選煤廠集散控制DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬亮

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司, 北京 100032)

0 引言

選煤廠集散控制系統(tǒng)是指將選煤廠中各種設(shè)備的控制集中到一個(gè)中央控制系統(tǒng)中,通過對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。一般由傳感器、控制器、人機(jī)界面和通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成,通過該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對選煤廠生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制。但由于選煤廠中的設(shè)備數(shù)量多、分布廣,導(dǎo)致實(shí)際控制精度較低,為此,需要設(shè)計(jì)一種選煤廠集散DCS控制系統(tǒng),以進(jìn)一步提高選煤廠設(shè)備的控制精度和生產(chǎn)效率。相關(guān)控制技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。

劉武垚等[1]將PLC技術(shù)應(yīng)用到選煤廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中,改變傳統(tǒng)人工控制局面,在提升工作效率的同時(shí)解放大量勞動(dòng)力。林星翰等[2]在PLC技術(shù)中添加了open safety標(biāo)準(zhǔn),并集成在Beremiz環(huán)境內(nèi),應(yīng)用到選煤廠集散控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)對選煤廠工作的監(jiān)控和管理。但PLC技術(shù)的編程相對復(fù)雜,且控制精度相對較低,難以滿足選煤廠生產(chǎn)過程的需求。

此基礎(chǔ)上,將集散控制(DCS)技術(shù)應(yīng)用到集散控制系統(tǒng)中,為選煤廠后續(xù)工作開展提供一個(gè)新的思路。針對某大型選煤廠運(yùn)行現(xiàn)狀[3],建立選煤廠集散控制系統(tǒng)框架,將集散控制系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分:硬件從微機(jī)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、原煤和水洗系統(tǒng)、產(chǎn)品裝車系統(tǒng)3方面實(shí)現(xiàn)對選煤廠設(shè)備的監(jiān)測與控制;軟件主要利用PID控制算法對硬件部分進(jìn)行輔助,同時(shí)為集散控制系統(tǒng)提供控制算法支持。通過對比應(yīng)用DCS系統(tǒng)前后集散控制系統(tǒng)的控制范圍、控制效率以及系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間可以看出,應(yīng)用DCS系統(tǒng)后,集散控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均得到了顯著提升,提高了選煤廠生產(chǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行效率。

1 構(gòu)建選煤廠集散DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

DCS系統(tǒng)是由集中控制系統(tǒng)延伸而來的,具有故障范圍小的特點(diǎn),因此系統(tǒng)罷工的概率降低。不僅如此,DCS系統(tǒng)具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理效率[4-5],可在保證數(shù)據(jù)可靠性、協(xié)調(diào)性以及靈活性的前提下,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制,因此更適合應(yīng)用在選煤行業(yè)中。

DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站包括數(shù)字輸入、輸出接口和模擬量輸入、輸出接口。數(shù)字輸入接口主要用來接收選煤廠就地控制箱發(fā)出的設(shè)備啟動(dòng)信號(hào)和運(yùn)行接觸器的反饋信號(hào);數(shù)字輸出接口連接受控設(shè)備的開關(guān)啟動(dòng)裝置,受數(shù)字輸入接口控制,完成設(shè)備的啟停操作。模擬量輸入接口主要接收來自受控設(shè)備的反饋模擬量傳感器信號(hào);模擬量輸出接口則與受控設(shè)備的執(zhí)行器相連接。所有現(xiàn)場控制站都具備邏輯控制能力和數(shù)值運(yùn)算能力,方便及時(shí)處理選煤廠設(shè)備運(yùn)行過程中的各類數(shù)據(jù),每個(gè)控制站之間相互獨(dú)立、互不影響,不通過總線進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸,因此不會(huì)降低系統(tǒng)整體的運(yùn)行速度。

在受控設(shè)備啟動(dòng)初期,DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站會(huì)接收到來自選煤廠就地控制箱發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)。DCS系統(tǒng)會(huì)立刻判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常,只有在正常情況下才可以通過數(shù)字輸出接口啟動(dòng)受控設(shè)備。采集系統(tǒng)將模擬信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給DCS系統(tǒng)控制器,經(jīng)過PID運(yùn)算后,由模擬量輸出接口向設(shè)備變頻器發(fā)送數(shù)據(jù),以調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài),使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)。應(yīng)用DCS系統(tǒng)的選煤廠集散控制框架圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)用DCS選煤廠集散控制系統(tǒng)框架圖

