選煤廠配煤控制系統軟硬件系統設計研究

陳曉勇

（霍州煤電集團有限責任公司供電分公司，山西霍州 031400）

1 概況

配煤技術作為清潔煤技術和煤炭焦化工藝的重要組成內容，在實施過程中需要精準測量混煤參數，一般是通過人工計算等方式進行混煤半自動配比，再根據配比通過配煤系統實施混煤配制。但是這類配煤系統存在配煤精準性不足、生產過程自動化程度低、工人操作能力依賴高、無法實現配煤和裝車檢測、傳感器采集數據未參與自動控制等問題，制約著選煤廠配煤生產成本和生產效率。因此，本文以李雅莊選煤廠為研究對象，針對該選煤廠原配煤控制系統存在的問題，設計了一種配煤系統軟硬件系統設計方案，為現有配煤控制系統優化調整提供支持。

2 選煤廠配煤控制系統硬件規劃設計

李雅莊選煤廠配煤控制系統主要包括S7-300 PLC、上位機、倉位儀、瓦斯檢測儀、鼓風機、分料翻板、振動給煤機、帶式輸送機、電子皮帶秤、軌道衡、平煤器、調車絞車、漏煤斗、攪拌器等硬件設備，配煤控制系統至今已應用多年，在應用中表現出諸多問題。為滿足選煤廠配煤控制自動化發展要求，結合李雅莊選煤廠實際情況，新設計的系統額外設置多種外圍設備和控制設備，具體設備型號見表1 和表2。

表1 系統新增外圍設備Table 1 New peripheral equipment added to the system

表2 系統新增控制設備Table 2 New control equipment added to the system

基于原系統設備與新增系統設備，對新系統進行硬件總線布置設計，重新布置后的系統硬件總線如圖1 所示。

圖1 系統硬件總線布置Fig.1 System hardware bus layout

系統控制設備與硬件總線均布設于配電室的電器柜中，涉及控制設備包括變頻器、PLC 控制系統、電機保護器等。變頻器兩端分別連接稱重給煤機的電機三相進線和PLC 的AO 輸出端；電機保護器兩端則分別連接稱重給煤機電機進線端和智能網關，由智能網關實現通信協議轉換；在原有PLC控制系統的基本上，再新增一套PLC 控制系統作為新增軟硬件系統。硬件總線則作為系統中各子系統之間的數據傳輸通道。

新增PLC 控制系統與原PLC 控制系統之間通過交換機達成數據交互。在新系統投運后，原PLC控制系統將軌道衡、倉位儀、瓦斯檢測儀等設備采集的數據信息傳輸至新PLC 控制系統；數據信號經由交換機傳輸后，通過光纖收發器將數據信號轉換為光信號，由光纖傳輸至上位機，經過上位機的分析和處理后，利用光纖收發器將處理后的光信號轉換成電信號接入環網[1]；電機保護器輸出的故障電流根據Device 通信協議傳輸至智能網關，由智能網關轉換至Profibus-DP 協議數據后，再傳輸至新PLC 控制系統；變頻器形成的控制信號經由控制器輸出至鼓風機、皮帶機等執行設備，相關執行設備在接收控制信號后，通過“DI 模塊+繼電器”的控制方式實現設備的啟?？刂?。

3 選煤廠配煤控制系統配煤環節程序設計

3.1 配煤主程序

此次設計的選煤廠配煤控制系統軟硬件系統中配煤環節主程序運行流程如圖2 所示。

圖2 配煤環節主程序運行流程Fig.2 Main program operation flow of coal blending link

系統運行過程中，操作人員先通過設置在值班室的上位機輸入混煤配比單、預設配煤灰分、配煤摻配煤種、預設煤流量、給煤機預設出煤量等諸多參數，然后啟動給煤機和皮帶機，系統根據預設參數自動控制各給煤機輸出量。

煤流經過給煤機輸送后落至煤倉下方皮帶輸送機，輸送機皮帶上布置有稱重傳感器，可實時采集各煤倉出煤流量，此流量數據在系統中作為調節總出煤量和當前煤種摻配比例的主要參考數據。從各煤倉輸送出的煤流通過轉運皮帶機匯流后形成混合煤，由轉運皮帶機中部設置的攪拌器進行充分混勻后，利用灰分測量儀檢測混勻后產品煤的灰分，采集的灰分數值反饋至新PLC 控制系統。由PLC 控制系統根據反饋灰分數據對當前配比進行動態化調節，保障產品煤質量。

