坪上煤業(yè)配煤系統(tǒng)的自動化改造研究

寧衛(wèi)衛(wèi)

（山西晉煤集團(tuán)安信檢測有限公司， 山西 晉城 048006）

1 現(xiàn)場概況

坪上煤業(yè)洗煤廠是沁秀公司下屬年入洗能力300萬t的大型現(xiàn)代化洗煤廠，目前共加工六個品種商品煤：洗中塊、洗小塊、洗末煤、5 200 kcal末煤、5 800 kcal末煤、23灰分末煤，需要通過配煤方式來控制5 200 kcal末煤、5 800 kcal末煤、23灰分末煤的灰分。由于井下煤質(zhì)波動較大且變化頻繁，末煤產(chǎn)品灰分不好控制。為滿足用戶需求需要進(jìn)行配煤。目前配煤是在產(chǎn)品倉下通過人工控制不同品種（高灰末煤、低灰末煤、洗末煤）的給煤機(jī)的給入量來完成配煤，配煤的可靠度和精度都無法得到保證。因此非常有必要對原人工配煤工藝進(jìn)行自動化改造，促進(jìn)礦井高效、綠色生產(chǎn)。

目前洗煤廠分別在5198、5101、5102和5305皮帶上安裝有同位素測灰儀，分別檢測二廠篩末、一二廠篩末、一廠洗末產(chǎn)品的灰分值。其中5101皮帶收集洗末煤進(jìn)入一個洗末倉（洗末煤，灰分11%），倉下通過給煤機(jī)轉(zhuǎn)載至5305皮帶上，5102皮帶收集一廠和二廠的篩末煤進(jìn)入兩個倉，分別是高灰篩末倉（5 200 kcal篩末，灰分26%左右）和低灰篩煤倉（原煤篩末，灰分23%左右），倉下通過給煤機(jī)轉(zhuǎn)載至5305產(chǎn)品皮帶上。

2 自動配煤原理

如圖1所示，原煤從給煤機(jī)運(yùn)至皮帶時(shí)，會通過皮帶秤將落煤質(zhì)量轉(zhuǎn)化為流量電信號傳輸至PLC，同時(shí)以在線灰分儀的實(shí)時(shí)檢測值為反饋，與給定值比較得到偏差，然后以偏差值送入控制系統(tǒng)，通過程序計(jì)算得出配比比例，將比例信號及煤量調(diào)整信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出至給煤機(jī)，驅(qū)動電液推桿動作或者變頻器調(diào)整使之達(dá)到煤量調(diào)整的目地，最終完成自動配煤[1]。

圖1 配煤工藝原理圖

3 系統(tǒng)改造

3.1 給煤機(jī)電液推桿的改造

對山上產(chǎn)品倉高灰倉下5105、5107給煤機(jī)和低灰倉下5109、5111給煤機(jī)電液推桿進(jìn)行改造，增加行程傳感器測量推桿當(dāng)前位置，將推桿就地手動改造為遠(yuǎn)程手動控制方式，完成自動配煤系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)電液插板的改造。

首先在山上3號點(diǎn)配電室對精煤上倉控制系統(tǒng)PLC站進(jìn)行改造，增加模擬量輸入模塊IC694ALG221以及IC695ALG223用于接收電液推桿行程返回值以及灰分儀灰分信號和煤層厚度信號。其中灰分儀厚度信號返回地址為AI250，采用的是4～20 mA的信號，灰分儀灰分信號返回地址為AI261，采用的是 4～20 mA的信號；5105、5107、5109、5111電液推桿行程返回值分別對應(yīng)AI257—AI260，采用的是4～20 mA的信號。電液推桿控制每臺給煤機(jī)均有伸長和縮短兩個命令，一共對用8個動作，地址為Q115-Q122，如下頁圖2所示。

對現(xiàn)場電液推桿配電柜進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)電液推桿遠(yuǎn)程控制，同時(shí)通過程序?qū)崿F(xiàn)關(guān)停給煤機(jī)后自動關(guān)閉閘板。在現(xiàn)場伸長和縮短按鈕上并聯(lián)中間繼電器觸點(diǎn)，中間繼電器線圈接入PLC數(shù)字量輸出模塊即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，圖3為現(xiàn)場配電柜以及PLC模塊接線圖。

