基于PLC的選煤廠壓濾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

劉 皓

(西山煤電(集團(tuán))有限公司 屯蘭選煤廠，山西 古交 030206)

0 引言

煤泥選煤廠洗選加工的副產(chǎn)品具有含水量高、黏性高、熱值量低等特點(diǎn)。為加強(qiáng)對煤泥等副產(chǎn)品的利用，提高能源的利用率，避免浪費(fèi)煤炭資源，選煤廠配置了有效的煤泥水處理設(shè)備—壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)對煤泥的回收。隨著工作面綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的提升及選煤技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致煤質(zhì)變差，進(jìn)而對壓濾系統(tǒng)提出了更高的要求[1]。為提升選煤廠壓濾系統(tǒng)的自動(dòng)化水平及可靠性，本文基于PLC以壓濾機(jī)為監(jiān)控對象實(shí)現(xiàn)對壓濾設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 壓濾控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前，某選煤廠壓濾設(shè)備為快開式隔膜壓濾機(jī)，廠內(nèi)共有4套相對獨(dú)立的壓濾系統(tǒng)，其主要由攪拌池、入料泵、壓濾機(jī)、輸送機(jī)、壓風(fēng)機(jī)以及PLC控制柜組成，主要功能是對副產(chǎn)品煤泥進(jìn)行壓榨，并對煤泥水循環(huán)利用。該選煤廠壓濾系統(tǒng)中壓濾機(jī)的具體型號為KM350/2000。針對當(dāng)前壓濾系統(tǒng)自動(dòng)化水平低、可靠性差的問題，本文將結(jié)合PLC控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、傳感器控制技術(shù)和PID控制算法實(shí)現(xiàn)對選煤廠壓濾系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)對所得煤泥副產(chǎn)品中含水率的控制，實(shí)現(xiàn)對壓濾系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備參數(shù)的集中監(jiān)測和控制[2]。基于上述自動(dòng)化、高可靠性的控制思路設(shè)計(jì)如圖1所示的壓濾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，壓濾自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心控制器為PLC控制柜，此外還包括上位機(jī)觸摸屏、壓濾機(jī)、空氣壓縮機(jī)、入料泵、變頻控制器以及用于現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測的各類傳感器(壓力傳感器、流量傳感器)等。其中，通過控制入料泵實(shí)現(xiàn)對入料環(huán)節(jié)的控制；通過控制空氣壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)對壓榨環(huán)節(jié)的控制。其控制原理為：壓濾控制系統(tǒng)的最終控制設(shè)備為壓濾機(jī)，其控制依據(jù)為壓濾機(jī)檢測儀表和形成開關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，控制途徑為通過電磁閥對入料泵和空氣壓縮機(jī)等輸出單元的控制最終實(shí)現(xiàn)對壓濾機(jī)的控制[3]。采用PROFIBUS-DP通信協(xié)議對該控制系統(tǒng)上位機(jī)、下位機(jī)進(jìn)行通信，并采用以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信[4]。

圖1 壓濾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 壓濾控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 PLC系統(tǒng)

壓濾控制系統(tǒng)的控制對象為壓濾機(jī)，其輔助設(shè)備包括測量儀表和壓力表等，其執(zhí)行設(shè)備包括電磁控制閥、壓風(fēng)機(jī)等。

本文采用的壓濾機(jī)為KM350/2000型快開式隔膜壓濾設(shè)備。PLC為壓濾控制系統(tǒng)的核心，本文著重對PLC相關(guān)硬件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。結(jié)合PLC不同產(chǎn)品的特征及壓濾系統(tǒng)的控制需求，本控制系統(tǒng)選用S7-300系列的PLC，對應(yīng)CPU模塊的具體型號為315-2PN/DP；對應(yīng)的數(shù)字量輸入模塊為SM321，數(shù)字量輸出模塊為SM322，模擬量輸入模塊為SM331。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本控制系統(tǒng)中數(shù)字量輸入點(diǎn)有37個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)有22個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)有3個(gè)。本控制系統(tǒng)對應(yīng)電源模塊選用PS307-5A和PS307-10A。

