基于選煤廠的智能化配倉方案研究

馮 雷

（霍州煤電集團呂臨能化選煤廠，山西呂梁 033000）

0 引言

煤倉在選煤廠的生產工藝中用于實現對煤料的儲存、緩沖以及配煤。煤倉內煤料是實時、動態、非線性變化的，即煤倉需完成對位于煤倉下方的火車車皮的放煤工作，將一輛輛火車車皮裝滿煤料；另一方面，位于煤倉上方的配倉小車根據來煤的煤種和煤質，將該煤料存入不同的煤倉[1]。傳統的選煤廠煤倉配料人工手動控制模式，即配倉人員通過肉眼觀察煤倉配料調度室內的來料煤種、煤質并選擇對應煤倉后，手動控制配倉小車移動至指定煤倉，然后開啟配倉皮帶運輸系統卸載煤料。為防止煤倉溢出，配倉人員需實時觀察煤倉內煤料位置。選煤廠煤倉配料生產環境惡劣，嚴重影響和干擾配倉人員對配倉小車、皮帶運輸機的控制，且勞動強度大、人工控制的響應時間差、實時性差，無法保證配倉質量和效率[2-4]。因此，亟需研究并實現選煤廠配倉系統的智能化，降低工人勞動強度，改善勞動環境，提高配倉生產效率。

1 系統組成

圖1 選煤廠智能化配倉方案系統組成

選煤廠煤料配倉方案智能化設計系統原理如圖1所示，應用PLC 控制技術、傳感器技術以及變頻控制技術共同完成對配倉小車、皮帶運輸機以及驅動電動機的控制以及信號檢測。在智能化配倉方案設計中，共有5個煤倉，通過對配倉小車的調度，完成對火車車皮煤料的裝載。配倉小車的運動由電驅變頻牽引實現，由小車驅動電機D進行驅動，可以完成前進、后退以及前/后運行方向的無縫切換。上游下煤皮帶由上游下煤皮帶驅動電機驅動，采用變頻控制模式，實現皮帶根據煤料的重量對皮帶運行速度進行無極調速。配倉小車根據煤倉煤料料位進行智能化配倉，在每一個煤倉內安裝后UWB 定位基站，可精準定位小車實時位置，同時在每一個煤倉內還安裝有2個重錘式物位計，用于實時檢測煤倉內煤料高度，保證配倉小車在煤倉指定位置完成設定煤倉煤料的智能化配倉。

2 關鍵技術分析

2.1 配倉小車定位技術

采用UWB(Ultra Wide Band)超寬帶通信技術，精確定位配倉小車實時位置。UWB 通信技術主要用于室內通信，具有抗擾動能力強，穿透性好以及傳輸時延小等優點。采用三邊定位原理，并結合TOA/TDOA、AOA等算法即可精確定位配倉小車的實時位置，即：將配倉小車位置定義為待測標簽，在智能化配煤系統的指定位置放置n個UWB 通信基站，在配置小車車體安裝UWB 通信終端，應用TOA/TDOA等算法可計算n個基站到配置小車待測標簽的距離，以基站為圓心，可畫n個圓，該n個圓的相交點即為待測標簽的實時位置[5-6]。TOA/TDOA 算法如下：UWB 基站發送一個數據報文Data 給位于配倉小車的終端，并記錄時間為T1，終端收到該數據報文Data的時間記錄為T3；位于配倉小車的UWB終端給基站返回數據報文ACK Data的時間為T4，UWB基站接收到該數據報文ACK的時間記錄為T2，則定義：

式中：Tround為數據報文在基站中的持續時間；Treply為數據報文ACK 在終端中的持續時間；Tprop為數據報文傳送一個周期時，在基站與終端中的持續時間差值。根據TOA/TDOA 算法可計算出配倉小車距基站的距離d為：

式中：C為光速。

在配倉小車定位方案中，在指定位置安裝2 個UWB基站，在配倉小車指定位置安裝一個UWB終端，即可完成配置小車精確定位，定位精度為0.000 1 m，且受配煤倉粉塵、環境溫度、濕度以及物體遮擋等因素的影響較小，能夠實現選煤廠智能化配倉環境下配倉小車的精確定位。