圖2 3號配電室控制柜改造

圖3 電液推桿改造原理圖及接線圖

采用S_ITI函數(shù)塊的方式編寫轉(zhuǎn)換子程序，實(shí)現(xiàn)電液推桿位置測量及轉(zhuǎn)換，其中FT（偏置）參數(shù)解決安裝不是零點(diǎn)的問題；采用TGD標(biāo)簽組的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)顯示。推桿伸長和縮短控制是通過按下畫面中按鈕實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)按下的時(shí)間長短來進(jìn)行長度調(diào)整，礦方提出采用直接輸入數(shù)值即可進(jìn)行推桿控制。于是設(shè)置推桿動作參數(shù)為50 mm/s，編寫程序完成了該功能。其程序?qū)崿F(xiàn)流程與上位機(jī)畫面如圖4所示。

圖4 電液推桿遠(yuǎn)程控制及行程顯示示意圖

3.2 給煤機(jī)推桿行程、頻率、煤層厚度與煤量關(guān)系的測量

測量高灰倉下及低灰倉下電液推桿行程-煤量關(guān)系，測量洗末倉下5172和5173給煤機(jī)變頻器頻率-煤量關(guān)系，根據(jù)皮帶運(yùn)行速度為2.5 m/s，采用測量單位長度（1.25 m或者0.5 m）內(nèi)皮帶的煤量進(jìn)行估算。對5305皮帶灰分儀進(jìn)行改造，增加信號隔離轉(zhuǎn)換器，將灰分信號及煤層厚度信號引入自動配煤系統(tǒng)PLC中，測量煤層厚度-煤量關(guān)系作為煤量反饋依據(jù)[2]，如圖5所示。

圖5 山上5305皮帶上灰分儀煤層厚度信號輸出

敷設(shè)灰分儀到3號配電室PLC控制柜4芯電纜500 m，將煤層厚度信號通過電壓-電流信號隔離變換器從灰分儀0～20 mA的信號引出至PLC AI250輸入點(diǎn)，將灰分信號從灰分儀4～20 mA的信號引出至AI261點(diǎn)，在程序中進(jìn)行變換最終得到灰分信號和厚度信號。通過灰分儀上位機(jī)軟件設(shè)置，取煤層厚度10 s內(nèi)的平均值作為輸出。然后測量煤層厚度-煤量關(guān)系曲線，作為總煤量調(diào)整的依據(jù)。

4 自動配煤流程算法

4.1 系統(tǒng)流程

收集5101皮帶上灰分儀數(shù)據(jù)作為洗末煤的輸入灰分，搜集5102皮帶上灰分儀數(shù)據(jù)作為高灰或低灰煤的輸入灰分，以5305皮帶上灰分儀的灰分?jǐn)?shù)據(jù)和煤層厚度數(shù)據(jù)作為灰分及煤量的檢測及反饋環(huán)節(jié)，通過調(diào)整山上產(chǎn)品倉中洗末倉下的變頻給煤機(jī)頻率及篩末倉下給煤機(jī)插板開度作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3]，為山下產(chǎn)品倉提供合格的末煤產(chǎn)品，即高灰篩末和低灰篩末（原煤篩末）產(chǎn)品。以選煤廠山上三號配電室現(xiàn)有GE Rx3i PLC為控制平臺，在現(xiàn)有平臺上開發(fā)配煤軟件及畫面，完成山上系統(tǒng)的自動配煤。

系統(tǒng)流程如下頁圖6所示，系統(tǒng)有三種不同煤種的煤倉，分別為灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%左右的洗末煤，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的高灰篩末煤，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的低灰篩末煤。每個煤倉下面有四臺給煤機(jī)，負(fù)責(zé)出煤至皮帶上，其中洗末倉下給煤機(jī)采用變頻控制，而高灰和低灰倉給煤機(jī)采用電液推桿控制。參與自動配煤的給煤機(jī)分別為洗末倉下的5172和5173給煤機(jī)，高灰倉下的5105和5107給煤機(jī)，低灰倉下的5109和5111給煤機(jī)。

