0 引言

在焦炭生產(chǎn)工藝過(guò)程中，需要將氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤四種煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦?fàn)t進(jìn)行高溫?zé)捊?。配比的?zhǔn)確性以及配料系統(tǒng)的可靠性將直接影響焦炭產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，通過(guò)提高焦化配煤系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性來(lái)提高焦炭的質(zhì)量具有非常重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 自動(dòng)配煤系統(tǒng)的組成和主要功能

1.1 系統(tǒng)的組成

包鋼焦化廠備煤自動(dòng)配煤系統(tǒng)主要由13個(gè)振動(dòng)給煤機(jī)、13條稱重小皮帶及1條混料大皮帶組成，全系統(tǒng)由一套西門子S7-300PLC實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)上位機(jī)使用WINCC組態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作及人機(jī)交互功能。系統(tǒng)還使用了一套稱重積算器實(shí)現(xiàn)PID控制，用于完成實(shí)時(shí)煤量對(duì)設(shè)定煤量的無(wú)靜差跟蹤，確保配合煤的準(zhǔn)確度。其控制系統(tǒng)采用了PLC技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及組態(tài)技術(shù)等，構(gòu)成較為完整的成熟系統(tǒng)。

圖1 自動(dòng)配煤系統(tǒng)組成

系統(tǒng)工藝過(guò)程如下：混料大皮帶啟動(dòng)，其啟動(dòng)信號(hào)作為稱重小皮帶運(yùn)行的聯(lián)鎖條件，稱重小皮帶啟動(dòng)信號(hào)又是振動(dòng)給煤機(jī)運(yùn)行的聯(lián)鎖條件。系統(tǒng)共有13條稱重小皮帶及13套振動(dòng)給煤機(jī)，運(yùn)行之初要在組態(tài)畫面上勾選要啟動(dòng)的稱重小皮帶，同時(shí)輸入各小皮帶的配煤比等配置信息。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，混料大皮帶啟動(dòng)后，選中的稱重小皮帶隨即啟動(dòng)，相應(yīng)的振動(dòng)給煤機(jī)也啟動(dòng)。此時(shí)通過(guò)稱重傳感器采樣實(shí)時(shí)壓力信號(hào)與稱重小皮帶的速度信號(hào)（固定值）在稱重積算器中運(yùn)算，產(chǎn)生實(shí)時(shí)煤量。實(shí)時(shí)煤量與設(shè)定煤量進(jìn)行比較，偏差即為控制量，通過(guò)積算器中的PID環(huán)節(jié)，輸出一個(gè)4mA～20mA的電流信號(hào)，送入振動(dòng)給煤機(jī)的整流裝置，控制其導(dǎo)通角，從而改變整流輸出電壓及電流，最終改變振動(dòng)給煤機(jī)的振幅，下煤量得到調(diào)節(jié)和控制。這樣，實(shí)時(shí)煤量始終跟隨設(shè)定煤量，在允許的超調(diào)范圍內(nèi)波動(dòng)，并基本恒定，從而保證了配煤比的準(zhǔn)確度。所選中的稱重小皮帶及振動(dòng)給煤機(jī)同時(shí)運(yùn)行，煤料同時(shí)落至混料大皮帶，即在混料大皮帶上就是按照設(shè)定配煤比要求合格的配合煤。在保證各自實(shí)時(shí)煤量有效跟蹤設(shè)定量的基礎(chǔ)上，即保證了配合煤的品質(zhì)要求。

從電氣角度分析，總控制系統(tǒng)由以下五個(gè)分系統(tǒng)組成：

1）PLC控制系統(tǒng)

完成對(duì)混料大皮帶、稱重小皮帶、電振給料機(jī)的啟停、聯(lián)鎖控制。對(duì)配煤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量、設(shè)定量進(jìn)行接收、發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的控制。

2）儀表積算器系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)實(shí)際設(shè)定量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)量的分析運(yùn)算，利用PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)量對(duì)實(shí)際設(shè)定量的穩(wěn)定、準(zhǔn)確跟蹤。是自動(dòng)配煤系統(tǒng)的核心。

3）現(xiàn)場(chǎng)稱重系統(tǒng)

該系統(tǒng)由稱重小皮帶和壓力傳感器組成，通過(guò)對(duì)小皮帶的運(yùn)行速度以及載煤壓力等信號(hào)的采集，為儀表積算器系統(tǒng)提供運(yùn)算數(shù)據(jù)。