2.2 煤倉倉位實時檢測技術

由于配煤倉煤粉濃度高、溫度變化大、存在水霧以及雜波干擾，使用環境惡劣，因此，選用重錘式物位計對配煤倉倉位進行實時檢測。重錘式物位計的測量原理為：當控制器接收到倉位檢測啟動信號后，控制智能電機傳動系統運行，并控制重錘做垂直向下運動，無限接近被測物體表面，在接觸被測物體的瞬間，向控制器發送電動機反轉信號。當控制器接收到該信號后，控制智能電機反轉，向上收回重錘，完成依次煤倉倉位檢測過程[7]。控制器計算鋼絲繩或鋼帶的放出長度，由此計算出被測煤倉的實時倉位信息。使用重錘式物位計對煤倉倉位進行檢測時，煤料進料或出料過程也能夠精確地完成檢測，且不受傳輸介質和環境溫度、濕度的影響。

2.3 配倉小車驅動技術

配倉小車的驅動系統由PLC 控制器、變頻器以及變頻電動機組成。PLC控制器根據配倉小車的載重進行轉矩控制，并在指定位置控制配倉小車停車。

2.4 信號抗干擾技術

選煤廠煤料配倉環境惡劣，為提高采集到的配倉小車位置、煤倉倉位等數據的穩定性和可靠性，需對上述數據進行抗干擾處理。對于配倉小車實時位置數據，PLC 控制器對該數據的處理流程如下；PLC 控制器在[0Tout]時間范圍內接收到的數據個數為n，數據分別為data1,data2,…,datan，取該n個數據的算術平均值。將該算數平均值分別與data1,data2,…,datan進行比較，偏差值大于Accu時，將該值舍棄。將比較后剩余的數據重新計算算術平均值，并將該值作為該時刻配倉小車位置實時值。

對于煤倉倉位數據，在每一個煤倉內安裝兩個重錘式物位計，且安裝位置遠離煤料落料點。由PLC控制器控制其檢測的時間周期，采集兩個重錘式物位計的檢測數據后，首先判斷數據的差值是否在[lmin,lmax]范圍之內，如果在，則表明采集的數據是正確的，取數據的平均值作為該時刻重錘式物位計的檢測值；如果不在上述范圍之內，則表明采集的數據存在問題，需重新采集。

3 配倉流程

設計并實現的選煤廠智能化配倉流程如圖2 所示，在PLC 控制器中進行軟件編程實現。配倉流程方案中首先根據來煤的煤種和煤質來匹配煤倉，即將同類煤種同類煤質的煤料放入同一煤倉內。完成煤種煤質的檢測后PLC 控制器采集安裝在煤倉內的2 個重錘式物位計傳感器數據，分析當前煤倉內煤料的實時高度，如果煤倉全滿，則發出報警并提示該煤倉全滿，順序選擇下一個煤倉進行配倉。如果該煤倉沒有全滿，則PLC 控制器控制煤倉口閘門開到卸料最少位置，調整并保證閘門開到位，則PLC 控制器利用UWB 通信定位技術驅動配倉小車上的卸料膠帶移動至對應煤倉倉口，開始配煤過程。PLC控制器實時采集物位計數據，若煤倉全滿，則完成該煤倉的配料，選擇下一個煤倉重復上述配料過程。

圖2 選煤廠智能化配倉方案配倉流程

4 結束語

設計并實現的選煤廠智能化配倉方案已經在某選煤廠于2019年11月投入運行，至今已經安全、穩定運行半年有余，該選煤廠的配煤能力由原來的日配煤料5 200 t 提升至8 700 t，配煤提升率達67.3%，有效緩解了原人工選煤以及人工控制配倉小車生產效率不高、勞動強度達以及可靠性差等問題，徹底解決了煤倉配料不精確的問題，進一步提升了選內存配煤系統的智能化水平，提高了選煤廠生產效益。