閆 杰

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦 選煤廠, 山西 古交 030200)

0 引言

在選煤廠的生產(chǎn)過(guò)程中，利用煤炭與煤炭中雜質(zhì)的不同，將原煤篩選成不同質(zhì)量的煤炭產(chǎn)品，供給其他用戶(hù)使用。重介選煤是煤炭洗選工藝中較常見(jiàn)的一種選煤方法，原煤首先通過(guò)原煤分級(jí)篩和破碎機(jī)進(jìn)行篩分得到小塊原煤，放在緩沖倉(cāng)轉(zhuǎn)存，然后控制系統(tǒng)根據(jù)需求，不斷將緩沖倉(cāng)內(nèi)的原煤輸送到三產(chǎn)品重介旋流器，經(jīng)過(guò)旋流器后，生產(chǎn)出精、中、矸三種產(chǎn)品，再由離心機(jī)脫水后存放在不同的倉(cāng)內(nèi)[1]。重介選煤過(guò)程中使用的設(shè)備包括原煤分級(jí)篩、重介旋流器、帶式輸送機(jī)、浮選機(jī)、卸料器和給煤機(jī)等。在上述設(shè)備非正常工作情況下，容易出現(xiàn)振動(dòng)幅度增加、位移加大等現(xiàn)象，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡或者轉(zhuǎn)子彎曲故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，此時(shí)，如果能對(duì)振動(dòng)信號(hào)及時(shí)進(jìn)行采集與分析，將信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，提示工作人員故障的發(fā)生，將會(huì)避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，減輕設(shè)備損傷。本文結(jié)合選煤廠常見(jiàn)故障和安全隱患，設(shè)計(jì)了一套選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)特征進(jìn)行提取，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和緩沖倉(cāng)瓦斯?jié)舛鹊脑诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)控管理層三個(gè)部分組成。現(xiàn)場(chǎng)采集層采集的信號(hào)包括選煤廠設(shè)備的加速度信號(hào)、位移信號(hào)和緩沖倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛?；?shù)據(jù)傳輸層包括RS485總線(xiàn)模塊和以太網(wǎng)模塊，可以完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；監(jiān)控管理層基于LabVIEW開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，嵌入模糊控制算法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，并在可視化界面中顯示故障位置，直觀地對(duì)選煤廠相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和緩沖倉(cāng)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)控。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)

2.1 主控器選型

S7-300 PLC是由西門(mén)子公司生產(chǎn)的一款可編程邏輯控制器，具有性?xún)r(jià)比高、抗電磁干擾性強(qiáng)、抗振動(dòng)沖擊性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)控制領(lǐng)域，可擴(kuò)展模塊上限為32個(gè)，網(wǎng)絡(luò)連接方式包括MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)[2]。利用STEP軟件進(jìn)行程序的啟動(dòng)與測(cè)試，常用的編程語(yǔ)言包括順序功能圖、梯形圖等。

2.2 傳感器選型

傳感器選取主要考慮的因素有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、測(cè)量準(zhǔn)確度、供電電壓等。在選煤廠的使用中，應(yīng)選擇本質(zhì)安全型傳感器。

2.2.1 加速度傳感器

由于本系統(tǒng)中所測(cè)的旋流器、浮選機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)頻率快、振動(dòng)幅度大且現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境惡劣，因此本文選用型號(hào)為608A11的加速度傳感器。該傳感器通常應(yīng)用于設(shè)備振動(dòng)和沖擊的測(cè)量，其量程為±50g，測(cè)量分辨率為350×10-6g，可以在-55 ℃～+120 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，保證檢測(cè)靈敏度在110 mV/g以下。該傳感器是平面剪切結(jié)構(gòu)的無(wú)源、正壓電效應(yīng)的傳感器，具有高精度、耐沖擊等特性，因其穩(wěn)定的工作性能被廣泛應(yīng)用于煤礦設(shè)備監(jiān)測(cè)中。

2.2.2 位移傳感器

位移傳感器選用MIRAN(米朗)ML33電渦流位移傳感器，主要由探頭、前置器、附件三部分組成。該傳感器可測(cè)量金屬導(dǎo)體距探頭表面距離，并將距離信號(hào)處理成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，具有較穩(wěn)定的輸出特性，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。

2.2.3 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器

目前，常用的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器主要有催化傳感器、光纖傳感器和紅外檢測(cè)傳感器。其中，催化傳感器同時(shí)采用催化原件和熱導(dǎo)元件，可以對(duì)4%～100%的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，被廣泛應(yīng)用于礦井安全生產(chǎn)中[3-4]。

