煤炭洗選智能化控制系統的優化設計

摘 要：在我國社會發展轉型的大背景下，傳統的煤炭洗選系統已經無法適應如今社會發展的需求。為了提升煤炭洗選廠的經營效益，本文采用系統設計的方法，以A洗選廠為例，分析了洗選控制系統存在的問題，并在此基礎上提出了優化設計方案，制定了硬件和軟件系統的設計策略。本文設計的煤炭洗選智能化控制系統大幅提升了煤炭洗選的質量和效率，能夠為煤炭生產企業升級改造洗選系統提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：洗選系統；智能化控制；系統設計

中圖分類號：TD 92" " " 文獻標志碼：A

隨著工業制造行業的發展，我國對能源的需求量也在逐漸增加。煤炭是我國主要能源之一，煤炭的開采與使用非常重要。在煤礦生產中，作為生產中的重要一環，煤炭洗選可以提高煤炭作業的生產效率，提升煤礦企業經濟效益。隨著現代科學技術的進步，傳統煤炭生產工藝和裝備遺留的問題漸顯，在一定程度上阻礙了煤礦產業的健康發展。在煤炭洗選過程中，為了實現自動控制、提高效率并保障洗選質量，煤礦企業會積極引入各種先進設備和技術來提升煤炭洗選系統的自動化、智能化程度。由于科學技術迭代更新速度較快且煤礦洗選系統的日常使用消耗較大，因此需要及時對煤炭洗選系統進行優化設計，才能確保其時刻處于良好運行狀態。因此對煤炭洗選系統進行自動化升級改造，可以提升煤礦作業的整體效率，并降低能耗，實現煤炭生產的提質增效目標。

1 煤炭洗選控制系統存在的問題

A煤炭洗選廠成立于2006年，設計規模為20.0Mt/a，原煤煤種牌號為長焰煤、不黏煤，共設有2個相對獨立的洗選系統。該洗選廠從建立至今一直處于運營狀態，出現了設備老化嚴重、自動化程度較低的問題，嚴重影響了洗選作業效率。A煤炭洗選控制系統現今存在的主要問題如下。

1.1 軟硬件兼容性較差

由于A煤炭洗選廠建設時我國工業體系建設尚不完善，因此大多數煤炭生產設備都是從國外進口的。例如煤炭洗選設備，多數從德國、日本等國家采購。但這些設備均根據制造國的執行標準生產，在A煤炭洗選廠應用過程中會出現選型不匹配和系統兼容性較差的問題，為后期的系統升級改造帶來了較大困難。

1.2 集成化程度較低

由于在前期設計和建設過程中，A煤炭洗選廠的布局缺乏合理性，導致各作業流程之間相對獨立，未充分考慮協調運行的問題，使提升系統、運輸系統和重介洗選系統等各環節處于獨立作業狀態，每個系統都有專屬的供電線路，就為進行多級控制管理帶來了較大困難。

1.3 維護保養成本高

隨著設備不斷升級改造，綜合考量經濟成本，A煤炭洗選廠更新了使用時間過長的設備，并升級了控制系統。雖然可以在一定程度上提升設備的工作效率，但也會造成設備型號多樣、系統運行不協調的問題[1]。隨著生產線不斷擴大，設備逐漸增多，對設備的維護保養和運行監控成為沉重的負擔，尤其對老化設備進行運行維護的成本將大幅增加，嚴重影響了選煤廠的生產效益。

2 煤炭洗選系統智能化控制優化方案

2.1 監測、監控系統優化

煤礦洗選廠敷設各種有線網絡，實際工作環境相對惡劣，導致傳輸線路在實際運作中容易出現故障，維護工作難度較大?？紤]煤礦洗選廠實際工作環境，可以利用無線信息高速路解決有線網絡敷設和維護難度大的問題。該網絡架構可以提供穩定的上下行傳輸能力，還能完全整合現有的有線檢測系統。同時，數據計入設備的互聯使各設備之間能夠相互傳輸控制數據，并通過網絡將這些數據傳輸到調度中心和監控服務器。該解決方案將有助于提高洗選廠的智能化管理水平，并提升工作效率和數據傳輸的穩定性。

2.2 視頻調度功能優化

基于智能化建設要求，可以通過移動監控點手持臺快速回傳現場視頻數據。具體視頻調度的運作流程如圖1所示。

根據圖1可知，該視頻調度功能能夠實現多媒體視頻調度處理，從而能全面提升緊急事件處置響應速度。

2.3 現場移動控制系統優化

煤礦洗選廠內的巡視人員可以通過手持終端對生產現場進行移動控制和全面監測。具體功能如下。1）搭建無線網絡覆蓋。在巡檢主要區域和路線上搭建無線網絡，確保整個廠區范圍內覆蓋無線網絡。巡視人員可以通過手持終端在任何地方進行操作和監測。2）區域范圍覆蓋。該無線網絡覆蓋的區域范圍包括篩分車間、原煤倉下、轉載站、棧橋、壓風機房、變配電所以及辦公樓等廠區范圍。3）終端數量增加。本文的設計在原有2臺移動終端的基礎上增加了控制終端。這些控制終端可以供巡視人員對生產現場進行移動控制和全面監測。

