趙晉紅， 徐曉天， 王世隆

（1.山西晉煤集團(tuán)晟泰能源投資有限公司技術(shù)服務(wù)分公司， 山西 晉城 048000； 2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

灰分為煤充分燃燒后的殘留渣質(zhì)，其存在會(huì)降低煤炭熱力輸出，增加燃煤設(shè)備運(yùn)行負(fù)擔(dān)。受限于地質(zhì)條件和開采環(huán)境，出采的原煤灰分參差不齊，將原煤入洗可產(chǎn)出低灰分末煤。按比例摻配不同末煤調(diào)制成品煤灰分以滿足客戶需求是煤炭裝車出廠前的重要步驟。成莊礦現(xiàn)有配煤模式如圖1 所示。

圖1 成莊礦現(xiàn)有配煤模式

依據(jù)儲(chǔ)煤品質(zhì)計(jì)算配方，手動(dòng)控制開倉(cāng)放煤并專人核驗(yàn)灰分達(dá)標(biāo)與否。此模式配方粗放，隨機(jī)性高、勞作強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)效益低，不利于長(zhǎng)期生產(chǎn)。更換部分配煤設(shè)備，把全過程狀態(tài)量接入控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化算法替代原先配煤操作將有效壓縮成品煤灰分區(qū)間，降低人工干預(yù)，提升摻配效率[1-2]。

1 摻配硬件設(shè)備的改造

在煤倉(cāng)中布置倉(cāng)位監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)倉(cāng)位煤量信息。出洗后末煤依據(jù)灰分梯度入儲(chǔ)四個(gè)煤倉(cāng)，其中1號(hào)、4 號(hào)為高灰分粗煤，2 號(hào)、3 號(hào)為低灰分精煤。煤倉(cāng)四腳原先分列四臺(tái)給煤機(jī)，以固定速率出煤。改進(jìn)后每倉(cāng)以一臺(tái)稱重給煤機(jī)替換一臺(tái)普通給煤機(jī)，通過變頻器調(diào)節(jié)稱重給煤機(jī)上電機(jī)轉(zhuǎn)速控制落煤量。考慮到精煤不會(huì)混配，在傳送帶上部署2 臺(tái)皮帶秤，檢測(cè)1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)、4 號(hào)倉(cāng)中部下方對(duì)應(yīng)傳送帶上的煤料質(zhì)量。傳送帶末端安裝帶稱重功能的灰分儀檢測(cè)成品煤灰分和總重量。成品煤由翻板控制流往貨運(yùn)通道或列運(yùn)通道。摻配全過程狀態(tài)量與控制參數(shù)通過AI/AO 或DI/DO 模塊傳入下位機(jī)S7-300，下位機(jī)通過CP343 模塊與上位機(jī)的相連。整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 摻配設(shè)備改造

2 摻配軟件算法的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)依托PLC 和WinCC 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摻配算法程序，其主要構(gòu)成為保護(hù)檢測(cè)程序、灰分錨定程序和步進(jìn)PID 程序三部分。

2.1 保護(hù)檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)

心跳保護(hù)：為保證PLC 和WinCC 連接正常，設(shè)定PLC 時(shí)鐘寄存器，傳輸固定頻率方波信號(hào)給WinCC，WinCC 接收后對(duì)應(yīng)回復(fù)，以此判識(shí)連接是否正常。若PLC 在10 s 內(nèi)未接收到回應(yīng)，即判斷連接有誤，動(dòng)態(tài)摻配系統(tǒng)下線，切換為預(yù)設(shè)的固定摻配比并示警人工干預(yù)[3]。

啟停檢測(cè)：為保證龐大的摻配系統(tǒng)可靠運(yùn)行，啟動(dòng)前系統(tǒng)須運(yùn)行自檢程序校準(zhǔn)子系統(tǒng)。即校驗(yàn)煤倉(cāng)煤位信號(hào)是否高于最低裕度，給煤機(jī)和翻板開停是否靈敏，灰分儀和皮帶秤顯示是否正常。自檢通過后方可加載摻配算法[4]。此前系統(tǒng)將視情況運(yùn)行固定摻配比或停機(jī)待檢。

2.2 灰分錨定程序的設(shè)計(jì)