在本系統(tǒng)中瓦斯檢測(cè)傳感器選型為GJC4甲烷傳感器，相比于傳統(tǒng)甲烷檢測(cè)傳感器，該傳感器具有恒溫檢測(cè)敏感元件，可以保證在高濃度瓦斯的環(huán)境中檢測(cè)元件不被損壞，本身具有顯示功能和報(bào)警/斷電功能，方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看。其輸出信號(hào)頻率與甲烷濃度具有線(xiàn)性關(guān)系，在不同瓦斯?jié)舛认?，傳感器的測(cè)量范圍與誤差如表1所示。

表1 GJC4甲烷傳感器測(cè)量范圍與誤差

2.3 跑偏開(kāi)關(guān)配置

為了防止原煤運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生物料溢出、傾灑等情況，需要在帶式輸送機(jī)的兩側(cè)安裝跑偏開(kāi)關(guān)。本系統(tǒng)中，選擇跑偏開(kāi)關(guān)型號(hào)為KTP1-12-30，該傳感器動(dòng)作角度為12°，極限角度為30°，安裝于立輥下方1/3處。當(dāng)立輥傾斜大于12°時(shí)，立即發(fā)出一組開(kāi)關(guān)信號(hào)；若立輥繼續(xù)傾斜大于30°，則輸出另一組開(kāi)關(guān)信號(hào)，兩組開(kāi)關(guān)信號(hào)可分別用于告警和停機(jī)。傳感器外殼采用鋁合金精密壓鑄，具有較高強(qiáng)度，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安裝需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

PLC程序通過(guò)STEP軟件進(jìn)行編程，采用結(jié)構(gòu)化的程序語(yǔ)言，主要實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、I/O控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸[5]。程序的主要功能是完成傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送：數(shù)據(jù)采集對(duì)象包括加速度傳感器、位移傳感器、瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器；在瓦斯檢測(cè)傳感器采集到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，需要通過(guò)模糊控制算法對(duì)煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析，確定是否需要發(fā)出預(yù)警信號(hào)。數(shù)據(jù)發(fā)送功能主要通過(guò)RS485模塊和以太網(wǎng)通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 模糊控制算法

選煤廠原煤入倉(cāng)過(guò)程中，煤層高度不斷增加，阻擋空氣流通，加上頂層空氣空間變小，使得倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛炔粩嗌蠞q，容易引發(fā)安全事故，因此，需要不斷啟停風(fēng)機(jī)來(lái)控制倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛?。在本系統(tǒng)中，為了能根據(jù)緩沖倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛葴?zhǔn)確控制煤倉(cāng)風(fēng)機(jī)的啟停，引入模糊控制算法，以增加控制的準(zhǔn)確度。

相比PID控制器，模糊控制將語(yǔ)句作為控制變量，方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員的調(diào)試，工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，定義系統(tǒng)控制的規(guī)則，具有操作靈活方便、簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，適用于選煤廠的風(fēng)機(jī)控制。

在選煤廠瓦斯?jié)舛饶：刂七^(guò)程中，煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛扔洖镃，C0為設(shè)置的安全濃度初值，通過(guò)對(duì)兩者進(jìn)行比較，得到誤差差值e和誤差變化率ec，將這兩個(gè)數(shù)值輸入到模糊控制器中得到模糊控制變量ux，通過(guò)疊加、數(shù)模轉(zhuǎn)換得到實(shí)際控制量k，PLC控制器最終通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)電流達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3.3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要軟件平臺(tái)在LabVIEW的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，LabVIEW是NI公司研發(fā)的核心軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它為用戶(hù)提供了大量的用于信號(hào)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)的函數(shù)和工具，極大地簡(jiǎn)化了工業(yè)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和難度，從而使得LabVIEW在交通、過(guò)程控制和醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用[6]。本系統(tǒng)中的上位機(jī)LabVIEW軟件的主要功能包括在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、故障診斷，使選煤廠設(shè)備故障可視化。

4 總結(jié)

本文在介紹選煤廠生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。選擇S7-300 PLC作為主控制器，對(duì)加速度傳感器、位移傳感器、瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器進(jìn)行選型，實(shí)現(xiàn)了選煤廠關(guān)鍵設(shè)備和緩沖倉(cāng)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。通過(guò)模糊控制算法，對(duì)原煤存放緩沖倉(cāng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，保證瓦斯?jié)舛仍诎踩秶鷥?nèi)。利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)顯示程序，搭建了選煤廠設(shè)備故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了選煤廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。