付 勝 龐印華

(北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京市朝陽區(qū),100124)

基于線性優(yōu)化算法的自動配煤控制系統(tǒng)設(shè)計

付 勝 龐印華

(北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,北京市朝陽區(qū),100124)

介紹了一種基于線性優(yōu)化算法的自動配煤控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用在線煤質(zhì)儀實時采集煤質(zhì)參數(shù),然后系統(tǒng)以原料煤的煤質(zhì)參數(shù)為輸入變量,以設(shè)計煤種的煤質(zhì)要求為約束條件,以煤種的價格構(gòu)成最低為目標,建立線性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并利用Excel實現(xiàn)了算法的求解。通過工控機組態(tài)軟件與Excel之間的DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù),系統(tǒng)成功地將優(yōu)化求解程序引入到配比控制環(huán)節(jié),實現(xiàn)了對原煤配比的實時調(diào)整。

線性優(yōu)化 變頻調(diào)速 在線煤質(zhì)儀 PLC DDE

為了提高煤炭的利用效率以及企業(yè)的經(jīng)濟效益,利用不同品質(zhì)的原料煤配制符合使用要求的混合煤是當今被廣泛應(yīng)用的有效方法之一。以往的自動配煤專家系統(tǒng)由于受煤質(zhì)在線檢測技術(shù)的限制,當原料煤的煤質(zhì)參數(shù)變化時,不能對配煤比例實時地做出調(diào)整,從而導(dǎo)致成品煤的質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著煤質(zhì)在線檢測技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷進步,將煤質(zhì)的實時檢測和配比的優(yōu)化計算引入配煤控制系統(tǒng)成為可能。

本文在配比的實時、優(yōu)化計算和調(diào)速方式上進行了改進,摒棄了傳統(tǒng)的離線式配比計算和調(diào)節(jié),實現(xiàn)了自動計算最優(yōu)配比和變頻調(diào)速控制,使配比更精確,混合煤品質(zhì)更穩(wěn)定,達到了煤種的價格構(gòu)成最低的目標,同時也取得了良好的節(jié)電效果,有效降低了成本。

1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計在結(jié)構(gòu)上將整個控制系統(tǒng)分為管理及監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層3層。管理及監(jiān)控層與控制層之間通過 TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信,控制層通過PLC的I/O模塊和RS485串口與設(shè)備層進行數(shù)據(jù)通信。

(1)管理及監(jiān)控層。該層主要利用工控機和上位機組態(tài)軟件——組態(tài)王實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)進行可視化監(jiān)控,包括對電機的啟停狀態(tài)以及速度大小、報警信號和混合煤質(zhì)量的監(jiān)控,同時實現(xiàn)對電機的啟停控制以及變頻電機的調(diào)速控制,實現(xiàn)原料煤配比的自動或手動調(diào)整。

(2)控制層。該層主要完成對現(xiàn)場信號的采集和對現(xiàn)場設(shè)備的控制,主要由一臺 PLC柜和一臺電氣控制柜組成。系統(tǒng)采用和利時L K系列大型PLC作為控制層主要設(shè)備,采集現(xiàn)場拉線開關(guān)、料位報警信號和跑偏報警等信號,利用 PLC的RS485接口,通過MODBUS RTU協(xié)議讀取電子輸送帶秤、在線煤質(zhì)儀的信號和變頻器的速度信號,同時實現(xiàn)對變頻器的調(diào)速控制。

(3)設(shè)備層。設(shè)備層是控制系統(tǒng)的執(zhí)行層,該層將現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號由控制層PLC采集,并接受和執(zhí)行來自控制層的控制命令。主要包括電子輸送帶秤、在線煤質(zhì)儀、變頻器和變頻電機、料位傳感器、拉線開關(guān)、跑偏開關(guān)和攝像頭等設(shè)備。變頻器和變頻電機組成變頻調(diào)速系統(tǒng),完成對輸料帶式輸送機穩(wěn)定、精確的速度控制。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)原料煤煤質(zhì)指標的變化,利用所建數(shù)學(xué)模型自動求得優(yōu)化的配煤比例,并利用變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)各原料煤的輸送量,達到滿足設(shè)計煤種的要求和經(jīng)濟效益最大化的目的。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)采用在線煤質(zhì)儀、電子輸送帶秤和變頻調(diào)速技術(shù),通過精確的計量和反饋控制來實現(xiàn)優(yōu)化配煤。圖1所示為系統(tǒng)工作原理圖,各原料煤的煤質(zhì)參數(shù)可以通過上位機組態(tài)畫面手動輸入,也可以由在線煤質(zhì)儀檢測并傳至上位機,利用上位機優(yōu)化求解軟件算出各原料煤的優(yōu)化配比,再將優(yōu)化配比轉(zhuǎn)化為速度關(guān)系,最終由變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)各原料煤的優(yōu)化配比。上位機組態(tài)軟件與優(yōu)化求解軟件之間通過DDE通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交換。