圖6 配煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)及算法

山上自動配煤系統(tǒng)主要功能為數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換、啟停皮帶機(jī)及給煤機(jī)、檢測煤灰分及質(zhì)量、調(diào)節(jié)相應(yīng)給煤機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)灰分穩(wěn)定、調(diào)節(jié)相應(yīng)給煤機(jī)電液推桿實(shí)現(xiàn)煤量穩(wěn)定，系統(tǒng)具有故障報(bào)警功能，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示。主要有地址映射、皮帶機(jī)啟停、給煤機(jī)啟停、電液推桿控制、自動控制算法、自動配煤算法等模塊組成，如圖7所示。

4.2.1 地址映射模塊算法

地址映射主要完成皮帶機(jī)和給煤機(jī)開關(guān)量輸入輸出映射，灰分儀灰分?jǐn)?shù)據(jù)和厚度數(shù)據(jù)輸入映射，厚度數(shù)據(jù)到煤量轉(zhuǎn)換，目的是進(jìn)行外部數(shù)據(jù)的輸入輸出轉(zhuǎn)換，為后續(xù)控制程序?qū)崿F(xiàn)做基礎(chǔ)，具體算法如圖8所示。

4.2.2 皮帶機(jī)起停模塊算法

皮帶機(jī)啟停主要完成接收上位機(jī)指令，根據(jù)條件完成皮帶起車并進(jìn)行鳴笛，同時(shí)根據(jù)條件完成皮帶機(jī)停機(jī)，具體算法如圖9所示。

4.2.3 給煤機(jī)啟停模塊設(shè)計(jì)說明

給煤機(jī)啟停主要根據(jù)上位機(jī)指令以及皮帶啟停情況，完成給煤機(jī)的啟動和停止，具體算法如圖10所示。

圖7 系統(tǒng)功能塊圖

4.2.4 電液推桿控制

電液推桿控制主要是監(jiān)測給煤機(jī)電液推桿位置，并根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的命令進(jìn)行伸長和縮短調(diào)整，同時(shí)具有給煤機(jī)停止即可自動關(guān)閉推桿的功能。具體算法如下頁圖11所示。

圖8 地址映射模塊流程

圖9 皮帶機(jī)起停車模塊算法流程

圖10 給煤機(jī)啟停模塊算法流程

4.2.5 自動控制算法

自動控制算法主要完成灰分及煤量平均值的計(jì)算，同時(shí)根據(jù)灰分反饋值進(jìn)行給煤機(jī)頻率的調(diào)整，根據(jù)煤量進(jìn)行電液推桿開度的調(diào)整，其算法流程如下頁圖12所示。

圖11 電液推桿控制模塊算法流程

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

本系統(tǒng)于2018年11月完成安裝調(diào)試，目前已經(jīng)調(diào)試4套變頻器、3個無線數(shù)據(jù)采集儀、11臺攝像儀、2臺工控上位機(jī)，完成了5198皮帶灰分儀、電液推桿及配電室改造，通過增加RX3i PAC模塊滿足控制系統(tǒng)的需要。目前值班人員通過系統(tǒng)軟件來自動控制現(xiàn)場給煤機(jī)、插板等配煤設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了多種煤樣的精準(zhǔn)配比，配煤精度可以達(dá)到目標(biāo)灰分值的±1%（取一個小時(shí)的平均值）。

圖12 自動控制算法流程

6 結(jié)語

本項(xiàng)目完成了對現(xiàn)有末煤系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，通過編制PLC和上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備（給煤機(jī)和插板）自動控制，實(shí)現(xiàn)了多種煤樣的精準(zhǔn)配比，配煤精度可以達(dá)到目標(biāo)灰分值的±1%（取一個小時(shí)的平均值）。系統(tǒng)操作簡單可靠，有效提升了末煤系統(tǒng)的自動化水平。