1.1.2 壓濾控制系統(tǒng)其他硬件選型

本控制系統(tǒng)其他硬件選型結(jié)果如表1所示。

表1 壓濾控制系統(tǒng)其他硬件選型

壓濾控制系統(tǒng)的變頻調(diào)速是其提升自動(dòng)化水平、降低能耗、避免系統(tǒng)在啟停時(shí)對電網(wǎng)造成沖擊的關(guān)鍵。針對壓濾系統(tǒng)的變頻控制需求，該系統(tǒng)需對入料泵的壓力進(jìn)行變頻控制，基于PLC和變頻器的入料泵變頻控制原理如圖2所示。

圖2 入料泵變頻調(diào)速控制原理圖

1.2 壓濾控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

壓濾控制系統(tǒng)的軟件包括壓濾控制系統(tǒng)的主控制程序、壓風(fēng)機(jī)聯(lián)控程序、入料泵壓力控制程序、故障報(bào)警程序等。為保證壓濾控制系統(tǒng)的精確性和可靠性，本文將采用PID控制策略對其各分系統(tǒng)進(jìn)行控制。本節(jié)將著重對模糊PID控制策略的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

模糊PID控制流程如下：r(k)為系統(tǒng)輸入，由壓力檢測計(jì)對輸出信號y(k)進(jìn)行監(jiān)測，與輸入的信號對比，得出偏差率ec和偏差e，模糊PID控制器基于模糊控制規(guī)則對PID控制器中的比例環(huán)節(jié)增益Kp、微分環(huán)節(jié)增益Kd和積分環(huán)節(jié)Ki進(jìn)行調(diào)整，通過PID控制器得出對應(yīng)的偏差和偏差率下的控制策略u(k)實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制，最終達(dá)到對壓風(fēng)機(jī)對應(yīng)控制的目的。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，針對壓濾控制系統(tǒng)其對應(yīng)的傳遞函數(shù)如式(1)所示：

(1)

對應(yīng)上述傳遞函數(shù)中PID控制器中的三個(gè)參數(shù)分別為：比例因數(shù)為0.51，積分因數(shù)為0.4，微分因數(shù)為0.05。經(jīng)仿真分析，通過采用模糊PID控制策略與采用PID控制策略對壓濾控制系統(tǒng)的控制效果的比較得出，模糊PID控制策略具有超調(diào)量小、系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間少且振蕩次數(shù)少的優(yōu)勢。即，驗(yàn)證了模糊PID控制器對壓濾控制系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和可靠性。

基于模糊PID控制算法和PLC、變頻器控制的流程，編寫了相應(yīng)的壓濾控制系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)控制的程序流程圖。圖4為模糊PID控制算法下基于PLC的壓濾控制系統(tǒng)主監(jiān)控系統(tǒng)的界面。

圖4 壓濾控制系統(tǒng)監(jiān)控主界面

2 總結(jié)

壓濾系統(tǒng)為選煤廠針對副產(chǎn)品煤泥回收、循環(huán)水回收利用的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其自動(dòng)化水平和可靠性直接決定選煤廠煤泥的回收率和能耗。為提升選煤廠壓濾系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、降低其生產(chǎn)能耗，本文基于PLC設(shè)計(jì)壓濾控制系統(tǒng)，具體總結(jié)如下：

(1) 壓濾控制系統(tǒng)的核心為PLC，其對應(yīng)控制策略的算法為模糊PID控制算法，所選型PLC為S7-300系列的產(chǎn)品，并為系統(tǒng)配置相應(yīng)的模塊。

(2) 基于模糊PID控制策略對壓濾系統(tǒng)的控制，與傳統(tǒng)PID控制策略相比較具有響應(yīng)及時(shí)、振蕩次數(shù)小以及超調(diào)量小的優(yōu)勢。