通過上述安排，巡視人員可以借助手持終端在廠區范圍內的生產現場進行移動控制和全面監測。無線網絡的覆蓋范圍涵蓋了關鍵區域并提供了可靠的無線連接。增加的控制終端數量可以滿足巡視人員的需求，使其能夠及時獲取并處理現場數據。本文的設計可提升巡視工作的效率和準確性，對廠區的安全和生產運營具有重要意義。

2.4 振動和溫度監測功能優化

振動分析功能主要運用軸承故障分析加速包絡和諧波等技術進行分析，包括全新的軸承故障數據庫。結合變頻設備的邏輯控制報警功能，系統可對齒輪箱故障進行CTA分析處理。同時，傳統器件可以與系統上位機軟件進行自動化對接，構建全新的后臺數據庫，更好地對數據庫進行集成處理。

為了保護傳感器，并確保其在煤礦洗選廠的實際情況下有效運行，傳感器的具體防護等級應達到IP54級別或以上[2]。傳感器的檢測靈敏度、范圍和頻率應與煤礦洗選廠的要求相匹配。傳感器采集的數據包括溫度、振動等相關信息。傳感器的使用和安裝應能適應現場實際環境。

集成振動和溫度數據能有效展現監控系統平臺的信息，并結合設備的健康狀態級別進行預警和報警，以對傳感器的健康狀態進行分析，并進行統一配置和集中管理。

通過上述改進，振動分析功能能夠更好地應用于煤礦洗選廠，有效監測設備的狀態，并在必要時發出預警。傳感器的健康狀態分析和統一配置能夠提升系統的效率和可靠性。

3 煤炭洗選系統智能化自動控制系統設計

煤炭洗選系統智能化自動控制系統的設計是一個復雜的過程，主要包括硬件系統和軟件系統2個部分。本文進行煤炭洗選智能化控制系統設計時，根據“管、控一體化”原則，建立集中控制系統，將現場所有設備（包括生產設備及輔助生產設備、閥門、閘板等）全部納入其中?？蓪χ饕a環節進行自動化控制與檢測，對關鍵設備和關鍵環節進行監控，對主要生產指標及設備工況信息進行實時采集，并同時實現了系統與上級企業網之間的互聯，以便進行遠程監控和信息共享。

本文設計的煤炭洗選智能化自動控制系統如圖2所示。該系統框架主要是由檢測儀表、測量元器件、電氣設備、PLC單元、智能顯示終端、UPS以及現場操作箱等部分組成。其中，現場操作箱主要負責將操作指令發送至PLC智能控制系統中。配電系統主要是為各種電氣設備供電。PLC智能控制系統是該洗選系統的核心部件，不僅負責接收智能顯示終端的控制指令，還負責向現場操作箱、傳感器發送操作指令，控制洗選電氣設備。UPS不間斷電源主要負責在斷電情況下繼續為系統正常工作提供電力。由該系統的設計框架可以看出，可以通過現場操作站、操作箱和智能顯示終端來控制煤炭洗選設備。

3.1 硬件系統設計

由系統框架可以看出，該系統主要是由PLC、雷達物料計、傳感器、變頻器、UPS以及接近開關等部件組成。

3.1.1 PLC

與繼電器控制相比，PLC控制系統是一種具有穩定性高、操作簡便等優點的優良操作系統[3]。本文系統設計采用瑞典STC公司生產的STC89C52系列PLC。該款PLC整體布局緊湊、模塊化程度高，是一種具有低功耗、高性能的CMOS8位微芯片控制器。內部存儲器包括一個8kB容量的Flash，512B容量的RAM，32位的I/O控制端口線，看門狗定時器，4億kB容量的EEPROM計數器和一個MAX810復位電路，3個16位向量的定時器/計數器，4個外部中斷，一個7位向量的4級中斷結構（兼容于傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行通信口具有強大、可靠的通信功能，可以完全勝任本系統的所有控制任務。

該煤炭洗選智能化自動控制系統采用的PLC分配方式為自動分配，該分配方式的安裝地址可以隨意設定，輸入、輸出地址可以進行間斷和連續切換。該控制系統的設計需要使用的數字輸入量、數字輸出量均為10個，模擬輸入量、模擬輸出量均為5個，可檢測各種傳感信號。STC89C52單片機的I/O接口配置見表1。