2 選煤廠集散DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 集散DCS控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選煤廠集散控制系統(tǒng)硬件從主控室內(nèi)和主控室外兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì),主控室與產(chǎn)品裝車控制室之間的傳輸通道為專用通信電纜,可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。集散控制系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

圖2 選煤廠集散控制系統(tǒng)硬件框架圖

由圖2可知,集散控制系統(tǒng)是一個(gè)三級CCM2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),每個(gè)層級都有其各自的CPU,控制對象不同但是彼此之間存在聯(lián)系,可以在很大程度上保證DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

第一級控制為微機(jī)生產(chǎn)管理系統(tǒng),設(shè)備主要包含打印機(jī)、COMPAQ微機(jī)以及CRT彩顯等,主要作用是監(jiān)控選煤廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、以及煤倉中煤位的變化和產(chǎn)銷量情況。

第二級控制為DCS-6 CPU控制系統(tǒng),主要作用是對原煤和水洗系統(tǒng)進(jìn)行集散控制,同時(shí)采集現(xiàn)場模擬信號(hào),與產(chǎn)品裝車控制室和上位機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸。DCS-6 CPU控制系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

圖3 DCS-6 CPU控制系統(tǒng)框架圖

圖3中,G-01W為220 V的AC電源模塊,DCS-6 CPU為2048點(diǎn)的CPU,G-01F為系統(tǒng)擴(kuò)展接口模塊[6],G-01DM為CCM2網(wǎng)絡(luò)通信接口模塊,G-01AD為模擬量輸入模塊,G-20N為220 V的AC輸入模塊。

第三級控制為產(chǎn)品裝車控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了雙軌裝車模式,由A、B 2個(gè)操作臺(tái)同時(shí)執(zhí)行裝車任務(wù)。在2個(gè)操作臺(tái)處分別安裝機(jī)械電子軌道衡,當(dāng)裝車完畢后,工作人員只需要在DCS-8 CPU主機(jī)中輸入車輛編號(hào)和裝載量[7],便可實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝車。不僅如此,當(dāng)車輛發(fā)生超載時(shí),控制室還會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒,同時(shí),簸箕在裝滿一輛車后自動(dòng)提起,車輛前移繼續(xù)裝下一輛車。產(chǎn)品裝車控制框架圖如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品裝車控制框架圖

圖4中,DCS-8 CPU為512點(diǎn)的CPU,U-01EW為擴(kuò)展電源模塊,U-01DM為通訊模塊[8],U-01AD為模擬量輸入模塊,其余均為I/O模塊。

2.2 集散DCS控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DCS系統(tǒng)下選煤廠集散控制系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的控制算法,其傳遞函數(shù)表達(dá)形式為

(1)

式中,Kp表示比例增益[9],Tis和Tds分別表示積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td的系數(shù),G表示函數(shù)系數(shù),E表示修正偏差。

已知在DCS系統(tǒng)中,G的取值范圍在10～100之間。為了方便計(jì)算,對式(1)進(jìn)行離散化處理得到:

(2)

式中,R(n)和I(n)分別表示采樣周期n={1,2,…,N}中積分增益[10]和微分增益[11]。由此可得,DCS系統(tǒng)下PID控制算法是由比例增益、積分增益和微分增益3部分組成。

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理,消除數(shù)據(jù)中的噪聲干擾后,完成基于DCS系統(tǒng)的選煤廠集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),該系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)功能:

(1) 可實(shí)時(shí)監(jiān)測并顯示選煤廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),對于異常情況發(fā)出報(bào)警提醒;

(2) 改善車輛計(jì)量方式,提高操作人員的工作效率;

(3) 對于選煤廠內(nèi)設(shè)備的管理情況和產(chǎn)出煤情況進(jìn)行自動(dòng)打印;

(4) 實(shí)時(shí)展現(xiàn)原煤倉和產(chǎn)品倉的煤位變化情況;

(5) 選煤廠中所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和煤位變化情況均可由CRT彩顯進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示。

3 系統(tǒng)性能測試與分析

為了驗(yàn)證DCS系統(tǒng)在選煤廠集散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況,將其與應(yīng)用DCS系統(tǒng)前的集散控制系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。實(shí)驗(yàn)研究對象為南方某大型選煤廠,每年洗選煤質(zhì)量高達(dá)300萬噸。該廠現(xiàn)有集散控制系統(tǒng)共包含3個(gè)子系統(tǒng),分別是原煤準(zhǔn)備子系統(tǒng)、水洗裝倉子系統(tǒng)和產(chǎn)品裝車子系統(tǒng)。該選煤廠共有不同型號(hào)的機(jī)電裝置204臺(tái),裝機(jī)容量高達(dá)53 966 kW,選煤工藝主要實(shí)行跳汰選煤法。

