王海群，張 瑋，曹曉華，王建民

（河北理工大學(xué) 計(jì)控學(xué)院，唐山 063009）

0 引言

我國(guó)煤產(chǎn)量越來越大，要求處理的煤泥也越來越多，滾筒干燥機(jī)的干燥煤泥技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)煤泥干燥系統(tǒng)的設(shè)備及其自動(dòng)控制水平，使得它有干燥效果差和干燥溫度高低不穩(wěn)定的特點(diǎn)，影響了煤泥干燥的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此需要設(shè)計(jì)新煤泥干燥系統(tǒng)，來提高煤泥干燥的自動(dòng)化控制水平和改善控制效果。

1 煤泥干燥生產(chǎn)線系統(tǒng)概述

在煤泥干燥過程中，影響煤泥干燥質(zhì)量的主要因素為滾筒干燥機(jī)的出口溫度。由于煤泥的含水量，隨不同批次的煤泥有所不同；煤泥物料的給進(jìn)量也是有所波動(dòng)的；而且煤泥干燥的環(huán)境溫度和系統(tǒng)壓力也將影響到煤泥干燥，所以滾筒干燥機(jī)的出口溫度是一個(gè)復(fù)雜被控對(duì)象。它將隨著干燥環(huán)境的變化而變化，即系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，要準(zhǔn)確的掌握它的運(yùn)行狀態(tài)很困難，很難實(shí)現(xiàn)它的自動(dòng)控制。在傳統(tǒng)的煤泥干燥過程中，大多數(shù)使用人工調(diào)節(jié)直接式燃煤加熱器來控制溫度。其調(diào)節(jié)過程十分粗糙，使送風(fēng)溫度不穩(wěn)定且難以控制；同時(shí)加熱器的助燃風(fēng)機(jī)處于全速運(yùn)行狀態(tài)，燃料也不能合理、充分地燃燒，造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)。

為了使得煤泥干燥能自動(dòng)控制溫度，就必須設(shè)計(jì)出新型加熱器及其控制系統(tǒng)。由于加熱器燃燒瓦斯廢氣比燃燒煤更加容易控制，即使用智能控制器調(diào)節(jié)燃?xì)忾y門的開度就能實(shí)現(xiàn)煤泥干燥溫度的自動(dòng)控制，所以設(shè)計(jì)的新型加熱器采用氣體燃料。這樣使得加熱器具有了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，穩(wěn)定性強(qiáng)和熱效應(yīng)高等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。設(shè)計(jì)選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器控制滾筒干燥機(jī)的出口溫度。為了實(shí)現(xiàn)煤泥干燥系統(tǒng)的集中自動(dòng)控制，在傳統(tǒng)煤泥干燥自動(dòng)控制的不集中、控制設(shè)備的多樣性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)把所有設(shè)備的控制都完整的融入到唯一的煤泥干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以此形成新煤泥干燥生產(chǎn)線的集中自動(dòng)控制，并使用西門子S7-400PLC來實(shí)現(xiàn)。具體新的生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 新型加熱器的結(jié)構(gòu)

干燥集中控制系統(tǒng)要對(duì)13臺(tái)流程設(shè)備進(jìn)行控制。這些設(shè)備包括：振動(dòng)給料機(jī)、來料膠帶機(jī)、破碎機(jī)、上料膠帶機(jī)、加熱器、給料機(jī)、干燥機(jī)、旋風(fēng)除塵器、袋除塵器、空壓機(jī)、引風(fēng)機(jī)、清水泵、出料膠帶機(jī)。其中加熱器為新型加熱器，它主要包括鼓風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火裝置執(zhí)行器、調(diào)溫裝置執(zhí)行器和各種閥門執(zhí)行器等設(shè)備。同時(shí)系統(tǒng)要對(duì)各種模擬量進(jìn)行監(jiān)控，這里主要包括布袋入口壓力、排料出口壓力、引風(fēng)風(fēng)門開度、短路煙道開度、加熱器出口溫度、干燥入口溫度、排料出口溫度和布袋入口溫度。

圖2 新干燥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

2 煤泥干燥系統(tǒng)的控制要求

據(jù)新干燥生產(chǎn)線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，控制要求如下：

1）兩種控制方式：就地和集中。控制方式由操作員在上位機(jī)上進(jìn)行選擇。2）對(duì)系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行集中連鎖控制，對(duì)整個(gè)煤泥干燥設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。3）集中優(yōu)先原則。僅在就地方式下，工程人員可以在現(xiàn)場(chǎng)的電控箱啟/停設(shè)備。一旦操作員在集控室選擇了集中控制模式，位于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的電控箱的“啟動(dòng)”按鈕失效。在集中模式下，如果出現(xiàn)緊急情況，工程人員在現(xiàn)場(chǎng)可以停止設(shè)備的運(yùn)行。4）試車功能。在集中解鎖模式下，提供了在集控室進(jìn)行試車調(diào)試的功能。5）集中控制設(shè)備逆煤流啟動(dòng)、順煤流停止。6）所有設(shè)備具有緊急停車功能，集中控制室的急停按鈕將停止所有設(shè)備。7）事故處理和記錄功能，實(shí)時(shí)顯示故障點(diǎn)和故障原因。8）實(shí)現(xiàn)滾筒干燥機(jī)出口溫度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

據(jù)煤泥干燥系統(tǒng)控制要求，設(shè)計(jì)選用西門子的CPU414-2 DP，其裝配有功能強(qiáng)大的處理器，使指令執(zhí)行時(shí)間僅為每個(gè)二進(jìn)制指令 0.04 微秒，易于提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度，可快速響應(yīng)控制煤泥干燥的溫度。

