PLC在選煤廠電氣自動化設備中的應用

＊劉佳敏

（晉能控股煤業集團有限公司精煤分公司 山西 037000）

選煤廠是煤礦行業中不可或缺的機構，其作用是對煤炭進行篩選，過濾掉煤炭中的矸石等雜質，根據煤礦的品質進行不同層次的加工，實現不同的用途，例如：精煤主要用于煉焦或者動力燃煤，選煤過程中產生煤泥主要用于制磚或通過特殊處理進行回收。所以選煤廠的生產工藝環節較多，過程繁雜，需要同時運行很多不同功能的設備。

1.選煤廠對自動化設備的要求

(1)運行系統化

目前大多數的選煤廠都配備了煤炭破碎設備、煤炭篩分設備、輸送設備、脫水設備、流體設備、污水處理設備等。由于市場上諸多廠家為了提升產品競爭力，都研發了獨立的控制系統?？此票憷瑢崉t提升了操作的復雜程度。比如設備的操作系統存在差異性，有些設備使用西門子，有些設備使用法蘭克等。這些設備通常都需要獨立操作，當設備數量達到一定程度時，將全部設備啟動或進行其他操作會花費相當長的時間，不利于設備的統一運行，可能出現設備運行異?；蚪档蜕a效率的問題。為解決此問題，需要將選煤廠的所有設備進行通訊與結合，形成系統化的運行機制，保障選煤工作順利、安全進行。

(2)監控網絡化

由于選煤廠生產所需的設備不僅品種多樣，而且布置在不同的位置，單純靠人工巡視的監控模式很難實時監控各個設備的狀態，無法在設備運行時準確了解各設備的詳細情況。當某個設備出現故障時，容易因監控不到位，沒有及時發現設備故障，加劇設備損壞的風險，嚴重威脅到選煤廠工作人員的生命健康以及生產安全。為了能夠實時、有效的監控選煤廠所有設備的運行狀態，需要搭建網絡化的監控模式，生產過程中實現各數據的傳輸，便于管理人員實時掌握生產情況。

(3)診斷智能化

由于選煤廠使用的設備種類和數量較多，每個設備出現的故障機理以及故障類型各不相同。需要對各設備運行狀態監控的同時，根據各設備的不同用途和容易出現的故障，設置智能化的診斷流程。當某個設備或幾個設備同時出現運行異常時，診斷程序能夠在設備異常的最小單位時間內，通過診斷邏輯，判斷出設備出現了故障。同時通過報警器提醒管理人員，并準確指出發生異常的設備，便于維修人員及時前往排查故障。避免因設備故障降低生產效率或中斷生產。

2.基于PLC建立的系統框架

以山西白洞選煤廠為例，該廠設計入選能力為120萬噸，選煤廠整個生產系統分為：重介旋流器分選系統、粗煤泥脫水處理系統和煤泥水處理系統三大系統。主洗系統包括重介旋流器分選、產品脫介脫水等作業，煤泥水處理系統包括煤泥水的濃縮和煤泥回收等作業，洗水閉路循環。該廠主要用到的設備有脫介篩，磁選機，煤泥離心機等。

基于該廠的生產工藝及設備，系統框架主要由PLC控制層和上位機監測層兩個部分組成。

(1)控制系統硬件設計

該廠的煤塊與煤末選取及加工的工藝過程由同一個PLC系統控制完成。PLC的主機采用德國西門子公司的S7-300，采用了模塊化結構，易于實現分布式的配置，單機架硬件組態最多配置8個擴展模塊，CPU單元選用西門子配套的CPU313C-5BE00-0AB0，建立為控制主機，放置在煤塊車間。CPU中有32KB用于程序和數據儲存。帶有可擴展的FEPROM，用存儲卡可擴展到4MB。CPU的執行時間最小可以在0.1μS至0.2μS之間。煤塊篩選部分的參數輸入單元和輸出單元均由10個SIMATIC ET200M組成，通訊模塊采用ROFIBUS總線結構。煤末篩選部分的控制系統采用該PLC的分支SIMATIC S7-300 I/O模塊，煤末篩選部分的參數輸入單元和輸出單元均由10個SIMATIC ET200M組成。通訊也采用相同的ROFIBUS總線結構。煤末系統分支I/O與PLC主機的CPU通訊方式采用RS-485的方式。上位機的主要作用是把PLC系統采集到的各設備的運行數據直觀的展示給系統操作人員，便于觀察和記錄設備的運行狀態。系統操作人員可通過操作觸摸屏，實現對PLC系統的控制。該系統的控制部分由PLC主機，帶有觸摸屏功能的液晶顯示器組成。ROFIBUS總線是世界上應用最廣泛的現場總線技術，主要包括最高波特率可達12M的高速總線PROFIBUS-DP（H2）和用于過程控制的低速總線PROFIBUS-PA（H1）。

