基于PLC的選煤廠壓濾系統的設計及實現

吳 雷

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，平頂山 467002）

選煤廠壓濾系統主要用于即將含煤泥廢水中的固態懸浮物和膠態懸浮物濾除，其中固態懸浮物主要成分為精煤煤粉，具有較高的商業價值[1]。早期選煤廠壓濾系統通過固定式機械控制，但隨著國家有關部門對工業環保的要求逐漸明晰化，選煤廠壓濾系統的自動化高精度控制需求被普遍應用[2]。在大型機械設備自動化控制的相關研究文獻中，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）作為與強電控制系統耦合度最高的嵌入控制系統被廣泛研究[3]。該研究分析相關研究文獻中針對選煤廠壓濾系統PLC 的自動化控制開發模型，發現存在兩個極端，一是對PLC 的算力需求較高，需要使用高端PLC 完成控制過程；二是數據采集量較小，控制算法較為簡單，無法實現復雜控制目標[4]。

研究中，使用中央數據機房（internet data center，IDC）和PLC 通信接口相結合，使用最小化的PLC 配置，完善大數據采集、數據挖掘處理、信號反饋和自動化控制功能，有效提升選煤廠壓濾系統的控制精度，實現最低能耗和最低材料消耗的目標下最高的壓濾機運行效率[5]。

1 壓濾機PLC 控制系統及其外圍系統

壓濾機的主體機械結構系統分為4 個構件：①濾芯系統，由一系列導流板和濾芯板構成，傳統壓濾機濾芯板使用硅藻土材質，近期部分濾芯板使用石棉、合成纖維等材質，但其根本原理是實現0.01 mm多孔微孔結構，阻止煤泥漿中不容性固體和膠體顆粒通過，濾芯系統具有一定壽命，本研究中將設計一種電阻型探頭精確監測濾芯壽命；②二次壓力系統，由線性液壓缸在液壓泵站的供能下，對污泥管進入到濾芯后方的承壓煤泥槳額外壓力，使煤泥漿中的液體沿導流槽析出，而不溶性固體、膠體顆粒落入出料系統進行回收；③出料系統，一般由塞拉式艙門和出料皮帶機構成，塞拉式艙門關閉時，形成污泥壓濾艙室，塞拉式艙門打開時，壓濾艙室內固體回收物落入出料皮帶機中；④液體循環系統，包括污泥泵入系統，使污泥管中進入壓濾艙室的煤泥漿具備一定初始壓力，二次壓力系統加壓過程中，煤泥漿中液體沿導水槽析出，進入工業廢水循環系統中[6-7]。上述4 個構件的邏輯關系如圖1所示。

圖1 選煤廠壓濾機構件間邏輯關系Fig.1 Logical relation diagram among filter press components in coal preparation plant

如果使用PLC 對該壓濾結構進行控制，主要有以下3 點任務：①因為污泥管的進料、加壓板的二次加壓、出料系統的出料屬于順序控制過程，有效控制該動作接續節拍，減少不必要的時間消耗，可以有效提升壓濾機的工作效率；②監控濾芯的工作狀態，確定濾芯壽命，控制濾芯更換窗口，有效提升濾芯的利用效率；③控制污泥管的污泥泵壓力和液壓缸的液壓泵壓力，使系統運行在最經濟的壓力下，提升系統工作效率的同時達到節能目標[8]。

2 壓濾機PLC 控制系統的總體設計

綜上分析，該壓濾機PLC 控制系統分為3 個子系統，分別為濾芯壽命監測子系統、順序節拍控制子系統、運行監測子系統。

2.1 濾芯壽命監測子系統

不論采用何種介質，濾芯初始狀態為水潤多孔介質，具有一定的電導率和伏安特性曲線，經過多次過濾后，多孔結構中部分空隙被固態顆粒堵塞，且部分孔壁纖維結構被撕裂變形，也會導致其電導率和伏安特性曲線的變化。通過測量濾芯的電導率和伏安特性，可以觀察濾芯狀態變化，同時考察壓力板在不同壓力條件下的給進速度，觀察濾芯的液體通過特性，綜合分析上述數據以判斷濾芯的更換窗口[9-10]。該監測系統如圖2所示。