該系統(tǒng)是基于對設(shè)計煤種的煤質(zhì)指標實現(xiàn)反饋控制的精確配煤系統(tǒng)。初始各原料煤煤質(zhì)指標可以手動輸入,配煤過程中,利用在線煤質(zhì)儀對設(shè)計煤種的各項煤質(zhì)參數(shù)定時檢測,并將實時采集到的各項參數(shù)與設(shè)定參數(shù)進行比較,判斷各參數(shù)是否超出設(shè)定范圍,如果超出則重新計算優(yōu)化比例,調(diào)整各原料煤的比例,使設(shè)計煤種始終滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)的反饋控制原理圖如圖2所示。

圖2 反饋控制原理圖

3 數(shù)學(xué)模型與算法實現(xiàn)

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

配煤目的是利用不同品質(zhì)的原料煤生產(chǎn)滿足用戶需要的設(shè)計煤種,在此前提下使煤種的價格構(gòu)成最低,以獲得最大的經(jīng)濟效益。國內(nèi)實驗論證表明,在混合配煤中,主要的煤質(zhì)指標如發(fā)熱量、灰分、水分等具有線性可疊加性,但對燃燒特性、灰熔點等不具有線性可疊加性。實際上,我們可以通過混合煤的燃燒實驗得到各原料煤配比范圍,在該范圍內(nèi)既可以滿足設(shè)計煤種燃燒特性的要求,同時使配比最優(yōu)化。在這種條件下,本設(shè)計采用了基于線性優(yōu)化算法的數(shù)學(xué)模型,模型建立如下:

(1)假設(shè)條件。設(shè)有n種原料煤參與混配,并設(shè)n種煤的配比分別為x1,x2,x3…xn;各原煤指標分別為A(灰分)、M(水分)、V(揮發(fā)份)、S(硫)、Q(發(fā)熱量) …;各原料煤單價分別為P1、P2、P3…PN;目標煤種煤質(zhì)指標約束值為As(灰分)、Vmax(揮發(fā)份最大值)、Vmin(揮發(fā)份最小值)、Ms(水分)、Qs(發(fā)熱量)、Ss(硫)…。

(2)目標函數(shù)。目標函數(shù)計算公式為:

(3)約束條件。各參數(shù)約束條件為:

(4)優(yōu)化解。最優(yōu)化配比向量為:

3.2 數(shù)學(xué)模型的實現(xiàn)

目前常用的算法實現(xiàn)軟件包括 MATLAB、LINGO、VB、Office Excel等。本設(shè)計選用 Excel作為線性規(guī)劃算法軟件,該軟件操作方便、靈活直觀,并且可以實現(xiàn)與上位機組態(tài)軟件——組態(tài)王的DDE通信。圖3為 Excel求解優(yōu)化配煤比例的畫面,各種原料煤的煤質(zhì)參數(shù)可以通過DDE通信協(xié)議,從組態(tài)王界面手動輸入或者由煤質(zhì)儀采集并通過組態(tài)王自動輸入;設(shè)計指標是用煤客戶要求的設(shè)計煤種的煤質(zhì)參數(shù)范圍,如圖所示的發(fā)熱量,設(shè)計發(fā)熱量指標在19.65～23.84 MJ/kg;以設(shè)計指標的要求范圍為約束條件,以煤種的價格構(gòu)成最低為目標函數(shù),求解后的結(jié)果就是各原料煤的優(yōu)化比例,該比例經(jīng)過線性轉(zhuǎn)化,成為各原料煤上料帶式輸送機的實際速度,從而實現(xiàn)優(yōu)化配煤。

圖3 Excel求解優(yōu)化配煤比例畫面

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)總體上需要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與信號的采集和電機的啟停、速度控制兩大功能,可實現(xiàn)本地和遠程兩種控制方式。報警信號包括料位報警、帶式輸送機跑偏報警等操作程序,電機的啟停包括自動啟/停、手動啟/停、單機啟/停和急停等操作程序。

(1)料位報警。系統(tǒng)對比例控制器的料位進行監(jiān)測,分為高料位報警和低料位報警,通過調(diào)整上料帶式輸送機的速度來調(diào)整比例控制器艙內(nèi)的料位,使料位保持在高、低料位之間。

(2)跑偏報警。分為一級跑偏和二級跑偏報警,在帶式輸送機出現(xiàn)嚴重跑偏時自動停止系統(tǒng)運行,待故障排除后再啟動系統(tǒng)。

(3)自動啟/停。由PLC程序控制,實現(xiàn)各電機的自動順序啟動和停止。

(4)手動啟/停。由PLC程序控制,實現(xiàn)各電機手動順序啟動和停止,啟停順序與自動相同,可以手動靈活控制啟停時間。

(5)單機啟/停。可以單獨啟停任意電機,不受啟停聯(lián)鎖順序的約束,主要用于對單機的測試與調(diào)試等。全啟正常后,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動運行狀態(tài)?？梢酝ㄟ^遠程電腦控制和本地按鈕開關(guān)控制這兩種控制方法實現(xiàn)。

