選煤廠自動化控制系統設計與應用研究

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

隨著經濟社會的飛速發展，重工業發展速度較快，煤炭作為工業社會發展的重要能源保障，其需求量不斷增大，煤炭采掘工作任務日益繁重[1-2]。選煤工藝作為煤炭采掘工作中的重要環節，直接關系著煤炭的生產產能和效率，現已引起了煤炭行業的廣泛關注[3-4]。隨著科學技術的進步，選煤工藝不斷更新，傳統自動控制系統已不能滿足當前先進選煤設備的要求，有必要與時俱進[5]。現在選煤廠不斷向著智能化、集中化方向發展，尤其是集中控制系統，已成為未來發展的必然趨勢[6]。因此針對某選煤廠自動化程度較低、可靠性較差的現狀，開展自動化控制系統設計與應用研究工作，對于提高選煤廠的選煤效率和經濟效益具有重要的意義。

1 選煤廠概述

該選煤廠生產規模與礦井井形相適應，選用了較為先進的選煤技術，設計年選煤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、重介系統、浮選系統、裝運系統等。煤礦原煤第一步進入箕斗倉，由給煤機和膠帶機轉至動篩跳汰工位，完成大塊精煤的篩選；其余進入原煤緩沖倉，之后轉至重介選煤工位，經重介旋流器篩選出精煤，干燥之后進入精煤倉，中煤轉至原煤倉和添煤倉裝運；煤泥轉至浮選工位繼續進行精煤篩選，最終煤泥進行濃縮壓濾，得到干燥煤泥進行倉儲代售。選煤工藝過程復雜，控制環節較多，當前控制系統未能真正實現自動化，中間環節存在設計不合理的情況，因此，有必要進行自動化控制系統的重新設計。

2 選煤廠自動化系統方案

基于原有控制系統，完成了選煤廠自動化系統方案設計，如圖1 所示，主要包括現場控制層、生產監視層和生產管理層。現場控制層主要包括現場儀表、各種傳感器、操控部件等，由PLC 經RIO 網絡連接各控制站，實現選煤廠的自動控制，實現現場設備的操控與監視功能。生產監視層主要涉及以太網交換機、組態監控工作站、集控中心站、顯示系統等，PLC 與上位機配合完成現場選煤設備運行狀態的實時顯示與遠程控制功能，實現自動控制一體化的目標。生產管理層主要包括信息管理服務器、信息終端計算機、交換機等，完成選煤廠控制信息數據的管理，通過網絡與自動控制系統之間的通信，實現選煤廠生產過程數據的實時存儲，包括產量、成分、設備運行參數等，同時也能夠及時掌握現場生產、物流等多種信息，實現選煤廠范圍內統一監控的目的，還具有遠程辦公接口，達到集團實時監控廠房的效果。

圖1 選煤廠自動化系統構架

3 自動化系統設計

3.1 系統控制流程

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，系統設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備啟停動作設計成閉鎖結構。原煤系統設備啟停動作主要受礦井影響，獨立于洗煤系統，工作時采煤系統啟動，原煤系統也要啟動，是原煤存儲至緩沖倉內；采煤系統停止工作，要求原煤準備系統停止，以便節約能源；因此原煤準備系統設計時，需要根據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

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

3.1.3 浮選系統控制流程

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

3.1.4 裝車系統控制流程

裝車系統作為選煤過程的最后環節，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，通過稱重系統控制倉口下放量進行補煤，直到裝煤完成。具體的裝車系統控制流程如圖2 所示，系統中涉及多種信號檢測裝載，如車號識別儀、光電開關、稱重系統、車廂高度檢測等，采集得到了的實時數據傳輸至自動化控制系統并顯示于系統人機交互界面中。

圖2 裝車系統控制流程

3.2 PLC 選型及架構

自動化控制系統自主井口來煤開始，涉及動篩、選煤、濃縮、壓濾及裝車等模塊組成，結合原有選煤廠工藝流程及設備現在位置，集中控制站設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 自帶以太網通信接口，實現選煤設備參數的實時顯示。控制主站與I/O 分站通過RIO 網絡構成一個控制層網絡，實現系統的自動化控制，上位機監控軟件采用與Quantum 系列PLC 配套的Citect 軟件實現全廠范圍內設備監控。

監控中心主站PLC 自帶RJ45 以太網口，與上位機之間的信息通信由EtherNet/IP 通訊協議完成，以此達到實時顯示選煤設備運行狀態參數的功能。各控制器機架位置增設1 塊RIO 通訊模塊，以便更好地實現主站與分站之間的系統通信。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 通訊協議確保PLC 主站與分站之間的聯系。

3.3 關鍵部件選型

選煤廠自動控制系統中介質泵的控制選擇艾默生生產的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的型號為YRKK450-8 的電機，以實現選煤量的控制。自動控制系統選擇錦州第一開關設備有限公司生產的型號為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，額定熱穩定電流為4 kA/4 s，額定動穩定電流為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監控選煤設備運行狀態參數的窗口，是實現遠程監測與控制的紐帶。上位機組態設計選擇Vijeo Citect 軟件，因其與PLC 同屬于一個廠家，為變量的導入提供了便利，節約了建立數據庫的時間。選煤廠自動控制系統上位機主界面如圖3 所示，實現了選煤廠選煤過程的自動化監測與控制。監控界面中通過工藝界面上設備顏色的變化可以監視設備的運行狀態，鼠標移動到設備上時顯示該設備的名稱，獲取對應的運行狀態參數，供監控人員獲取想要的信息，同時，也可以根據實時運行狀態實現遠程指令的下發，實現選煤廠選煤設備的遠程控制。

圖3 自動化控制系統主監控界面

4 應用效果評價

為了驗證選煤廠自動化控制系統設計的可行性，將其投入選煤廠進行施工應用，跟蹤記錄半年時間內系統的運行情況，結果表明，系統運行穩定可靠，能夠滿足選煤廠各設備之間邏輯控制的要求。統計結果顯示，選煤廠自動化控制系統的投入使用，提高了選煤廠自動控制系統的安全性，未出現邏輯混亂導致的設備停機事故，可減少3～4 名監控系統運維人員，提高了近15%的選煤設備有效利用率，降低了煤炭成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100萬元/年，取得了很好的應用效果。