3.2 安全監測程序

此次設計的選煤廠配煤控制系統軟硬件系統中配煤環節安全監測程序運行流程如圖3 所示。

圖3 配煤環節安全監測程序運行流程Fig.3 Operation process of safety monitoring program in coal blending link

安全監測程序主要涉及倉位儀、瓦斯傳感器等傳感器和皮帶限制設備和電機保護器等執行設備，其中電機保護器主要用于稱重給煤機電機的運行保護。具體應用過程中系統程序會實時監測稱重給煤機是否存在接地電流超限情況，在發現出現超限問題后自動停止配煤系統，并發出緊急報警；倉位儀設置在煤倉頂部中心位置，在實際應用中可以向煤倉發射紅外線，紅外線經過煤層折射后返回至倉位儀，倉位儀根據折射后接收的紅外線測定煤倉中煤位變化，原配煤控制系統的煤倉高度閾值設定為25 m，新系統的煤倉高度則增加至30 m；瓦斯傳感器設置于煤倉底部，用于實時采集煤層中瓦斯濃度變化，在給煤機未啟動情況下，煤倉內部瓦斯濃度相對較低，在給煤機開啟后，由于擾動影響，煤倉內粉塵濃度上升，使整體瓦斯含量上升，基于此特點，將新系統煤倉靜態時瓦斯濃度閾值設置為0.5%，動態時則需根據實際情況進行動態化調整。

3.3 其他程序

除了主程序和安全監測程序以外，配煤環節程序還包括數據濾波子程序、延時處理子程序等。數據濾波子程序采用卡爾曼濾波方法，此方法濾波效果較為明顯，可有效降低輸入數據的噪聲問題；延時處理子程序則綜合考慮煤流經由給煤機下落至皮帶秤、煤倉與煤倉之間、煤倉與灰分儀之間存在的延時運行問題，綜合控制因延時而造成的數據誤差。

4 選煤廠配煤控制系統裝車環節程序設計

4.1 主程序

根據李雅莊選煤廠車輛運輸的實際情況，此次設計的新系統配煤過程與裝車過程同步進行。裝車環節主程序涉及參數數據包括裝車車號、裝車煤種、裝車車道、裝車數量、裝車重量、車廂載重等。相關參數均會通過傳感器設備進行數據采集后傳輸至上位機中，新PLC 控制系統根據采集數據控制分料板動作，將分料板調整至預定位置后，啟動帶式輸送機進行裝車操作。

此過程中，灰分儀自動檢測產品煤經過分料板時的灰分參數，將采集數據反饋至新PLC 系統和上位機。另外，產品煤在裝車時也會采集煤流量數據，在裝車煤流量達到預定值后，系統自動停止配煤操作，實施煤倉切換的同時，通知車輛和相關人員執行裝車檢查和移車操作，直至完成整改裝車過程。選煤廠配煤控制系統裝車環節主程序流程如圖4 所示。

圖4 裝車環節主程序運行流程Fig.4 The main program running process of loading link

5 工程應用

將設計的新系統在李雅莊選煤廠中進行實踐，在經過近3 個月的應用后，確認改造后的新系統基本可滿足選煤廠配煤、裝車等需求。為更為直觀地對比新系統的改進效果，對比分析改造前和改造后配煤控制系統的配比和灰分變化，具體情況如圖5和圖6 所示。

圖5 原配煤控制系統的配煤曲線Fig.5 Coal blending curve of original coal blending control system

圖6 新配煤控制系統的配煤曲線Fig.6 Coal blending curve of new coal blending control system

如圖5 所示，在配比方面，原配煤控制系統僅能夠在集中固定比例中進行調整，無法實現精細化、動態化配比控制，并且系統每次調整均會導致給煤機配比出現較大變化。在灰分方面，當實際配比與配比單較為類似時，產品煤的實際灰分比例僅有22%，遠低于預設值的25%。

如圖6 所示，在配比方面，新配煤控制系統不僅可實現配比的動態化自動控制，還將配比波動控制在2%以內；在灰分方面，當實際配比與配比單較為近似時，產品煤的實際灰分比例為24.5%，此灰分更接近于預設灰分，并且還預留一定的余量，避免灰分波動造成的灰分超限情況?？傮w來說，新系統配比控制、灰分控制效果更優秀。

6 結語

綜上所述，在李雅莊選煤廠原有配煤控制系統的基礎上，設計了一種選煤廠配煤控制系統軟硬件系統設計方案。根據工程實踐應用結果可知，相較于李雅莊選煤廠原配煤控制系統，新配煤控制系統在配比控制、灰分控制等方面均表現出更強的應用優勢，設計的新配煤系統應用效果良好。