(6)急停。用于緊急情況下系統(tǒng)的急停,可以通過遠程電腦控制和本地按鈕開關(guān)控制這兩種控制方法實現(xiàn)。

(7)配比(速度)調(diào)節(jié)。PLC通過 RS485串口通信協(xié)議控制變頻器的輸出頻率,從而實現(xiàn)對帶式輸送機電機的速度控制。

5 組態(tài)監(jiān)控與DDE

5.1 組態(tài)監(jiān)控

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

本系統(tǒng)采用亞控公司的組態(tài)軟件——組態(tài)王。上位機組態(tài)畫面如圖4所示,通過該畫面可實現(xiàn)對各種報警的監(jiān)控,還可實現(xiàn)對各調(diào)速電機的速度和上料帶式輸送機的原料煤流量的監(jiān)控。同時,通過該上位機畫面可實現(xiàn)對各電機的啟停和調(diào)速等控制功能。對于煤質(zhì)儀不能在線測量的煤質(zhì)參數(shù),通過該監(jiān)控畫面可以實現(xiàn)某些原料煤的煤質(zhì)參數(shù)的手動輸入,同時,也可以實現(xiàn)對各原料煤的煤質(zhì)參數(shù)的初始賦值,以得到初始配比。上位機組態(tài)軟件還可實現(xiàn)歷史報表的查詢與打印功能,實現(xiàn)對原料煤瞬時流量和總流量、煤質(zhì)參數(shù)等信息的實時查詢和歷史查詢。

5.2 DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)

DDE(Dynamic DataExchange)是WINDOWS平臺上的一個完整的通信協(xié)議,它使支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換的兩個或多個應(yīng)用程序能彼此交換數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。組態(tài)王支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換,能夠和其他支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序方便地交換數(shù)據(jù)。利用DDE技術(shù),本設(shè)計實現(xiàn)了 Excel與組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換。

當Excel作為“顧客”向組態(tài)王請求數(shù)據(jù)時,首先定義Excel指定單元格,將其與組態(tài)王所定義變量相對應(yīng)。圖5中將組態(tài)數(shù)據(jù)“32”傳給了Excel的“r1c1”單元格。當組態(tài)王作為“顧客”向Excel請求數(shù)據(jù)時,同樣可通過定義與 Excel指定單元格相對應(yīng)的組態(tài)變量讀取數(shù)據(jù)。

圖5 Excel訪問組態(tài)王數(shù)據(jù)畫面

6 結(jié)論

該系統(tǒng)靈活簡便,控制精度高,實時性好,可使成品煤的質(zhì)量更穩(wěn)定,同時有效地降低了配煤成本,提高了煤炭的利用效率,經(jīng)濟和社會效益明顯,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)該控制系統(tǒng)引入WZ-100型在線煤質(zhì)監(jiān)測儀,實現(xiàn)了對各煤種煤質(zhì)參數(shù)的實時采集,并將采集數(shù)據(jù)作為求解優(yōu)化配比的關(guān)鍵指標。

(2)該控制系統(tǒng)將自動和優(yōu)化求解原煤配比的功能引入到控制環(huán)節(jié),實現(xiàn)了在線、實時調(diào)整配煤比例的目的。

(3)系統(tǒng)采用了變頻調(diào)速技術(shù),使配比控制更穩(wěn)定,同時節(jié)電效果明顯,相對傳統(tǒng)的電磁調(diào)速,節(jié)電效率可達10%～20%,以臨汾配煤機整體裝機容量250 kW為例,按平均15%的節(jié)電效果,每年可節(jié)電90000 kWh。

(4)結(jié)合北京富邦機械設(shè)備有限公司設(shè)計的配煤機機械系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)對生產(chǎn)能力在120～6600 t/h的配煤機的自動控制,適用于煤礦、選煤廠、煉焦廠等煤炭生產(chǎn)加工單位 。

(5)該系統(tǒng)可實現(xiàn)對多種原料煤的同時混配控制(一般不超過8種),并實時調(diào)節(jié)配比,精確控制配比。

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(責(zé)任編輯 路 強)

Design of an automatic control system for coal blending based on linearity optimizing algorithm

Fu Sheng,Pang Yinhua
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology,Chaoyang District,Beijing,100124)

An automatic coal blending control system is introduced based on linearity optimizing algorithm.Online coal quality scanners are adopted to collect coal parameters,then the quality parameters of scanned coal is input into the system as variable,the wanted coal quality is designed as restriction conditions,and the lowest price composing of the ranked coal is set as a goal,to set up a linearity optimizing mathematic model,and eventually realize algorithmic calculation by using Excel.Through DDE data exchanging technology between software and Excel of the industrial control computer,the system leads the optimizing calculation program into the blending ratio controlling system,to realize coal blending ratio adjustment timely.

linearity optimizing,frequency conversion speed adjusment,online coal quality scanner,PLC,DDE

TD940

B

付勝(1961-),男,漢族,山西大同人,博士,北京工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師。在國家核心及以上期刊、國內(nèi)和國際性會議上發(fā)表論文45篇,取得十七項軟件著作權(quán),獲得中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)三等獎和山西省科技進步三等獎各一項。主要研究方向為:設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)、設(shè)備運行維修策略研究、精密測量技術(shù)以及高壓水射流特種加工技術(shù)等。