選煤廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

房偉林

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

引言

隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，重工業(yè)發(fā)展速度較快，煤炭作為工業(yè)社會發(fā)展的重要能源保障，其需求量不斷增大，煤炭采掘工作任務(wù)日益繁重[1-2]。選煤工藝作為煤炭采掘工作中的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著煤炭的生產(chǎn)產(chǎn)能和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[3-4]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，選煤工藝不斷更新，傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前先進選煤設(shè)備的要求，有必要與時俱進[5]。現(xiàn)在選煤廠不斷向著智能化、集中化方向發(fā)展，尤其是集中控制系統(tǒng)，已成為未來發(fā)展的必然趨勢[6]。因此針對某選煤廠自動化程度較低、可靠性較差的現(xiàn)狀，開展自動化控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究工作，對于提高選煤廠的選煤效率和經(jīng)濟效益具有重要的意義。

1 選煤廠概述

該選煤廠生產(chǎn)規(guī)模與礦井井形相適應(yīng)，選用了較為先進的選煤技術(shù)，設(shè)計年選煤120 萬t。目前選煤工藝方法為動篩跳汰入洗塊煤，采用重介旋流器入洗原煤，TBS 回收粗煤泥和浮選入洗級細煤泥，主要涉及原煤系統(tǒng)、重介系統(tǒng)、浮選系統(tǒng)、裝運系統(tǒng)等。煤礦原煤第一步進入箕斗倉，由給煤機和膠帶機轉(zhuǎn)至動篩跳汰工位，完成大塊精煤的篩選；其余進入原煤緩沖倉，之后轉(zhuǎn)至重介選煤工位，經(jīng)重介旋流器篩選出精煤，干燥之后進入精煤倉，中煤轉(zhuǎn)至原煤倉和添煤倉裝運；煤泥轉(zhuǎn)至浮選工位繼續(xù)進行精煤篩選，最終煤泥進行濃縮壓濾，得到干燥煤泥進行倉儲代售。選煤工藝過程復(fù)雜，控制環(huán)節(jié)較多，當(dāng)前控制系統(tǒng)未能真正實現(xiàn)自動化，中間環(huán)節(jié)存在設(shè)計不合理的情況，因此，有必要進行自動化控制系統(tǒng)的重新設(shè)計。

2 選煤廠自動化系統(tǒng)方案

基于原有控制系統(tǒng)，完成了選煤廠自動化系統(tǒng)方案設(shè)計，如圖1 所示，主要包括現(xiàn)場控制層、生產(chǎn)監(jiān)視層和生產(chǎn)管理層。現(xiàn)場控制層主要包括現(xiàn)場儀表、各種傳感器、操控部件等，由PLC 經(jīng)RIO 網(wǎng)絡(luò)連接各控制站，實現(xiàn)選煤廠的自動控制，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的操控與監(jiān)視功能。生產(chǎn)監(jiān)視層主要涉及以太網(wǎng)交換機、組態(tài)監(jiān)控工作站、集控中心站、顯示系統(tǒng)等，PLC 與上位機配合完成現(xiàn)場選煤設(shè)備運行狀態(tài)的實時顯示與遠程控制功能，實現(xiàn)自動控制一體化的目標。生產(chǎn)管理層主要包括信息管理服務(wù)器、信息終端計算機、交換機等，完成選煤廠控制信息數(shù)據(jù)的管理，通過網(wǎng)絡(luò)與自動控制系統(tǒng)之間的通信，實現(xiàn)選煤廠生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實時存儲，包括產(chǎn)量、成分、設(shè)備運行參數(shù)等，同時也能夠及時掌握現(xiàn)場生產(chǎn)、物流等多種信息，實現(xiàn)選煤廠范圍內(nèi)統(tǒng)一監(jiān)控的目的，還具有遠程辦公接口，達到集團實時監(jiān)控廠房的效果。

圖1 選煤廠自動化系統(tǒng)構(gòu)架

3 自動化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制流程

3.1.1 原煤準備控制流程

原煤準備作為選煤廠開始工作的第一步，系統(tǒng)設(shè)計按照逆煤流順序啟動、順煤流方向停止的原則展開，將主井口原煤運輸至緩沖倉過程中的設(shè)備啟停動作設(shè)計成閉鎖結(jié)構(gòu)。原煤系統(tǒng)設(shè)備啟停動作主要受礦井影響，獨立于洗煤系統(tǒng)，工作時采煤系統(tǒng)啟動，原煤系統(tǒng)也要啟動，是原煤存儲至緩沖倉內(nèi)；采煤系統(tǒng)停止工作，要求原煤準備系統(tǒng)停止，以便節(jié)約能源；因此原煤準備系統(tǒng)設(shè)計時，需要根據(jù)煤炭礦井實際工作情況進行啟停控制。

3.1.2 重介控制流程

重介控制系統(tǒng)設(shè)計按照逆序啟動、順序停止的原則展開，相鄰的選煤設(shè)備之間互為閉鎖，控制系統(tǒng)以旋流器為分點，涉及精煤、中煤和研石等環(huán)節(jié)。精煤環(huán)節(jié)需要裝車系統(tǒng)進入準備工作階段，順序啟動膠帶機、精煤離心機、精煤脫介質(zhì)篩、重介質(zhì)旋流器、原煤脫泥篩、除鐵器等設(shè)備；中煤環(huán)節(jié)需要順序啟動轉(zhuǎn)載膠帶機、膠帶機、中煤離心機、中煤破碎機、中煤脫介篩等設(shè)備；研石環(huán)節(jié)需要順序啟動膠帶機、研破碎機、研石脫介篩等設(shè)備。通過自動化系統(tǒng)將上述啟停環(huán)節(jié)進行整合，實現(xiàn)集中控制目的。

