張公平，姚文廣

(南大傲拓科技江蘇有限公司，江蘇 南京 211102)

基于NA400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張公平，姚文廣

(南大傲拓科技江蘇有限公司，江蘇 南京 211102)

為提高中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司選煤廠控制系統(tǒng)的控制效果和可靠性，設(shè)計(jì)了基于NA400系列PLC的集中控制系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成、功能、技術(shù)特點(diǎn)，并分析了其應(yīng)用效果。生產(chǎn)實(shí)踐表明：基于NA400系列PLC的集中控制系統(tǒng)，控制效果良好，可靠性極高，不但能夠?qū)崿F(xiàn)各遠(yuǎn)程分站選煤、運(yùn)煤設(shè)備的集中控制，而且可以對(duì)生產(chǎn)過程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、產(chǎn)能等進(jìn)行綜合評(píng)定。

NA400系列PLC；集中控制系統(tǒng)；控制效果；可靠性

中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司選煤廠(以下簡(jiǎn)稱山西金海洋選煤廠)位于山西省朔州市山陰縣北周莊鎮(zhèn)的中煤集團(tuán)金海洋工業(yè)園區(qū)內(nèi)，是一座處理能力為12 Mt/a的礦區(qū)型動(dòng)力煤選煤廠，洗選工藝為塊煤淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選、末煤重介質(zhì)旋流器分選、粗煤泥螺旋分選機(jī)分選、細(xì)煤泥加壓過濾機(jī)回收的聯(lián)合工藝[1]。結(jié)合該公司目前的動(dòng)力煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和市場(chǎng)情況，洗選產(chǎn)品共分為四種：塊煤(粒度為150～50 mm，Qnet.ar≥25.10 MJ/kg)、精煤(粒度為50～0 mm，Qnet.ar≥23.01 MJ/kg)、混煤(粒度為50～0 mm,Qnet.ar≥12.55～16.74 MJ/kg)、塊矸石(粒度為150～13 mm，Qnet.ar≤2.93 MJ/kg)。塊煤作為國(guó)內(nèi)外電廠用煤或代工用煤，精煤、混煤供國(guó)內(nèi)外電廠發(fā)電，塊矸石作為公司磚廠原料。

該廠于2013年年底投產(chǎn)運(yùn)行，為提高控制系統(tǒng)的控制效果和可靠性，設(shè)計(jì)了基于NA400系列PLC的集中控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱集中控制系統(tǒng))。集中控制系統(tǒng)的上位機(jī)采用以太網(wǎng)與PLC通訊，通過接收操作員的控制命令來完成對(duì)全廠設(shè)備的起?？刂?，以及對(duì)密度、壓力、桶位等參數(shù)的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)；同時(shí)，通過以太網(wǎng)將生產(chǎn)過程中的各種產(chǎn)品指標(biāo)、過程參數(shù)傳送至調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)全廠人力資源、物力資源的統(tǒng)籌安排。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，控制效果良好，可靠性極高，為選煤廠的安全、高效生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

1 集中控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

山西金海洋選煤廠集中控制系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等組成，系統(tǒng)框圖[2]如圖1所示。

圖1 集中控制系統(tǒng)框圖

1.1.1 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要設(shè)備為高壓配電柜、低壓配電柜、變頻柜，高壓配電柜為高壓電機(jī)、變壓器提供初級(jí)供電，低壓配電柜為低壓電機(jī)、PLC柜、皮帶機(jī)、刮板機(jī)、泵、傳感器等設(shè)備供電，變頻柜主要為泵、給煤機(jī)、部分皮帶機(jī)供電。

1.1.2 PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)選煤廠工藝設(shè)計(jì)要求和各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備工況及工作制度，集中控制系統(tǒng)采用分布式集中控制方式設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)有8個(gè)PLC分站(子系統(tǒng))，包括原煤準(zhǔn)備系統(tǒng)、塊煤分選系統(tǒng)、煤泥重介系統(tǒng)、再選與矸石系統(tǒng)、濃縮與尾煤壓濾系統(tǒng)、劣質(zhì)煤與矸石儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、末煤與塊煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、空壓機(jī)房系統(tǒng)。