硬件配置如圖1所示。

圖1 基于PLC的電氣系統硬件配置示意圖

(2)系統控制策略設計

由于PLC系統連接選煤廠的高效雙滾筒并聯磁選機，煤泥離心機等設備，能夠實現選煤過程中的原煤破碎、煤礦篩分、煤炭輸送、煤炭脫水、污水處理等功能。通訊方式使用西門子公司生產的SIMATIC NET網絡產品。PLC主機與分支裝置采用PROFIBUS-DP進行通訊，PLC與上位機的通訊采用工業化的以太網，符合國際標準IEE80213。

系統的控制策略設計如下：系統開始工作時，控制系統對選煤廠的所有設備狀態進行監控，當選煤廠的操作人員開啟生產總電源時，系統識別到生產總電源開啟，判斷為需要開啟工作狀態。系統將按工藝的順序連續啟動所有電氣設備。按工序啟動設備時，前面工序啟動的設備先進行預備生產狀態，待所有設備都正常開啟后，傳送設備正式進入工作狀態，將原煤傳輸至破碎設備，開始正常的工作工序。

設備正常運行時，系統監控各設備的運行狀態，并進行實時監控。系統將設備正常運行時的數據進行保存，并進行實時數據對比，通過實時數據曲線判斷設備運行的情況是否正常。當設備出現故障時，系統讀取設備報出的故障，并對故障進行分類。主要分為兩類：第一類單個設備故障，不會對其他設備產生影響；第二類，多個設備同時出現故障，屬于嚴重故障。

出現第一類故障時，不會對其他設備產生影響，此時，系統會將整個生產節拍逐漸變慢，停止源頭工序的作業，將所有生產設備按工序停止運行，同時對故障設備進行細致檢查。從設備通訊，設備硬件，設備程序等幾方面進行對比分析。當確認故障后，系統會將故障分析結果顯示在上位機的顯示屏上，并通過報警模塊，提示系統操作人員發生故障的設備以及具體位置，便于維修人員前往排查故障。

出現第二類故障時，系統判斷為此故障為嚴重故障，生產設備中已有多個設備出現故障。此故障一旦報出，系統對所有設備采取急停的方式，并對所有出現故障的設備進行統計，將故障級別進行排序，按照故障嚴重程度逐個對設備進行檢查。并且將故障信息顯示在上位機的顯示屏上，并通過報警模塊，提示系統操作人員發生故障的設備以及具體位置，便于維修人員前往排查故障。

采用此種控制策略，不僅能夠將選煤廠內所有的設備進行統一管控，并且能夠實時監控設備的運行狀態，當設備出現故障時，能夠根據故障的嚴重程度，將整條生產線的設備有序關停或急停，避免遇到故障就急停，長期操作對所有設備造成的損傷；以及急停不到位，導致設備在嚴重故障下運行，導致損壞。

系統控制策略如圖2所示。

圖2 系統控制策略示意圖

3.系統的抗干擾措施

該系統在實際安裝，以及后期的使用與維護時應采取合理的抗干擾措施。主要通過以下幾個方面進行考慮分析。

（1）針對不同的信號選擇合適材料的連接線路。針對開關信號線，傳輸過程中抗干擾能力相比其他信號線強，可以采用非屏蔽線進行電路連接；針對高頻率的脈沖信號，其抗干擾能力相對較弱，需要采用具有屏蔽功能的電線進行連接。

（2）系統布置時需要考慮合理分布，避免產生干擾。系統布置時，在選煤廠內保障所有連接線路有良好的接地。PLC主機要避免與干擾源距離過近。例如，較大功率的變壓器、大型動力設備等。此外，PLC系統推薦使用單獨的接地針腳，如實際情況無法達到，可以將單獨的針腳與公共接地針腳相接，但不能連接大功率設備。

4.結語

在傳統選煤廠的現有電氣設備上，加裝帶有PLC的監控系統，不僅能夠兼容所有生產線的電氣設備，同時能夠對設備進行實時監測與統一控制。當單個設備或多個設備出現故障時，系統能夠根據故障的嚴重程度對生產線上的所有電氣設備進行管控，能夠將電氣設備的損傷程度降至最低，同時能夠提示維修人員具體的故障設備，便于快速維修，避免造成長時間的停線，保障選煤廠的生產效率。