function of this system as well as analyzes its application effect. The result shows that the automatic coal blending system can operate steadily; different coal can be blended automatically with high qualified rate, also ash content of coal blending is qualified.

coal preparation plant; automatic coal blending system; compensation for the blance

1001-3571(2015)01-0074-04

TD948.9

A

2015-02-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.022

于立軍(1973—)，男，山東省平度市人，工程師，從事選煤生產管理工作。

E-mail:yulijun388@163.com Tel：13505475198