以NA400系列PLC、工業(yè)以太網(wǎng)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)密度、壓力、操作信號(hào)的采集工作，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。PLC主站與上位監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理站通過光纖通訊，二者共同構(gòu)成管理層網(wǎng)絡(luò)。PLC主站與各現(xiàn)場(chǎng)層分站通過PROFIBUS-DP總線通訊，PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)集中控制系統(tǒng)的管理層，能夠完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集中管理和控制。該系統(tǒng)選用的組態(tài)軟件為GE的IFIX，采用開放的標(biāo)準(zhǔn)OPC通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與4臺(tái)上位機(jī)(包括1臺(tái)工程師站上位機(jī)和3臺(tái)操作員站上位機(jī))之間的通訊。

該系統(tǒng)主要監(jiān)控界面包括各工藝界面、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、保護(hù)一覽表、歷史趨勢(shì)、報(bào)警查詢、全廠預(yù)警、聯(lián)鎖查看、故障復(fù)位、權(quán)限管理、幫助等，主廠房部分監(jiān)控界面如圖3所示。

1.2 系統(tǒng)功能

(1)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控功能。集中控制系統(tǒng)能夠?qū)θ到y(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(程序啟停車、集中連鎖、事故閉鎖、報(bào)警、就地解鎖、PID控制等)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)不同狀態(tài)(運(yùn)行、就地、聯(lián)鎖、故障等)顯示不同顏色；同時(shí)，可對(duì)全廠風(fēng)機(jī)、照明等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)顯示皮帶稱瞬時(shí)煤量；此外，還具有動(dòng)態(tài)模擬顯示功能，如動(dòng)態(tài)模擬并顯示倉(cāng)位、桶位。

(2)分模式控制功能。全廠設(shè)備有三種控制模式，即全系統(tǒng)一鍵順序控制、單機(jī)集中控制、單機(jī)就地控制，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇不同的控制方式。

圖3 主廠房部分監(jiān)控界面

(3)閉環(huán)功能。所有桶位、料位、液位、壓力、密度參數(shù)可在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，廠房衛(wèi)生清掃泵根據(jù)浮球開關(guān)位置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。此外，各設(shè)備之間按生產(chǎn)工藝要求實(shí)現(xiàn)閉鎖控制。

(4)自診斷功能。在監(jiān)控軟件中及時(shí)、準(zhǔn)確地反映設(shè)備故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)等相關(guān)信息；提供通信診斷的相關(guān)信息，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并根據(jù)報(bào)警等級(jí)通過不同顏色實(shí)時(shí)顯示。

(5)曲線與報(bào)表功能。系統(tǒng)能對(duì)主要工藝參數(shù)(密度、壓力等)的實(shí)際值與目標(biāo)值進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析，還能將用戶關(guān)心的溫度、流量等信息以實(shí)時(shí)或歷史趨勢(shì)曲線的形式直觀表達(dá)出來；該系統(tǒng)還具有報(bào)警歷史查詢及打印、瞬時(shí)煤量歷史趨勢(shì)查詢及打印功能。

(6)冗余功能。為保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，計(jì)算機(jī)測(cè)控通訊網(wǎng)采用雙以太網(wǎng)冗余，當(dāng)其中一條網(wǎng)絡(luò)線出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)下位機(jī)控制器采用CPU401-0501H雙冗余控制器，以保障系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)集中控制系統(tǒng)過程中，充分考慮了其安全性、可靠性、精確性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、兼容性、可擴(kuò)展性[3]。就總體性能來說，系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)突出。

(1)安全性與可靠性。鑒于選煤行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)設(shè)備對(duì)集中控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求高，核心控制層采用全冗余(電源冗余、CPU冗余、通信主站冗余、雙網(wǎng)絡(luò)冗余等)架構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

(2)精確性。利用可編程控制器內(nèi)部的PID功能塊解算密度計(jì)、壓力傳感器、液位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的輸入信號(hào)(4～20 mA)，將檢測(cè)到的過程變量與設(shè)定值進(jìn)行比較，再通過模擬量輸出模塊輸出4～20 mA的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(加水調(diào)節(jié)閥、變頻器等)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力、密度、液位的目的。該方式的調(diào)節(jié)精度很高。