4）振動(dòng)給煤機(jī)系統(tǒng)

其作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在。儀表積算器接收現(xiàn)場(chǎng)采樣信號(hào)，通過(guò)比較、運(yùn)算輸出4～20mA模擬量控制信號(hào)，用來(lái)控制振動(dòng)給煤機(jī)整流觸發(fā)的導(dǎo)通角，從而改變振動(dòng)給煤機(jī)的電壓、電流，最終控制其振幅，達(dá)到煤量調(diào)整作用。

5）計(jì)算機(jī)WINCC監(jiān)控畫面系統(tǒng)

全系統(tǒng)的運(yùn)行情況直觀的顯示于監(jiān)視器，同時(shí)各種控制按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)等控制元件均由鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)。

1.2 焦化廠自動(dòng)配煤系統(tǒng)的主要功能

1）實(shí)時(shí)的檢測(cè)各皮帶秤的瞬時(shí)流量、累積量；

2）可靠的控制各秤按給定值恒流量運(yùn)行；

3）配比和總配料量?jī)?yōu)化計(jì)算、下達(dá)；

4）現(xiàn)場(chǎng)工藝流程的畫面顯示以及配比、歷史曲線的顯示；

5）現(xiàn)場(chǎng)工藝、操作、過(guò)程參數(shù)的設(shè)置、改寫；

6）各種故障、報(bào)警提示，以及登錄、換倉(cāng)處理；

7）系統(tǒng)配比精度評(píng)價(jià)；

8）數(shù)據(jù)報(bào)表打印輸出。

2 主要控制信號(hào)及主要設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系

2.1 主要控制信號(hào)

1）每臺(tái)振動(dòng)給煤機(jī)與PLC有3個(gè)來(lái)往信號(hào)，與儀表積算器有1個(gè)來(lái)往信號(hào)。

機(jī)旁/集中信號(hào)取自振動(dòng)給煤機(jī)機(jī)旁操作箱上的選擇開關(guān)（機(jī)旁為0，集中為1），送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊；運(yùn)行信號(hào)取自振動(dòng)給煤機(jī)接觸器輔助接點(diǎn)（分?jǐn)酁?，吸合為1），送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊；啟動(dòng)/停止信號(hào)取自PLC控制柜內(nèi)的DO模塊（啟動(dòng)為1，停止為0），送至振動(dòng)給煤機(jī)接觸器控制其啟停；振動(dòng)給煤機(jī)電控箱接收儀表積算器輸出的煤量控制模擬信號(hào)，用來(lái)控制其振幅。

2）每臺(tái)稱重小皮帶與PLC有5個(gè)往來(lái)信號(hào)，與儀表計(jì)算器有1個(gè)來(lái)往信號(hào)。

機(jī)旁/集中信號(hào)取自稱重小皮帶機(jī)旁操作箱上的選擇開關(guān)（機(jī)旁為0，集中為1），送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊；電源正常信號(hào)取自稱重小皮帶斷路器輔助接點(diǎn)（分?jǐn)酁?，閉合為1），送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊；故障信號(hào)取自稱重小皮帶電機(jī)保護(hù)器（故障為0，正常為1），送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊；運(yùn)行信號(hào)取自稱重小皮帶接觸器輔助接點(diǎn)（分?jǐn)酁?，吸合為1），送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊；啟動(dòng)/停止信號(hào)取自PLC控制柜內(nèi)的DO模塊（啟動(dòng)為1，停止為0），送至稱重小皮帶接觸器控制其啟停；稱重小皮帶接觸器輔助點(diǎn)送儀表積算器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖。

3）每臺(tái)自動(dòng)配料秤儀表積算器與PLC有2個(gè)往來(lái)信號(hào)，與現(xiàn)場(chǎng)有3個(gè)往來(lái)信號(hào)。

實(shí)際流量取自配料秤儀表積算器，是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的瞬時(shí)流量，信號(hào)類型為4～20mA，送至PLC柜內(nèi)的AI（模擬量輸入）模塊；設(shè)定流量取自PLC柜內(nèi)的AO（模擬量輸出）模塊，送至配料秤儀表積算器；自動(dòng)配料秤儀表積算器接收現(xiàn)場(chǎng)的稱重信號(hào)；接收稱重小皮帶接觸器啟動(dòng)信號(hào)；輸出振動(dòng)給煤機(jī)煤量控制模擬信號(hào)。

