基于PLC的選煤廠精煤自動裝車控制系統應用研究

張進帥

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214）

引言

目前，煤礦開采領域已投入了自動裝車控制系統，但整體的自動化程度相對較低，系統控制精度及響應速度也較差，人員作業時的勞動強度較大，無法滿足當前實現煤礦開采自動化、智能化及無人化控制的發展需求[1-2]。將更加成熟的控制技術應用到裝車控制系統中，實現系統的升級改進設計，已成為當前選煤廠智能化能力提升的關鍵。

1 現有裝車控制系統存在的問題

目前，國內選煤廠整體已向自動化、智能化方向進行了改造升級。部分領域已實現了較高的自動化控制。但由于國內鐵路技術發展的影響，選煤廠中的自動裝車系統運行時仍存在較多問題，主要包括如下幾點：

1）當前的裝車控制系統主要依靠人力進行半自動化操作控制，控制精度及操作流程主要依靠人員的經驗和熟練度，若經驗不足，極可能造成裝車效率的降低[3];

2）整個控制系統中未安裝自動及監控系統，無法對全過程進行監測控制，人員也無法實時、準確地掌握現場的作業情況，極容易造成信息誤判、操作失誤等情況，大大降低了工作效率；

3）由于選煤廠現場環境的復雜性，經常出現所傳輸數據信息易受到外界干擾、信號不穩定等現象，數據傳輸的速度也相對較低，已無法滿足當前較多數據的實時、快速傳輸需求；

4）針對選煤廠精煤裝車現場所出現的故障問題，當前控制系統無法進行故障異常報警，僅能通過人員對現場進行逐一排查方可解決故障，故障排查效率低、現場作業安全性較差[4]。

為此，不斷對當前精煤的裝車控制系統進行升級設計，實現整個過程的自動化控制、參數自動調節、異常情況自動識別及報警等功能，已是提升裝車控制系統綜合性能的必然方向。

2 自動裝車控制系統總體設計

依托當前精煤裝車控制系統的現有基礎，開展了精煤自動裝車控制系統的改進設計。所設計的控制系統包括了PLC控制器、數據采集模塊、上機位監控模塊、通訊模塊、報警模塊等，主要實現精煤倉口閘門控制、皮帶輸送控制、煤礦重量稱重、水分供給控制、作業現場監控等功能[5]。其中，系統中的核心控制器選用了西門子的S7-300系列PLC，與上位機監控系統之間則通過工業以太網、RS485等通訊方式進行信號傳輸及通訊；通過PLC控制器，能實現對生產現場設備的操作、控制、監控及相關數據信號的傳輸；控制系統中的電壓平臺包括DC24V和DC12V，以滿足系統內部的用電需求。

整個自動裝車控制系統的控制流程為：首先對火車進行車輛識別，將識別到的信息傳遞并反饋給PLC控制器中，在PLC控制器中對火車的入場順序進行排序；而裝車時，控制鐵牛牽引電機來帶動火車緩慢移動。當檢測到火車信號時，簸箕和皮帶機啟動，將精煤輸送并通過簸箕流入火車車廂中，實現精煤的自動裝車。其中，裝煤的流量則通過PLC控制柜進行控制，皮帶機的傳輸速度則通過變頻器控制數字信號來實現速度控制；經過計算后，在完成精煤重量稱重及對比判斷后，停止裝煤，火車移動，并對數據進行保存，循環開始下一個火車裝煤操作，自動裝車控制系統的流程如圖1所示。

圖1 自動裝車控制系統流程圖

3 控制系統主要部分設計

3.1 PLC控制器選型設計

PLC控制器時整個系統的關鍵部分，可實現對系統中數據運算、設備控制、邏輯判斷、信號轉換及通訊等操作。因此，本系統選用了西門子的S7-300系列PLC控制器，該控制器包括了CPU處理器模塊、開關量輸入及輸出模塊、電源模塊、控制器模塊、模擬量模塊，其中，電源模塊采用了PS307型號，處理器選用了CPU315型號，通訊模塊則選用了CP341型，而I/O模塊則采用了光電隔離及防爆型，并將PLC安裝在配電柜中[6]。而配電柜的輸入則采用了AC220V電源，內部也按照了穩壓電源、開關、繼電器等元器件，由此，完成了PLC的選型設計。S7-300系列PLC控制器如圖2所示。