(3)兼容性與經(jīng)濟(jì)性。為了保證施工和后期運(yùn)行的高效性，現(xiàn)場(chǎng)各電機(jī)控制和設(shè)備保護(hù)信號(hào)均采用總線方式進(jìn)行采集。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類通信接口，選用NA400系列特殊通信模塊，如選用CMM401-0411與Dupline網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行通信，以提高系統(tǒng)的兼容性與經(jīng)濟(jì)性。

(4)可擴(kuò)展性。隨著企業(yè)的發(fā)展和自動(dòng)化程度的提高，大量新設(shè)備、新工藝必將投入使用。在設(shè)計(jì)之初，已經(jīng)考慮到后期可能擴(kuò)展的設(shè)備和站點(diǎn)的備用量，系統(tǒng)可擴(kuò)展性很強(qiáng)。

2 應(yīng)用效果

集中控制系統(tǒng)投入使用后，該選煤廠洗選效率大大提高，原煤入選量增加，目前實(shí)際原煤入選量達(dá)到14 Mt/a，遠(yuǎn)大于最初的設(shè)計(jì)能力。原煤入選量和洗選效率的提高，為選煤廠帶來一定經(jīng)濟(jì)效益。此外，廠內(nèi)原煤和產(chǎn)品能夠全部存放在倉(cāng)內(nèi)，園區(qū)環(huán)境得到很大改善；選后中煤、末矸石、煤泥可以進(jìn)行任意摻配，有利于為廠區(qū)電廠提供合格燃料。

該系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了對(duì)密度、液位的精確控制，能夠滿足各類產(chǎn)品煤的洗選要求。其中，稀介桶采用液位單閉環(huán)控制，通過調(diào)整比例、積分參數(shù)，使液位控制在±4%的范圍內(nèi)。合介桶采用密度、液位雙閉環(huán)控制，先對(duì)密度進(jìn)行控制再對(duì)液位進(jìn)行控制，當(dāng)密度高時(shí)將懸浮液分流，當(dāng)密度低時(shí)打開分配箱補(bǔ)介。分選密度在正常范圍內(nèi)時(shí)，通過調(diào)整比例、積分參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)液位控制在±4%的目標(biāo)[4]。

3 結(jié)語

基于NA400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)各遠(yuǎn)程分站選煤、運(yùn)煤設(shè)備的集中控制，而且能夠?qū)ιa(chǎn)過程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、產(chǎn)能等進(jìn)行綜合評(píng)定，功能強(qiáng)大。自該系統(tǒng)投入使用以來，運(yùn)行狀況良好，設(shè)備維護(hù)量大幅下降，大大減輕了工人的勞動(dòng)量，保證了選煤生產(chǎn)的安全、高效進(jìn)行，并帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益?；贜A400系列PLC的選煤廠集中控制系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)PLC在大型選煤廠的首次應(yīng)用，可為國(guó)內(nèi)其他自動(dòng)化設(shè)計(jì)公司在選煤行業(yè)開拓業(yè)務(wù)提供一定參考。

[1] 袁耀武. 煤炭洗選基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)教材[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[2] 中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì).選煤廠計(jì)算機(jī)應(yīng)用[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3] 陳 純.選煤廠電氣設(shè)備及自動(dòng)化[M]. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[4] 衛(wèi)玉花.選煤工藝流程智能設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2005.

Design and application of centralized control system based on NA400 series PLC in coal preparation plant

ZHANG Gong-ping, YAO Wen-guang

(Nanda Automation Technology, Nanjing, Jiangsu 211102, China)

To improve performance and reliability of control system in coal preparation plant of China coal group Shanxi golden ocean energy Co Ltd, centralized control system is designed on the basis of NA400 series PLC; this paper introduces component, function, and technical characteristic of this system as well as analyzes its application. The application shows that this system is more reliable and performance is better; it can centralized control equipment for coal handling and washing in each remote substation as well as offer general assessment of production, operational condition of equipment, alarming information and capacity etc.

NA400 series PLC; centralized control system; control effect; reliability

1001-3571(2015)01-0078-04

TD948.9

B

2015-01-26

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.023

張公平(1984—)，男，安徽省宿州市人，助理工程師，從事智能控制方面的研究。

E-mail：bhdxzgp@163.com Tel：025-68530188