場(chǎng)地限制迫使灰分儀置于傳送帶末端，不可避免地會(huì)出現(xiàn)控制滯環(huán)。配煤開始時(shí)系統(tǒng)按照煤倉(cāng)煤品的入倉(cāng)灰分和多年人工摻配經(jīng)驗(yàn)估算大致配比并鎖定稱重給煤機(jī)頻率執(zhí)行固定摻配比配煤，持續(xù)1 min 后灰分儀開始顯示數(shù)據(jù)并反饋至S7-300，此時(shí)啟用動(dòng)態(tài)摻配算法。

灰分儀實(shí)時(shí)灰分?jǐn)?shù)據(jù)波動(dòng)較大，無法作為有效反饋使用，故在WinCC 中編寫腳本程序錨定灰分?jǐn)?shù)值變化，具體步驟如下：建立實(shí)時(shí)灰分?jǐn)?shù)組[a]并按序?qū)⑵淙∑骄⑵骄曳謹(jǐn)?shù)組[b]；比較數(shù)組[b]中當(dāng)前灰分均值和后一灰分均值建立灰分符號(hào)數(shù)組[c]。用“1”“-1”或“0”分別表示當(dāng)前灰分均值大于、小于或等于后一灰分均值；在數(shù)組[c]中按序每n個(gè)數(shù)一組求和得到符號(hào)和數(shù)組[d]；數(shù)組[d]中最接近于“0”的數(shù)據(jù)就是均灰分信號(hào)曲線的拐點(diǎn)，也可等效為實(shí)時(shí)灰分信號(hào)的峰值拐點(diǎn)[5]。

識(shí)別峰值拐點(diǎn)前后數(shù)組[d]中數(shù)據(jù)的增減情況即可得知該點(diǎn)是最高點(diǎn)還是最低點(diǎn)。取平均及求和步長(zhǎng)可由監(jiān)控端設(shè)定以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

2.3 PID 步進(jìn)整定程序的設(shè)計(jì)

程序的核心采用WinCC 腳本控制下的步進(jìn)PID 算法調(diào)配出煤量。獲取灰分曲線數(shù)據(jù)后，參考設(shè)置好的成品煤灰分閾值上下限，等時(shí)間間隔采集實(shí)時(shí)灰分值用于確認(rèn)當(dāng)前灰分?jǐn)?shù)據(jù)是否落在允許的灰分區(qū)間閾值內(nèi)。若不在該區(qū)間內(nèi)則算法程序依據(jù)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)逐步增大比例控制參數(shù)P的大小，使曲線盡快到達(dá)合理灰分區(qū)間之中。隨后采集P-P、X中、n、Δt四個(gè)參數(shù)量用于后續(xù)控制，其含義如表1 所示。

表1 灰分曲線中采集的參量

當(dāng)比例控制參數(shù)P粗調(diào)配置完成后，將依據(jù)上述四個(gè)參量細(xì)調(diào)PID 三參數(shù)，詳細(xì)的PID 步進(jìn)整定算法流程如圖3 所示。

PID 步進(jìn)整定開始后，若距離閾值區(qū)間較遠(yuǎn)，則每次步進(jìn)長(zhǎng)度比上一次多增5%，以此來快速逼近設(shè)定區(qū)間上下限。每次摻配完成后，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)該次摻配參數(shù)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便下次同模式配煤使用，提高靈活性[6]。

3 摻配性能的驗(yàn)證

依據(jù)摻配算法經(jīng)行配煤實(shí)驗(yàn)。設(shè)定成品煤目標(biāo)灰分為26%，選定煤品入倉(cāng)灰分8%～12%的3 號(hào)倉(cāng)和入倉(cāng)灰分24%～28%的4 號(hào)倉(cāng)。開啟動(dòng)態(tài)摻配系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)配煤灰分曲線如圖4 所示。

圖3 PID 步進(jìn)整定算法流程

圖4 動(dòng)態(tài)配煤灰分曲線

由圖可知，配煤系統(tǒng)穩(wěn)定后灰分上限閾值為25.6%，下線閾值為24.75%。全過程平均灰分為25.39%。與目標(biāo)灰分相差0.61%，系統(tǒng)運(yùn)行良好，可靠性較高。

4 結(jié)論

在原有的手動(dòng)摻配系統(tǒng)下簡(jiǎn)單改造而成的成莊礦末煤動(dòng)態(tài)摻配系統(tǒng)，全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行，精準(zhǔn)摻配，降低了人工干預(yù)成本，提高了資源配置效率，為同類工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了新思路。