基于西門子PLC的煤泥烘干自動控制系統(tǒng)設(shè)計

李 祥

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036506)

煤泥是指煤粉含水所形成的混合物，屬于煤炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。根據(jù)煤炭的品種和煤泥形成過程的不同，煤泥性質(zhì)差別較大。由于我國大部分的煤泥具有水分高、粘性大、熱值低等特點(diǎn)，所以為了增加其使用價值，需要對煤泥進(jìn)行烘干。目前的煤泥干燥技術(shù)采用煤泥壓濾+滾筒加熱干燥技術(shù)。加熱干燥操作簡單，并且干燥后的煤泥熱值較高。煤泥烘干自動控制技術(shù)應(yīng)用于煤泥干燥工藝中，可以有效提高煤泥的干燥效率，減少環(huán)境污染，進(jìn)而實現(xiàn)煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展。

1 煤泥烘干系統(tǒng)設(shè)計的工業(yè)背景

山西省河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司選煤廠于2018年7月開始正式投產(chǎn)運(yùn)營，原設(shè)計生產(chǎn)能力洗原煤5.00 Mt/a，煤泥產(chǎn)率大致為5%～10%，每天生產(chǎn)煤泥約757.5～1 515 t。由于煤泥產(chǎn)品灰分較高、含水量高、經(jīng)濟(jì)效益差，以及煤泥堆放場地的限制，嚴(yán)重影響選煤廠的正常生產(chǎn)運(yùn)行。此外，由于煤泥產(chǎn)品露天堆放存在隨風(fēng)揚(yáng)塵、遭雨流失、久熱自燃的問題，不僅會嚴(yán)重造成礦區(qū)環(huán)境的二次污染，而且暗藏安全隱患[1]。

選煤廠為改善煤泥占地、污染環(huán)境的不利局面，通過使用煤泥烘干系統(tǒng)對煤泥烘干處理，最后使煤泥處理成粒度不大于13 mm，水分不大于14%的產(chǎn)品，增值為商品動力煤，形成單品進(jìn)行單獨(dú)銷售，或者與中煤混合銷售，從而提高了選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益[2]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該煤泥烘干系統(tǒng)以西門子S7-1500型PLC為控制核心，并與選煤廠其他控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)煤泥烘干過程控制，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。煤泥烘干系統(tǒng)應(yīng)用于整個選煤廠工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，既滿足該選煤廠控制系統(tǒng)的集中應(yīng)用管理，又能夠保證烘干系統(tǒng)的單獨(dú)運(yùn)行[3]。

圖1 煤泥烘干系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1看出，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首層為管理層，由集控平臺和監(jiān)控平臺組成。第二層為控制層，主要由低壓配電裝置、PLC 控制中心和指示設(shè)備3部分組成，其中，低壓配電裝置提供各設(shè)備的三相動力電源和PLC控制中心的控制電源，指示設(shè)備為傳統(tǒng)指示儀表，而PLC 控制中心主要由S7-1500系列PLC模塊和人機(jī)設(shè)備組成?？刂茖又饕獙崿F(xiàn)所有設(shè)備集中聯(lián)鎖啟/?？刂疲鶕?jù)各傳感器反饋，由PLC 控制中心輸出變頻器的給定，并通過人機(jī)設(shè)備顯示烘干系統(tǒng)生產(chǎn)線上各個設(shè)備的運(yùn)行情況，同時監(jiān)視電熱爐和烘干機(jī)等的出口溫度、濕度、壓力、濃度和運(yùn)行預(yù)警狀態(tài)等。最后一層為物理層，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器構(gòu)成。煤泥烘干自動控制系統(tǒng)中烘干機(jī)是關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，圍繞這個控制中心實現(xiàn)對煤泥烘干機(jī)、熱風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等的監(jiān)控和操作。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 煤泥烘干控制系統(tǒng)構(gòu)建

壓濾機(jī)回收的煤泥水分一般都超過20%，煤泥烘干系統(tǒng)使煤泥在旋轉(zhuǎn)破碎過程中經(jīng)過650～850 ℃的高溫?zé)犸L(fēng)進(jìn)行12～18 min的風(fēng)干處理，可將細(xì)煤泥濾餅處理成預(yù)期的煤泥產(chǎn)品進(jìn)行整合銷售[4]。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，構(gòu)建了煤泥烘干系統(tǒng)，如圖2所示，烘干系統(tǒng)包括刮板輸送機(jī)、干燥機(jī)、熱風(fēng)爐、引風(fēng)機(jī)等過程設(shè)備。整個系統(tǒng)在S7-1500PLC控制中心的作用下，采集干燥機(jī)、刮板機(jī)、熱風(fēng)爐、引風(fēng)機(jī)的狀態(tài)變量，通過控制熱源的溫度、煤泥的進(jìn)料速度、出料速度以及干燥機(jī)內(nèi)部壓力、溫度和濕度等，最終服務(wù)于滾筒干燥機(jī)的變頻控制，實現(xiàn)對煤泥烘干系統(tǒng)整體運(yùn)行的協(xié)同控制。