圖2 S7-300系列PLC控制器

3.2 電子軌道稱重分系統設計

當精煤放入車廂后，需對多放入的精煤重量進行稱重，以實現對精煤裝入量的控制，故設計了一套電子軌道稱重分系統設計。在該分系統中，選用了兩個電阻式重力傳感器，具有過載能力強、誤差小、性能穩定等特點，可安裝在稱重臺的兩側，通過檢測到來自車廂的壓力，利用激勵拱橋電源的轉換作用，將壓力信號轉換為相應的重量電信號，經過信號的放大、濾波及A/D轉換等操作后，將最終處理信號經過RS485接口傳輸至PLC控制器中進行分析判斷和運行，當重量達到設計值時，PLC則發出控制命令，自動停止裝煤作業操作，以此實現對精煤重量的稱重操作。稱重系統的原理如圖如圖3所示。

圖3 電子軌道稱重分系統原理圖

3.3 水分供給控制分系統設計

煤炭經過洗選后，精煤中會夾雜著一定含量的水分，較多的水分會使煤炭質量下降，較低水分也會煤炭重量降低，煤碳中的水分含量是評價煤炭經濟價值的關鍵指標。為此，設計了一套水分供給控制分系統，以此實現對煤炭中水量的控制及水分檢測。該分系統中配備了微波式水分儀，安裝在皮帶機下方的C型框架下，所發射出微波能穿透煤炭物料，發射能量的衰減及相位偏移，利用微波的能量衰減及相位偏移，以此來判斷煤炭中的水分含量。所檢測到的水分數據將通過RS485通訊接口傳輸至PLC控制器中進行對比判斷，當檢測到水分超過閥值時，則可通過輸出模塊來將噴淋裝置的調節閥開度減小，實現對水分供給的控制。所設計的水分供給控制分系統原理圖如圖4所示。

圖4 水分供給控制分系統原理圖

4 控制系統應用評價

在完成精煤自動裝車控制系統的全面設計后，為進一步驗證該控制系統的綜合性能，將其在選煤廠中進行了集成應用測試，主要對系統的精煤倉口閘門控制、皮帶輸送控制、精煤稱重、水分供給控制、異常報警等方面進行全面測試，測試周期將近5個月。經過測試后，該系統運行正常，功能更加強大，實時性好，能自動對進出火車的車輛號進行自動識別，成功解決了傳統的人工輸入車號的痛點。同時，整個過程的設備啟停、精煤裝量、水分供給控制等方面均。實現了無人化自動控制，全程無人員進行操作控制；經抽樣，每個火車車廂內的精煤重量基本相同，實現了精煤裝量的精確控制。另外，該控制系統針對裝車過程出現的水分過多、重量過重、超載、溫度過高等異常情況也實現了系統的自動報警提示及故障位置顯示，人員可根據故障顯示位置，快速對故障進行排除，避免了因系統故障造成的時間浪費問題。整套系統的成功應用，達到了預期目的和效果。

5 結論

1）該控制系統運行更加穩定、功能更加強大，實現了整個裝車過程中多環節的自動化、遠程控制操作；

2）實現了火車車號的自動識別，解決人員手動輸入車號的低效率操作問題；

3）全過程的設備啟停、精煤裝量、水分供給、精煤稱重等方面均實現自動化遠程控制，無需人員進行操作控制，整體自動化程度大大提高；

4）系統運行時的水分過多、重量過重、超載、溫度過高等也實現了自動報警及故障位置顯示，實現了人員快速排查故障的高效操作；

5）該系統的成功應用，提高了精煤的裝車效率，降低了裝車過程的故障率，減輕了人員的勞動強度，達到了預期效果。