圖2 濾芯壽命監測系統邏輯架構圖Fig.2 Logic architecture diagram of filter element life monitoring system

從濾芯電阻探頭中獲得的電壓和電流數據匯總到一個超限學習機模塊中，從液壓缸探頭中獲得的液壓系統工作壓力和線性缸體移動速度數據匯總到一個超限學習機模塊中，兩個超限學習機模塊的輸出結果匯總到一個卷積神經網絡模塊，最終輸出1 個經過深度卷積的輸出數據，作為濾芯的壽命評價結果，該評價結果被訓練收斂到［0，1］區間上，當結果接近1.000 時認為濾芯狀態較佳，當結果接近0.000 時認為濾芯壽命結束，需要進行更換。但PLC 設備受制于其嵌入算力，無法運行超限學習機和卷積神經網絡模塊，所以，數據經過PLC 匯總后，將數據提交到IDC 中運行超限學習機和卷積神經網絡，再將評價結果返回到控制系統中。所以，PLC系統在濾芯壽命監測任務中，僅需要采集相關數據并將數據轉發到通用數據網絡中，其系統架構如圖3所示。

圖3 濾芯壽命監測系統設計Fig.3 Design drawing of filter element life monitoring system

參考前文分析過程，在濾芯中布置極板，將直流電源導入到濾芯各夾層中，采集系統電壓和系統電流，液壓缸部分使用壓力探頭獲得液壓缸液壓壓力，使用流量探頭推測液壓桿行程，上述4 個探頭均設置專門的數字化元件將模擬信號轉化為數字信號，其中電流、液壓流量等電流數據使用電流比較器芯片構建數字化元件，電壓、液壓壓力等電壓數據使用電壓比較器芯片構建數字化元件，使用1臺專用PLC 管理該數據，PLC 外接網絡接口板實現與IDC 的通信[11-13]。

2.2 順序節拍控制子系統

污泥管使用球形截止閥配合擺線液壓缸控制，擺線液壓缸使用雙位截止閥控制，線性液壓缸使用三位換向閥控制，污泥泵需要變頻控制功能以調整污泥初始壓力，串聯斷路器、變頻器、接觸器進行控制，液壓泵站無需變頻功能，串聯斷路器、接觸器進行控制。該電動合并液壓控制系統如圖4所示。

圖4 電動合并液壓控制系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control system for electric merger

濾芯監測控制器和順序控制器均為獨立的PLC系統，兩個PLC 系統在IDC 的集中服務下運行：①如前文所述，濾芯監測控制器主要采集線性缸的壓力、流量數據和濾芯的電流電壓數據，為了實現自動化控制全過程，完整系統中，濾芯監測控制器同時負責其它元件，如液壓閥位置及污泥管路的流量、壓力數據，斷路器、接觸器、變頻器均有內置監測嵌入系統，其數據獨立匯總給IDC；②順序控制器負責向斷路器、接觸器、變頻器、三位閥、雙位閥發出控制信號，該信號主要有2 個來源，其一是機旁控制柜信號，其二為IDC 控制指令信號，集控系統通過IDC 向順序控制器發出信號，在沒有外部信號干預的情況下，順序控制器通過內部編程及內部時鐘發生器，順序控制上述系統的進料、壓濾、出料過程[14]。

2.3 運行監測子系統

選煤廠壓濾機自動化控制系統運行過程中，需要監測4 大類數據：①污泥管路的壓力、流量數據，該部分數據結果與濾芯監測數據系統監測結果無關，但最后會由濾芯監測控制器轉發到IDC，具體原因參照前節分析；②液壓系統的壓力、流量數據，該部分數據為濾芯監測數據的重要組成部分，由濾芯監測控制器轉發到IDC；③濾芯伏安特性監測數據，該部分數據為濾芯監測數據的重要組成部分，由濾芯監測控制器轉發到IDC；④斷路器、接觸器、變頻器、三位閥、雙位閥運行數據，由相關組件嵌入板直接報送到IDC。該控制模式下，IDC 為PLC 分擔了大部分數據挖掘計算工作量，PLC 的主要任務為數據轉發，另外順序控制器PLC 中包含依據時鐘發生器信號程序化控制相關機械部件的任務。因為具體功能在上述兩個子系統中有具體論述，所以運行監測系統在此處不展開論述[15-16]。