圖2 煤泥烘干設(shè)備系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用西門子的高端控制器S7-1500系列PLC，緊湊型CPU1512C-1PN，其集成了模擬和數(shù)字I/O、PROFINET通訊接口，適用于本系統(tǒng)設(shè)計。變頻器選用西門子S120(CU310DP+PM340)，該變頻器集V/F、矢量控制及伺服控制于一體，與S7-1500運(yùn)動控制功能配合使用，可實現(xiàn)對煤泥干燥機(jī)的變頻控制。此外，擴(kuò)展了PRFIBUS DP模塊CP1542-5用于CPU與變頻器間通訊。S120通過PRFIBUS DP接收S7-1500發(fā)送的控制字以及速度給定，并反饋速度和位置信號給S7-1500，在S7-1500PLC中實現(xiàn)閉環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)需求，為控制系統(tǒng)配置數(shù)字量及模擬量輸入模塊，最終硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 PLC硬件組態(tài)

3.2 煤泥干燥機(jī)的控制

煤泥干燥機(jī)是整個烘干系統(tǒng)生產(chǎn)線的核心部分。由于該選煤廠每天產(chǎn)出煤泥757.5～1 515 t，要實現(xiàn)快速烘干，解決煤泥堆積與環(huán)境污染問題，對煤泥烘干系統(tǒng)的產(chǎn)能和效率要求極高，為此，本系統(tǒng)選用經(jīng)過改進(jìn)的新型烘干設(shè)備-TMG3420型高效滾筒式干燥機(jī)。為了保證入料均勻可控，首先經(jīng)由打散裝置打散成0～35 cm大小不等的煤粒，再經(jīng)過刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載從入料端直接進(jìn)入料斗，由螺旋倒料選煤裝置進(jìn)入干燥滾筒內(nèi)[5]。在煤泥干燥機(jī)中，煤泥通過翼板和揚(yáng)料板的作用，實現(xiàn)物料的縱向旋轉(zhuǎn)，熱風(fēng)爐將鼓風(fēng)機(jī)引入的空氣加熱，并帶動空氣流經(jīng)干燥機(jī)后由引風(fēng)機(jī)引出，實現(xiàn)煤泥和熱風(fēng)的相互作用以及壓力平衡，增大物料和熱介質(zhì)的接觸面積，使熱利用率得到很大的提高，從而獲得粒度、水分符合要求的產(chǎn)品[6]。干燥過程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、內(nèi)部溫度濕度、壓力均可采集到PLC控制裝置中，通過對烘干系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)分析，由PLC實現(xiàn)閉環(huán)控制驅(qū)動變頻器，進(jìn)而相應(yīng)地改變烘干機(jī)的轉(zhuǎn)速和烘干時間以及其它設(shè)備的啟停。烘干系統(tǒng)過程控制如圖4所示。

圖4 烘干系統(tǒng)過程控制示意

3.3 進(jìn)料系統(tǒng)

煤泥的進(jìn)料系統(tǒng)包括打散裝置、刮板輸送機(jī)、料斗和選料機(jī)，其中刮板輸送機(jī)是進(jìn)料系統(tǒng)實現(xiàn)濕煤泥輸送和分配的關(guān)鍵設(shè)備，采用變頻控制。煤泥烘干控制系統(tǒng)根據(jù)整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)、料斗中物料位置和生產(chǎn)實際情況判斷進(jìn)料系統(tǒng)的間斷啟停，調(diào)整刮板輸送機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定，從而有序調(diào)整濕煤泥給入量，能夠減少入料口堵塞的發(fā)生幾率。同時，變頻控制和間斷工作模式，使刮板輸送電動機(jī)消耗電能減少，節(jié)能效果顯著。

3.4 熱風(fēng)系統(tǒng)

在整體系統(tǒng)中，熱風(fēng)爐是煤泥烘干的重要熱風(fēng)源，作為介質(zhì)濕熱交換和煤泥烘干的重要樞紐組成部分，熱風(fēng)爐擔(dān)負(fù)著熱量的輸送和傳遞的任務(wù)。以往的熱源設(shè)備所采用的高溫沸騰爐，使用劣質(zhì)煤作為燃料產(chǎn)生高溫?zé)煔鈪⑴c煤泥烘干，會增大環(huán)境污染和節(jié)能壓力。而本系統(tǒng)采用本公司的自備電廠作為電力供應(yīng)，滿足就地取材的原則，既減少污染，同時也可以節(jié)約成本，因此，本系統(tǒng)選取電熱爐作為熱源。