3.1.2 傳感器

本文系統設計采用的傳感器主要有溫度傳感器和速度傳感器。溫度傳感器主要用于監測系統關鍵電氣設備的運行溫度，而速度傳感器則用于監測洗選系統的運行速度[4]。本文采用的是LM-PT100溫度傳感器，其溫度采集范圍為-40℃～+85℃，具有反應靈敏、穩定性強的優點。采用的速度傳感器型號為GTS211A，檢測頻率范圍為1Hz～10000Hz，檢測速度范圍為1r/min～20000r/min，工作電壓為DC 6V～24V，運行溫度為-25℃～+75℃。

3.1.3 UPS

UPS不間斷電源主要用于在電力系統發生故障情況下為煤炭洗選系統供電。結合選煤廠的實際需求和洗選系統的工作負載情況，本文選取的UPS不間斷電源型號為APCSMT750ICH，容量為50VA/500W，輸入電壓范圍為160V～286V，輸出電壓范圍為220V～240V，擁有AVR自動電壓調整功能、可自定義的電源管理功能以及多重安全保護功能等，是一款性能卓越、工功齊全且安全可靠的設備，可以滿足本文系統的使用需求。

3.1.4 智能顯示終端

本文系統設計使用的智能顯示終端為西門子的KTP1200 Basic PN。采用面向對象的設計理念，可根據操作人員的工作特點來設計與其相匹配的友好人機界面，支持多種通信協議，如Profibus、Profinet和EtherNet/IP等，可與其他設備進行便捷通信，并進行智能化控制。它可以結合工作需要來引導操作人員對現場進行管理。此外，該智能終端還具有可選的冗余功能，使其可以更好地滿足復雜環境下的多種需求[5]。系統中的該觸摸屏和PLC通過CAN總線進行連接，以實時監控和控制煤炭洗選系統工作狀況。

3.1.5 電路系統

智能顯示終端電路的第一個引腳為接地；第二個引腳接電源端口；第三個引腳則先外接一個3K電阻，再接地，以便調節顯示終端的顯示效果；第四個引腳RS為顯示終端寄存器的選擇端口，采用二進制計算方法，其中0表示顯示儀發出的指令，1表示顯示儀發出的數據，最終連接到89C52單片機的P25引腳上；第五個引腳RW為顯示終端的讀寫端口，與89C52單片機的P26引腳相連接；第六引腳為顯示終端的執行命令使能引腳，和單片機的P27引腳相連接；第七引腳～第十四引腳是D0～D7的8位雙向數據端口，這段引腳分別與89C52單片機上的P0～P7端口相對應；剩下的第十五引腳、第十六引腳為顯示終端的空腳端口和背光電源端口。此外，顯示終端的正極接VCC，負極接GND。

3.2 軟件系統設計

3.2.1 PLC程序設計

結合洗選控制系統所應具備的功能，統計開關量輸入點、模擬量輸入點等數據信息，并完成相應的邏輯功能控制。采用PLC對模擬量進行處理時還應區分電壓輸入信號和電流輸入信號，以確保數據處理的精度。PLC智能控制系統還應與智能顯示終端之間建立CAN通信連接，在此，本文采用CAN2.0B29為擴展幀，波特率為250kB/s。將PLC設為CAN通信主站，將智能顯示終端設為CAN通信分站，并設定分站地址為0X99，建立TxPDO/RxPDO通信，每條CAN通信連接傳輸8字節數據。

PLC與洗選系統人機界面同樣通過CAN總線連接。本文設定洗選系統人機界面平臺分站號地址為0X89。PLC智能控制系統和操作站之間通過TCP/IP通信協議連接，只需獲取操作站的IP地址和端口號即可[6]。本文還基于PLC完成了煤炭洗選智能化控制系統的報警設置。當系統運行出現故障時，PLC智能控制系統會向聲光報警裝置發送動作指令，并同時在智能終端界面顯示故障具體信息，從而幫助技術人員及時解決故障問題。本文設計的煤炭洗選系統工藝流程如圖3所示。

3.2.2 人機界面設計

本文設計的煤炭洗選智能化自動控制系統人機界面主要分為主畫面、運行參數顯示、儀表參數、顯示終端操作以及歷史數據曲線、故障報警等模塊。PLC智能控制系統通過CAN總線將洗選系統的實時運行數據傳送至人機界面，并以動畫形式對洗選過程進行動態顯示。此外，在人機交互界面還可以對洗選系統進行啟動、停止等控制操作。

4 結語

綜上所述，本文設計的煤炭洗選智能化自動控制優化方案采用TCP/IP協議和CAN控制總線建立洗選系統的數據傳輸模式。在該模式中，以PLC智能控制系統為核心，對煤炭洗選系統進行智能化控制，不僅能顯著提升系統運行效率，還解決了傳統洗選系統兼容性差、維護成本高的問題，對推動選煤廠的可持續發展具有重要意義。

參考文獻

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[6]張金平，秦書明.王莊煤業地面洗選智能監控系統的設計與應用[J].煤礦機械，2015，36（7）：245-247.