4）混料大皮帶信號(hào)取自混料大皮帶接觸器送至PLC控制柜內(nèi)的DI模塊。

2.2 主要設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系

1）在設(shè)備聯(lián)鎖情況下，小皮帶與給煤機(jī)需在大混料皮帶啟動(dòng)后方可啟動(dòng)。

2）在設(shè)備聯(lián)鎖情況下，啟動(dòng)過(guò)程：小皮帶先啟動(dòng)，給煤機(jī)延時(shí)啟動(dòng)。停止過(guò)程：給煤機(jī)先停止，小皮帶延時(shí)停止。

3）小皮帶校秤與大混料皮帶無(wú)聯(lián)鎖關(guān)系。

4）在正常生產(chǎn)情況下，單條小皮帶的設(shè)定流量與實(shí)際流量偏差超過(guò)設(shè)定量一定時(shí)間后，全系統(tǒng)自動(dòng)停止。

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及硬件構(gòu)成

3.1 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)P L C控制系統(tǒng)上位機(jī)采用西門子SIMATIC WINCC V6.2,實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、操作、趨勢(shì)、報(bào)表等功能；下位機(jī)為西門子SIMATIC STEP7 V5.4，實(shí)現(xiàn)采集、運(yùn)算、控制等功能。主要的程序結(jié)構(gòu)為：

FC1：主要的控制程序塊

FC2：控制程序塊中各種啟動(dòng)、停止標(biāo)志等

FC3—FC15：實(shí)現(xiàn)了13條小皮帶的流量采集與累積，偏差、報(bào)警等控制算法

FC16、FC17：報(bào)表采集運(yùn)算塊

DB1：按鈕背景數(shù)據(jù)塊

DB2：標(biāo)志背景數(shù)據(jù)塊

DB3—DB15：各小皮帶流量采集與累積，偏差、報(bào)警等內(nèi)部標(biāo)志的背景數(shù)據(jù)塊

DB16、DB17：報(bào)表背景數(shù)據(jù)塊

3.2 硬件構(gòu)成

1）PS307 電源模塊，供電模塊

2）S7-300系列CPU-2DP，中央處理器模塊

3）CP343模塊，與上位機(jī)以太網(wǎng)通信模塊

4）ET200M遠(yuǎn)程I/O，遠(yuǎn)程I/O通信模塊

5）DI模塊，數(shù)字量采集模塊

6）DO模塊，數(shù)字量輸出模塊

7）AI模塊，模擬量采集模塊

8）AO模塊，模擬量輸出模塊

3.3 上位機(jī)操作說(shuō)明

1）操作畫面

操作畫面用于生產(chǎn)過(guò)程中各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視（運(yùn)行、停止、故障、掉電等）和操作（啟、停等），分解鎖和聯(lián)鎖兩種操作方式。在解鎖方式下，各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可由畫面單啟、單停按鈕完成單一設(shè)備的獨(dú)立啟、停操作；在聯(lián)鎖方式下，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可統(tǒng)一的進(jìn)行順啟（小皮帶與給煤機(jī)依次順序啟動(dòng)）、順停（小皮帶與給煤機(jī)依次順序停止）、同啟（小皮帶與給煤機(jī)同時(shí)啟動(dòng)）、同停（小皮帶與給煤機(jī)同時(shí)停止）等操作。

對(duì)每一套倉(cāng)設(shè)備（振動(dòng)給煤機(jī)、小皮帶）可獨(dú)立進(jìn)行選中生產(chǎn)操作。對(duì)每一套倉(cāng)設(shè)備（振動(dòng)給煤機(jī)、小皮帶）可獨(dú)立進(jìn)行選中報(bào)警參與與取消操作。

每一套倉(cāng)設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)，要確認(rèn)是否“上電”，“本地/遠(yuǎn)程選擇”，“電機(jī)保護(hù)”。單設(shè)備校秤時(shí)，不參與聯(lián)鎖控制，完成后要復(fù)位校秤確認(rèn)。

2）配料畫面

配料畫面用于輸入和監(jiān)視各種煤種的煤量及水分的配比，以及實(shí)際、設(shè)定、累積煤量。每班操作前要復(fù)位清零累積量。

3）綜合畫面

綜合畫面綜合了操作畫面的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視功能與配煤畫面的實(shí)際、設(shè)定、累積煤量顯示。