本系統(tǒng)烘干工藝采用順煤流干燥方式，熱風(fēng)與濕煤泥由同一側(cè)進(jìn)入干燥機(jī)，利用高溫?zé)犸L(fēng)蒸發(fā)煤泥濕氣，同時可以通過增加熱風(fēng)溫度及壓力加大蒸發(fā)強(qiáng)度，提高濕熱交換效率。高溫?zé)犸L(fēng)的溫度高低直接決定著煤泥的烘干效果。溫度低會導(dǎo)致煤泥不符合標(biāo)準(zhǔn)，需要返工進(jìn)行二次烘干。溫度太高會導(dǎo)致煤泥水分含量很低，達(dá)不到再利用的標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下溫度需要控制為650～850 ℃，并且保證風(fēng)干時間在12～18 min左右。為了達(dá)到更好的干燥效果，在干燥機(jī)內(nèi)部設(shè)定4個溫度監(jiān)測點(diǎn)，傳感器可將溫度信號傳回至控制器，同時根據(jù)干燥機(jī)出風(fēng)溫度調(diào)節(jié)熱風(fēng)爐出口的蒸汽壓力，當(dāng)出風(fēng)溫度低于設(shè)定值時，提高蒸汽壓力，反之，降低蒸汽壓力，大大提高了熱風(fēng)爐蒸汽的有效利用率[7]。

3.5 引風(fēng)系統(tǒng)

為了達(dá)到最佳的除濕效果，干燥機(jī)內(nèi)部負(fù)壓值需要維持在設(shè)定值，因此，在出料處設(shè)置濕度監(jiān)測點(diǎn)和干燥機(jī)內(nèi)負(fù)壓值監(jiān)測點(diǎn)，傳感器將出料處測得的干燥機(jī)內(nèi)部負(fù)壓值送至PLC，經(jīng)過系統(tǒng)處理來調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，負(fù)壓值過大，調(diào)小電機(jī)頻率，減小風(fēng)量，負(fù)壓值過小，增大電機(jī)頻率，增大風(fēng)量，通過PID算法使機(jī)內(nèi)負(fù)壓值維持在設(shè)定值[7]。引風(fēng)機(jī)采用變頻驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)引風(fēng)機(jī)軟啟動，避免啟動時強(qiáng)烈的沖擊，在一定程度上能夠保護(hù)電網(wǎng)。

3.6 除塵系統(tǒng)

在烘干煤泥時，煤泥烘干機(jī)不斷地旋轉(zhuǎn)進(jìn)行濕熱交換，會產(chǎn)生濃度較大的粉塵和廢氣，而且水分含量高、易結(jié)露，必須采取有效措施抑制污染物的排放和大范圍擴(kuò)散。因此本系統(tǒng)從環(huán)保層面考量設(shè)計了兩級除塵系統(tǒng)進(jìn)行除塵，采用螺旋除塵配合袋式脈沖除塵器對粉塵進(jìn)行回收。

螺旋除塵器采用GXC型高效旋風(fēng)除塵器作為一級除塵設(shè)備，在煤泥干燥系統(tǒng)中分離煤粉，凈化干燥廢氣。袋式脈沖除塵器采用JQM系列氣箱脈沖袋式除塵器作為二級除塵設(shè)備，采用氣箱式結(jié)構(gòu)和離線清灰技術(shù)進(jìn)行分室反吹脈沖清灰，既可以保持動力強(qiáng)勁而充分地清灰，又降低了設(shè)備的局部阻損，收塵效率可達(dá) 99.9%以上，凈化后氣體的含塵質(zhì)量濃度小于50 mg/m3。

除塵系統(tǒng)需要傳感器采集出料口煙氣濃度，反饋到PLC進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)對塵埃濃度的控制。

4 結(jié) 語

設(shè)計的煤泥烘干系統(tǒng)以西門子S7-1500型PLC為控制核心，對進(jìn)料系統(tǒng)、干燥機(jī)系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)進(jìn)行工藝控制。在實際使用過程中，根據(jù)煤泥順流干燥工藝要求和細(xì)煤泥濾餅初始狀態(tài)，對烘干工藝中涉及的溫度、濕度、壓力、速度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了PID控制，提高了烘干系統(tǒng)自動化水平和烘干效率，取得了良好的應(yīng)用效果。經(jīng)過初期的調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)可以將煤泥處理成粒度不大于13 mm，水分不大于14%的產(chǎn)品，最大限度地將煤泥產(chǎn)品處理為商品用煤，與中煤摻混銷售，既提高了煤炭的利用效率，增加了選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時解決了煤泥占地的問題，改善了周圍環(huán)境。