3.1.3 浮選系統(tǒng)控制流程

選煤廠浮選系統(tǒng)的起始點為浮選入料池，之后涉及浮選、壓濾和濃縮等環(huán)節(jié)，因該部分選煤裝置對于煤炭流轉(zhuǎn)影響較小，將其設(shè)計成單車啟停，但是為了提高控制系統(tǒng)的安全性，各個選煤設(shè)備之間需要設(shè)計成連鎖控制關(guān)系，包括加藥泵自動化控制，加壓過濾機控制、風(fēng)機控制等。

3.1.4 裝車系統(tǒng)控制流程

裝車系統(tǒng)作為選煤過程的最后環(huán)節(jié)，在車皮行至裝煤位置時，自動識別車輛信息，放下溜槽，啟動皮帶機和煤倉閘門開始裝車。當(dāng)裝車量達到額定裝載量的90%左右時僅開一個倉口即可，通過稱重系統(tǒng)控制倉口下放量進行補煤，直到裝煤完成。具體的裝車系統(tǒng)控制流程如圖2 所示，系統(tǒng)中涉及多種信號檢測裝載，如車號識別儀、光電開關(guān)、稱重系統(tǒng)、車廂高度檢測等，采集得到了的實時數(shù)據(jù)傳輸至自動化控制系統(tǒng)并顯示于系統(tǒng)人機交互界面中。

圖2 裝車系統(tǒng)控制流程

3.2 PLC 選型及架構(gòu)

自動化控制系統(tǒng)自主井口來煤開始，涉及動篩、選煤、濃縮、壓濾及裝車等模塊組成，結(jié)合原有選煤廠工藝流程及設(shè)備現(xiàn)在位置，集中控制站設(shè)置在選煤廠的電氣樓中。控制器選擇Schneider Quantum 系列PLC，包括控制主站、原煤倉變電所和濃縮工位配電室分站，PLC 自帶以太網(wǎng)通信接口，實現(xiàn)選煤設(shè)備參數(shù)的實時顯示。控制主站與I/O 分站通過RIO 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個控制層網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制，上位機監(jiān)控軟件采用與Quantum 系列PLC 配套的Citect 軟件實現(xiàn)全廠范圍內(nèi)設(shè)備監(jiān)控。

監(jiān)控中心主站PLC 自帶RJ45 以太網(wǎng)口，與上位機之間的信息通信由EtherNet/IP 通訊協(xié)議完成，以此達到實時顯示選煤設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)的功能。各控制器機架位置增設(shè)1 塊RIO 通訊模塊，以便更好地實現(xiàn)主站與分站之間的系統(tǒng)通信。原煤倉變電所和濃縮工位配電室分站的每個機架各配置1 塊140CRA93100 通訊模塊，同樣采用RIO 通訊協(xié)議確保PLC 主站與分站之間的聯(lián)系。

3.3 關(guān)鍵部件選型

選煤廠自動控制系統(tǒng)中介質(zhì)泵的控制選擇艾默生生產(chǎn)的MegaVert-G0500-06/06C 型變頻器，配套選擇山西防爆電機集團有限公司生產(chǎn)的型號為YRKK450-8 的電機，以實現(xiàn)選煤量的控制。自動控制系統(tǒng)選擇錦州第一開關(guān)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為XGN2-10 的高壓柜，其額定電壓為6 kV，額定電流為75 A，防護等級為IP3X，額定熱穩(wěn)定電流為4 kA/4 s，額定動穩(wěn)定電流為10 kA，額定短路開斷電流為4 kA，主母線額定電流為1 205 A。

3.4 上位機

上位機作為選煤廠自動控制系統(tǒng)監(jiān)控選煤設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)的窗口，是實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制的紐帶。上位機組態(tài)設(shè)計選擇Vijeo Citect 軟件，因其與PLC 同屬于一個廠家，為變量的導(dǎo)入提供了便利，節(jié)約了建立數(shù)據(jù)庫的時間。選煤廠自動控制系統(tǒng)上位機主界面如圖3 所示，實現(xiàn)了選煤廠選煤過程的自動化監(jiān)測與控制。監(jiān)控界面中通過工藝界面上設(shè)備顏色的變化可以監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)，鼠標移動到設(shè)備上時顯示該設(shè)備的名稱，獲取對應(yīng)的運行狀態(tài)參數(shù)，供監(jiān)控人員獲取想要的信息，同時，也可以根據(jù)實時運行狀態(tài)實現(xiàn)遠程指令的下發(fā)，實現(xiàn)選煤廠選煤設(shè)備的遠程控制。

圖3 自動化控制系統(tǒng)主監(jiān)控界面

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證選煤廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性，將其投入選煤廠進行施工應(yīng)用，跟蹤記錄半年時間內(nèi)系統(tǒng)的運行情況，結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足選煤廠各設(shè)備之間邏輯控制的要求。統(tǒng)計結(jié)果顯示，選煤廠自動化控制系統(tǒng)的投入使用，提高了選煤廠自動控制系統(tǒng)的安全性，未出現(xiàn)邏輯混亂導(dǎo)致的設(shè)備停機事故，可減少3～4 名監(jiān)控系統(tǒng)運維人員，提高了近15%的選煤設(shè)備有效利用率，降低了煤炭成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近100萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。