該廠將原煤準(zhǔn)備子系統(tǒng)和水洗裝倉子系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)立,二者共用一個(gè)控制室,即主控室。主控室與產(chǎn)品裝車控制室之間通過CCM2通信網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸。選煤廠設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)過程管理均通過COMPAQ微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

在2023年初,該選煤廠設(shè)備總是出現(xiàn)無故停車現(xiàn)象,經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)是PLC設(shè)備老化導(dǎo)致服務(wù)器運(yùn)行不穩(wěn)定引起的,但是該系列產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn),更換后的服務(wù)器和CPU(中央處理機(jī))與原始設(shè)備不兼容,導(dǎo)致該廠集散控制系統(tǒng)無法啟動(dòng),嚴(yán)重影響正常洗選煤工作。為此,利用DCS系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)了一種集散控制系統(tǒng)。本文選取了一部分受控設(shè)備進(jìn)行分析,如表1所示。

表1 選煤廠部分受控設(shè)備

該廠集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 選煤廠集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 控制范圍對比

由于選煤廠規(guī)模普遍較大,設(shè)備眾多,而且每種設(shè)備之間屬性、運(yùn)行狀態(tài)存在差異,對集散控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為此,將應(yīng)用DCS系統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)與應(yīng)用的系統(tǒng)在控制范圍方面展開了對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。

圖6 應(yīng)用DCS系統(tǒng)前后集散控制系統(tǒng)控制范圍對比

通過觀察圖6可以看出,應(yīng)用DCS系統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)要比應(yīng)用前的控制范圍大了約3倍左右,說明DCS系統(tǒng)針對分散設(shè)備具有同步控制的能力,在一定程度上提高了選煤廠對設(shè)備的控制能力和效率。而應(yīng)用DCS系統(tǒng)前的技術(shù)只能針對少數(shù)設(shè)備和較小范圍進(jìn)行控制,難以取得理想的集散控制效果。

3.2 控制效率對比

控制效率對于選煤廠來說至關(guān)重要,選煤廠一個(gè)小時(shí)的洗選煤量一般可達(dá)到幾噸甚至幾十噸,為此,對應(yīng)用DCS系統(tǒng)前后的集散控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn),對比2種集散控制系統(tǒng)的控制效率,結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,應(yīng)用DCS系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的控制時(shí)間始終在2 s以下,控制效率明顯高于應(yīng)用前的系統(tǒng),說明DCS系統(tǒng)對于選煤廠設(shè)備有著良好的控制效果,可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速控制,保證洗選煤效率。

3.3 系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間對比

面對選煤廠海量的設(shè)備數(shù)據(jù),集散控制系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間要越長越好。當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)分別為0.5×109T、1.0×109T、1.5×109T、2.5×109T時(shí),對比應(yīng)用DCS系統(tǒng)前后集散控制系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間,結(jié)果如圖8所示。

(a) 應(yīng)用DCS系統(tǒng)后

(b) 應(yīng)用DCS系統(tǒng)前圖8 應(yīng)用DCS系統(tǒng)前后集散控制系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間對比

從圖8中可以很明顯地看出,應(yīng)用DCS系統(tǒng)后,集散控制系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間均達(dá)到了理想極值,而應(yīng)用DCS系統(tǒng)前的系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間均未達(dá)到理想極值。

4 總結(jié)

由于選煤廠中設(shè)備眾多、且呈現(xiàn)分散式分布,管理難度較大,為此,設(shè)計(jì)選煤廠集散控制DCS系統(tǒng)。在確定了選煤廠部分受控設(shè)備后,從硬件和軟件兩方面分別對集散控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),硬件從微機(jī)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、原煤和水洗系統(tǒng)、產(chǎn)品裝車系統(tǒng)3個(gè)層級對選煤廠設(shè)備進(jìn)行了控制,軟件則是利用PID算法描述了控制算法。在某大型選煤廠中對比應(yīng)用DCS系統(tǒng)前后集散控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能,結(jié)果表明,應(yīng)用DCS系統(tǒng)后,集散控制系統(tǒng)在控制范圍、控制效率以及續(xù)航時(shí)間方面均優(yōu)于應(yīng)用前的系統(tǒng),可在一定程度上幫助選煤廠提高生產(chǎn)效率。