3 選煤廠壓濾機PLC 控制系統應用效果實測分析

不考慮液壓系統、斷路器、變頻器、接觸器總成內的嵌入系統，該選煤廠壓濾機PLC 控制系統，使用兩臺獨立PLC 系統完成壓濾機全系統控制。其中，需要數模轉換器將定置化探頭數據轉化為數字信號的各路監測信號，使用濾芯監測控制器PLC 系統匯總并報送到IDC 進行數據挖掘，各系統總成內的嵌入系統數據信號直接報送到IDC 進行數據挖掘，控制信號經過順序控制器PLC 系統轉發到各執行部件。2020年10月至今，對某設計年產50 萬噸壓濾機部署該PLC 控制系統后，對比其它壓濾機進行試運行比較實驗，得到如下實測數據。

3.1 改造前后壓濾機產能及生產效率變化

該壓濾機設計年產能力50 萬噸（以濾出固態產物計算），年設計正規循環6000 小時，每小時設計生產能力85 噸。實測中，1 臺機組按照上述PLC控制系統優化控制系統，比較另外3 臺使用傳統自動化控制模式的同型號機組均值數據，如表1所示。

表1 壓濾機產能及生產效率比較Tab.1 Comparison of production capacity and production efficiency of filter press

小時產能指壓濾機正規循環下每小時產出濾出固態產物（準精煤產品）的重量，年產能為考慮非正規循環影響壓濾機預計每年產出濾出固態產物的重量，濾芯周期指正規循環狀態下濾芯持續使用的時間，設備非正常工作期間的時間未計入濾芯周期內，年正規循環指壓濾機運行在全程序化自動化控制狀態下的持續時間。因為該改進系統試運行尚未滿一年，上述年產能和年正規循環依據改進系統投入運行以來的持續運行記錄在線性回歸算法下形成推測結果。通過比較，使用改進系統后，小時產能提升2.14%，年產能提升3.06%，濾芯周期延長13.89%，年正規循環時間提升0.91%，考慮到選煤廠實際工業利潤率一般不超過8%，上述提升幅度對壓濾機的實際經濟效益帶來較大程度影響。

3.2 改造前后壓濾機節能環保性能變化

分析壓濾機PLC 控制系統改造前后的耗電量和耗水量，耗電量包括壓濾機配套的全部泵機系統、液壓系統、電控系統的耗電量；耗水量指壓濾機排除工業水循環重復利用的淡水資源量之后，其壓濾過程因為更換濾芯或蒸發作用等耗費的淡水資源量。同時比較壓濾機工作期間的液壓油消耗量，所有消耗量折算到每噸濾出固態產物中進行統計，統計結果如表2所示。

表2 改造前后壓濾機節能環保性能比較Tab.2 Comparison of energy saving and environmental protection performance of filter press before and after renovation

使用該研究中設計的壓濾機PLC 控制系統后，系統耗電量降低6.73%，系統耗水量降低2.61%，液壓油消耗量降低2.41%。如前文所述，該壓濾機PLC控制系統在試運行期間獲得更高生產效率的同時，對水電及液壓油的消耗量也得到了有效控制。相關控制指標除前文中濾芯周期延長比率達到13.89%外，其它優化指標均小于5%，但所有優化指標對壓濾機經濟效益的促進作用有疊加效應，且因為壓濾機服務的選煤行業本身利潤率較低，該性能提升幅度具有客觀的實踐價值。

4 結語

研究中使用2 臺獨立PLC 控制器完成壓濾機全系統的自動化控制，PLC 無法高效完成的數據挖掘環節（如圖2中的超限學習機和卷積神經網絡處理環節）由PLC 的網絡通信卡部件將數據報送到IDC 中處理并將處理結果反饋給PLC 控制系統。現場實測表明，該壓濾機PLC 控制系統可以有效提升壓濾機的產能并實現一定的節能效果。未來包括壓濾機在內的大型工業設備，其控制模式逐漸從自動化向智能化轉變，本研究發現在IDC 算力支持下，PLC 控制系統可以發揮出較強的自動化控制水平。未來研究中還將充分研究PLC 控制器在智能化控制系統中的應用模式，充分開發PLC 在人工智能、大數據、物聯網、云計算領域的應用場景。