基于PLC的重介質選煤自動控制系統的設計與研究

劉永光

(西山煤電股份有限公司 西銘礦選煤廠，山西 太原 030053)

0 引言

重介質選煤因其分選精度較高、分選粒度范圍較大、可適用于各類不同煤質，同時還易于實現自動控制等優點，已成為一種應用普遍的高效選煤技術[1-3]。在重介質選煤過程中，重介質懸浮液的密度、流量、入料壓力、煤泥含量等工藝參數都會影響選煤效果，因此對重介質選煤過程進行實時監測和控制對于提高選煤效率及質量至關重要。

目前國內許多中小型煤礦針對選煤過程的監控仍采用傳統人工方法，不僅效率低下，而且會耗費大量人力。同時人工方式的選煤結果受人為因素影響較大，分選效果較差，因此需要通過集中控制系統對選煤過程進行自動化監控[4,5]。由于國內針對選煤集中控制系統技術的起步較晚，大部分系統采用傳統PID方式進行控制，控制精度不高，且系統滯后性較大，導致精煤損失率較高，分選效果不夠理想。針對上述問題，本文設計了一套以PLC為控制核心的選煤自動控制系統，并將模糊控制與傳統PID控制相結合，從而提高系統的控制精度及響應速度，具有動態性能及魯棒性較好、穩態精度高、超調量小等優點。

1 系統總體方案設計

1.1 系統架構

重介質選煤自動控制系統的主要目的是將選煤自動控制、選煤過程參數監測和生產管理三者相結合，從而實現選煤的綜合一體化集中監控。本文采用集中-分布體系對整體系統進行架構，其中主站PLC主要負責選煤廠主廠房及各操作生產車間內各類傳感器采集信號的收集與上傳，并根據上位機指令對各執行機構進行控制從而實現重介質懸浮液密度的調節等。兩個從站PLC分別負責選煤廠篩分破碎車間及最后煤體的分揀。集控室內設置的上位機用于遠程參數監測及控制指令的下達，上位機與各下位機PLC通過工業以太網實現通訊，并在現場設置相應交換機從而提高通訊信號的傳輸距離并降低信號的衰減及干擾影響，選煤自動控制系統整體結構如圖1所示。

圖1 選煤自動控制系統總體結構圖

在眾多選煤工藝參數中，對選煤效果影響最大的是重介質懸浮液密度，如果懸浮液密度過大，精煤的灰分將提升，導致精煤質量不達標[6，7]；如果密度過小，會嚴重影響精煤產率，因此本系統最重要的功能就是要實現重介質懸浮液密度的自動調節。本文以模塊化思想對重介質懸浮液密度調節子系統進行設計，將子系統劃分為4個模塊，分別為懸浮液參數采集模塊、分析控制模塊、上位機模塊以及執行機構模塊，相應系統硬件結構如圖2所示。

子系統中的參數采集模塊由各類傳感器組成，其中液位傳感器主要用于檢測分流后的煤體、矸石以及懸浮液的液位值，密度傳感器主要用于采集煤泥及懸浮液的密度值，磁性物傳感器主要用于采集磁性物質含量等參數。子系統運行時，首先由參數采集模塊將采集到的各類參數上傳至分析控制模塊，分析控制模塊通過將接收到的各類參數與設定閾值進行對比并得到相應的調整策略，最終由分析控制模塊將控制指令傳輸至執行機構模塊進行相應調整，使各參數穩定在合格范圍內。

1.2 基于模糊PID的懸浮液密度控制策略

由于重介質懸浮液密度的控制過程具有較強的非線性特征，因此在大多選煤控制系統中都采用PID控制。傳統PID控制的動態性能較差，并且各環節參數的整定過分依賴準確的受控對象數學模型，因此難以滿足高精度的控制需求[8]。而模糊控制算法無需得到受控對象的數學模型即可通過規則知識進行推理，將模糊控制與PID控制相結合，以模糊推理規則代替傳統PID中的比例、積分、微分調節參數，即可使控制器在隨機環境下實現自適應調整，使得整體系統在受到較大擾動的情況下仍可保持良好的控制性能，模糊PID控制原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制原理圖

由圖3可知，該模糊PID控制器的原理是在傳統PID控制器的基礎上通過模糊推理來得到三個調節參數GKP、GKI、GKD以及偏差量e(t)和偏差變化率de/dt的模糊關系，最終得到輸出量ΔKP、ΔKI、ΔKD，用于實時調整三個P、I、D參數，使得對受控對象的控制效果更優化。

2 硬件方案設計

該控制系統的核心硬件主要為各主從站PLC及數據采集模塊中用于現場參數采集的各類傳感器，PLC與傳感器的合理選用是保證系統控制及采集參數可靠性的關鍵，因此需要進行合理選型。為了保證控制精度，本系統的控制核心選用S7-1500可編程控制器，其CPU模塊型號選用1513-1PN，電源模塊選用PM 70 W 120/230VAC型，可適用于各類供電網絡，保證系統的穩定運行。從站PLC需要收集傳感器所采集的各類信號，因此除CPU及電源模塊外還需要模擬量及數字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)和SM332(AO)。

重介質懸浮液密度調節子系統作為整個自動控制系統的核心部分，最主要的功能就是實現懸浮液密度的自動調節，因此密度傳感器的選型對其密度調控的精確性至關重要。受重介質懸浮液池內大量雜質及氣泡的影響，大部分密度計的測量誤差較大，效果并不理想。為了保證測量結果的可靠性，選用PH-2000型γ射線密度計對懸浮液密度進行測量，其密度測量范圍為0～3 000 kg/m3，輸出為標準4 mA～20 mA電流信號，由于γ射線的高穿透性以及非接觸式的測量結構，可以最大限度地降低液體中雜質、氣泡以及液體流量的影響，滿足本系統的精度需求。

本系統采用HCUS-500型超聲波液位傳感器對水池及介質桶內的懸浮液液位進行監測，其測量范圍為0～20 m，測量精度可達0.5%～1.0%，信號輸出為兩線制4 mA～20 mA標準電流，同時具有自動功率調整及增益控制功能，方向性好，穿透能力強，可滿足本系統需求。

針對池內磁性物質的監測，選用TS-SDC-8A磁性物含量測量儀進行測量，其測量范圍為0～1 000 g/L，測量精度為±1%，可輸出4 mA～20 mA標準電流信號，滿足本系統監測需求。

3 軟件方案設計

本系統的運行模式包括全線自動、手動及檢修三種模式。當進入自動模式時，系統將按照程序預設置的開車流程自動進行煤炭的運輸、離心、脫介篩、重介質選煤等相應操作；當選擇手動模式時，需通過就地操作箱完成選煤操作；當系統處于檢修模式時，設備即停止運行并進行相關檢修工作，相應程序流程如圖4所示。

圖4 運行模式選擇流程圖

重介質懸浮液密度調節子系統軟件的功能主要包括參數設置、數據采集、數據處理、控制信號輸出及數據管理等，子系統軟件具體功能如圖5所示。

圖5 重介質懸浮液密度調節子系統軟件功能圖

4 結束語

本文針對傳統重介質選煤控制系統的不足，以PLC為控制核心結合模糊PID控制技術設計了一套控制精度高、響應速度快、可靠性較高的重介質選煤自動控制系統，通過主從站PLC控制單元結構及各類傳感器實現了對選煤過程的自動控制及工況參數的實時監測，保證選煤廠整個選煤流程安全高效地進行。