如果系統(tǒng)完全采用西門子S7-400來實(shí)現(xiàn)，成本很高。為了降低成本，系統(tǒng)的輸入和輸出模塊采用ET200M來實(shí)現(xiàn)。選擇由一個(gè)IM153-x和多個(gè)S7-300的 I/O模塊組成。同時(shí)采用我們熟悉的S7-300技術(shù)，也降低了設(shè)計(jì)難度。即煤泥干燥的集中控制系統(tǒng)使用西門子PLC400系列的CPU，300系列的輸入和輸出模塊進(jìn)行控制。

系統(tǒng)據(jù)硬件設(shè)備的輸入和輸出量來確定模塊的數(shù)量。其中包括數(shù)字量輸入43個(gè)，數(shù)字量輸出28個(gè)，模擬量輸入8個(gè)，模擬量輸出1個(gè)。于是選擇的模塊具體型號(hào)和數(shù)量如下：

1）電源：選用PS 405 10A 1塊 ；2）CPU模塊：選用CPU414-2 DP 1塊；3）ET200M機(jī)架 1個(gè)；4）ET200M電源：PS 307 5A 1塊；5）ET200M從站接口模塊：IM153-1 1塊；6）數(shù)字量輸入模塊：選用SM321 DI32×DC24V 2塊；7）數(shù)字量輸出模塊：選用SM322 DO32×DC24V 1塊；8）模擬量輸入模塊：選用SM331 AI8×16Bit 1塊；9）模擬量輸出模塊：選用SM332 AO4×16Bit 1塊

系統(tǒng)采用觸摸屏MP 377 19'' Touch做為人機(jī)界面，是控制中心。它為多功能面板（Multi Panels），是性能非常高的人機(jī)界面。它的操作系統(tǒng)為Windows CE 5.0 ，因無(wú)硬盤和無(wú)風(fēng)扇運(yùn)行的設(shè)計(jì)，可以承受劇烈振動(dòng)或多塵等PC受限的惡劣工況。它比工控機(jī)要更加穩(wěn)定和節(jié)省成本。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

煤泥干燥集中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如下：

1）13臺(tái)流程設(shè)備的控制

（1）急停邏輯：系統(tǒng)急停時(shí)，要求切換到集中模式，所有設(shè)備停止；（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯：在就地/集中狀態(tài)之間無(wú)擾切換。（3）開車預(yù)告邏輯：在所有設(shè)備電源正常、未禁啟且無(wú)其他故障情況下，預(yù)告允許；在急停或停車狀態(tài)下，預(yù)告禁止。（4）開車邏輯：出料膠帶機(jī)→清水泵→引風(fēng)機(jī)→空壓機(jī)→袋除塵器→旋風(fēng)除塵器→干燥機(jī)→加熱器→給料機(jī)→上料膠帶機(jī)→破碎機(jī)→來料膠帶機(jī)→振動(dòng)給料機(jī)。（5）停車邏輯：與開車過程相反，下游設(shè)備延時(shí)停止。任何設(shè)備故障停止時(shí)，聯(lián)鎖邏輯有效。（6）溫度控制方式的轉(zhuǎn)換邏輯：實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)和手動(dòng)控制轉(zhuǎn)換。（7）調(diào)試邏輯：能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的單臺(tái)啟動(dòng)試車和各種預(yù)設(shè)參數(shù)的調(diào)試功能。

2）閉鎖邏輯

（1）設(shè)備啟動(dòng)遵循逆煤流啟動(dòng)，順煤流停止的原則。（2）在某臺(tái)設(shè)備發(fā)生意外停車故障時(shí)，聯(lián)鎖停止上游設(shè)備。

3）煤泥干燥溫度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。大量MATLAB仿真表明在輸入層神經(jīng)元數(shù)M=4，隱層神經(jīng)元數(shù)Q=5時(shí)，其控制效果效果較好。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器

基于PLC邏輯控制，軟件采用分塊編程的方法。采用組織塊OB1、 15個(gè)FC功能和2個(gè)FB功能塊。

系統(tǒng)采用Winccflexible軟件來設(shè)計(jì)集控室操作員與整個(gè)集中控制系統(tǒng)交互的西門子觸摸屏界面。它負(fù)責(zé)監(jiān)視整個(gè)干燥過程的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、選擇自動(dòng)或人工控制方式、配置系統(tǒng)模擬量的定標(biāo)值和顯示其當(dāng)前值和趨勢(shì)圖、捕捉并記錄設(shè)備啟動(dòng)和運(yùn)行故障等。

整個(gè)Winccflexible程序界面主要由主控制界面、流程監(jiān)視、工藝參數(shù)、集中手動(dòng)控制、報(bào)警記錄、趨勢(shì)圖、參數(shù)設(shè)置等畫面組成。

5 結(jié)束語(yǔ)

該煤泥干燥生產(chǎn)線集中控制系統(tǒng)已在PLC硬件試驗(yàn)臺(tái)上模擬實(shí)現(xiàn)。其有如下優(yōu)點(diǎn)：控制過程的高度集中和完整，操作更方便，故障處理更及時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠；使用了新型加熱器，其燃燒瓦斯氣體，節(jié)省了煤資源，使煤泥干燥更加環(huán)保和高效；人機(jī)界面簡(jiǎn)單清晰，易于監(jiān)視和操作設(shè)備的運(yùn)行，而且使用的觸摸屏技術(shù)提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了成本。因此這種新型煤泥干燥系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

[1] 金國(guó)淼.干燥設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 劉華波,張赟寧.基于SIMATC S7 的高級(jí)編程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[4] 廖常初,陳曉東.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.