4）趨勢(shì)畫面

趨勢(shì)畫面記錄了各設(shè)備的運(yùn)行情況以及實(shí)際和設(shè)定的煤量變化曲線。

5）報(bào)表畫面

報(bào)表畫面是班報(bào)表的打印畫面。

4 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題與解決方案

1）振動(dòng)給煤機(jī)遠(yuǎn)程控制時(shí)，不聯(lián)鎖停車，造成煤料掩埋小皮帶的故障。

故障分析：正常情況下，當(dāng)稱重小皮帶停止時(shí)，遠(yuǎn)程聯(lián)鎖點(diǎn)斷開，如圖，繼電器KA失電釋放，從而使振動(dòng)給煤機(jī)失電停止。但設(shè)計(jì)中操作電源使用了交流380V，線路過(guò)長(zhǎng)，加之KA線圈與指示燈HL并聯(lián)，因此當(dāng)小皮帶聯(lián)鎖點(diǎn)斷開時(shí)，由于指示燈的電感、電阻的作用，使A點(diǎn)并未懸空，而是產(chǎn)生比B點(diǎn)電位低大約100V的電位點(diǎn)，也就是說(shuō)A、B兩點(diǎn)間具有100V左右的電壓，使得KA不能有效釋放，造成不停車，煤料繼續(xù)傾下掩埋皮帶的故障。

圖2 改造前電路圖

解決方案：指示燈HL拆除，不與KA線圈并聯(lián)。這樣指示燈的電感、電阻作用不再出現(xiàn)，AB兩點(diǎn)不會(huì)再產(chǎn)生電壓，繼電器KA可以正常釋放。KA操作電源使用220V，使系統(tǒng)有一個(gè)清晰準(zhǔn)確的參考零電位，使系統(tǒng)失電時(shí)電源徹底斷開。

圖3 改造后電路圖

采用以上方案，問(wèn)題得到徹底解決，故障得到遏制。

2）系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，突加給定，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的故障。

故障分析：系統(tǒng)在啟動(dòng)瞬間，由于稱重小皮帶上還沒(méi)有物料，因此反饋信號(hào)幾乎為零，調(diào)節(jié)器給定偏差即為給定量，從而使輸出達(dá)到最大值，造成整流裝置立刻達(dá)到最大導(dǎo)通角，輸出電壓及電流瞬間突變?yōu)樽畲笾?。這樣的情況對(duì)整流裝置的穩(wěn)定運(yùn)行十分不利，極大地縮短了其使用壽命。同時(shí)，瞬間的大電壓和大電流沖擊振動(dòng)給煤機(jī)的線圈，大大縮短其使用壽命，且極易造成線圈燒損。瞬間的大電流使振動(dòng)給煤機(jī)劇烈振動(dòng)，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)也非常不利。

解決方案：從限制稱重積算器輸出量入手，稱重積算器輸出端加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)，時(shí)間設(shè)定為20秒，這樣在啟動(dòng)瞬間，雖然偏差很大，積算器的輸出量卻緩慢增加，去除了大電壓、大電流對(duì)設(shè)備的沖擊。

但在正常運(yùn)行中如果該積分環(huán)節(jié)仍起作用，勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度造成極大的影響，無(wú)法保證配煤比的準(zhǔn)確度，因此在啟動(dòng)完成后，即20秒鐘后，積算器自動(dòng)將此積分環(huán)節(jié)短接，使系統(tǒng)進(jìn)入正常調(diào)節(jié)狀態(tài)，從而既去除了啟動(dòng)瞬間的沖擊，又有保證了系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及配煤比的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語(yǔ)

包鋼焦化廠自動(dòng)配煤控制系統(tǒng)是PLC、儀表積算器、現(xiàn)場(chǎng)稱重系統(tǒng)的典型應(yīng)用，三者通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、Profiubus-DP網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)信息交互。采用動(dòng)態(tài)誤差累積計(jì)算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，能有效地控制配煤重量精度，提高配煤精度高，減少誤差?；炝掀?、給料皮帶等設(shè)備之間的聯(lián)鎖控制，配煤過(guò)程的可視化操作，使所有的控制均在終端上操作完成，提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。較高的配煤精度為穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，降低配煤成本，增加經(jīng)濟(jì)效益提供有利的技術(shù)支持。

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