吳 凱

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦選煤廠，山西 古交 030200）

引言

選煤廠是對煤礦所產(chǎn)出的原煤進行加工的場所，其中，煤泥壓濾系統(tǒng)是原煤被洗選后的煤泥漿料進行過濾壓榨的處理系統(tǒng)，其對應(yīng)的產(chǎn)生不僅可再次利用，而且可對洗選煤水進行回收再利用。當前，選煤廠壓濾控制系統(tǒng)所面臨的問題包括有智能化程度有限、入料量僅根據(jù)作業(yè)人員的經(jīng)驗判斷導(dǎo)致不穩(wěn)定、與其他系統(tǒng)配套的通訊及監(jiān)測設(shè)備的配置不完善、存在極大的安全隱患等[1]。因此為提升壓濾系統(tǒng)的效率、提升其自動化智能化水平，本文重點對選煤廠壓濾控制系統(tǒng)進行改造。

1 現(xiàn)狀分析

西曲礦選煤廠壓濾系統(tǒng)所采用的壓濾組件的具體型號為KM350/2000 的快開式隔膜壓濾機，所配置壓濾機的數(shù)量為4 臺，壓濾系統(tǒng)的組成如圖1 所示：

圖1 壓濾系統(tǒng)組成圖

如圖1 所示，選煤廠壓濾系統(tǒng)包括有攪拌池。PLC 控制柜、入料泵、壓濾機、輸送帶以及壓風機等組成。其中，攪拌池主要是實現(xiàn)煤泥料漿的合理配比；壓濾機作為壓濾系統(tǒng)核心其主要任務(wù)是實現(xiàn)煤泥料漿的脫水功能；壓風機為含水率降低的煤泥提供一定風壓實現(xiàn)壓榨功能；刮板輸送機對煤泥餅進行運輸；PLC 控制柜主要實現(xiàn)壓濾系統(tǒng)的自動化控制[2]。目前，壓濾控制系統(tǒng)所存在的問題可總結(jié)如下：

1）對于風壓榨環(huán)境，僅在系統(tǒng)工作前在上位機對壓榨時間參數(shù)進行設(shè)置，在設(shè)定時間完成壓榨環(huán)節(jié)后通過排水量由現(xiàn)場操作人員間接判斷含水率。上述方式智能化及可靠性偏低。

2）在實際壓濾過程中通過人工對入料時間進行估算，常會導(dǎo)致過濾程度不一的情況發(fā)生。即，經(jīng)常導(dǎo)致過濾不充分或者噴漿的情況發(fā)生。

3）由于缺乏對煤泥料漿濃度、管路壓力等參數(shù)的監(jiān)控導(dǎo)致時常發(fā)生管路堵塞，對壓濾系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備造成沖擊，進而降低設(shè)備的可靠性和整個系統(tǒng)運行的安全性。

4）當前壓濾控制系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備、儀表以及通訊系統(tǒng)配置的不完全，無法實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行全面、合理地監(jiān)控管理[3]。

綜上所述，當前急需對選煤廠壓濾控制系統(tǒng)進行改造設(shè)計，并對其控制策略進行設(shè)計。

2 壓濾控制系統(tǒng)的改造設(shè)計

本小節(jié)在對壓濾控制系統(tǒng)整體改造的基礎(chǔ)上，對相應(yīng)的硬件設(shè)備及控制規(guī)則進行設(shè)計。具體闡述如下：

2.1 壓濾控制系統(tǒng)的整體改造設(shè)計

通過對當前壓濾系統(tǒng)所存在的問題及原因進行分析后認為，解決上述問題的核心在于通過對壓濾設(shè)備和空氣壓縮機遠程監(jiān)測和控制的基礎(chǔ)上，對壓濾系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，最終達到對煤泥含水率進行精準、實時控制的目的。在原壓濾控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計改造后的壓濾控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示，改造后的壓濾控制系統(tǒng)以PLC 控制、變頻器等為核心，對現(xiàn)場壓濾設(shè)備、空氣壓縮機等設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測和對系統(tǒng)液壓油壓力、溫度、管路壓力、流量等參數(shù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對壓濾系統(tǒng)中入料泵和空氣壓縮機的實時精準控制以確保最終煤泥含水率滿足要求[4]。

圖2 壓濾控制系統(tǒng)改造后系統(tǒng)圖

2.2 PLC 及現(xiàn)場設(shè)備的選型設(shè)計

2.2.1 PLC 控制器的選型設(shè)計

PLC 控制器為本次改造的核心重點，PLC 控制器肩負著對監(jiān)測參數(shù)的分析處理和對控制信號的傳輸（包括上位機和現(xiàn)場設(shè)備）。結(jié)合壓濾控制系統(tǒng)的工況，PLC 控制器需對整個系統(tǒng)的運行方式、各級設(shè)備的運行狀態(tài)、液壓油缸的壓力、各限位開關(guān)的狀態(tài)、管路的壓力及流量等數(shù)字和模擬信號進行分析處理；同時，在對上述參數(shù)分析處理的基礎(chǔ)上通過以太網(wǎng)接口上傳至上位機，實現(xiàn)各項參數(shù)的實時顯示和記錄；通過Profibus 接口將控制信號傳遞至現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)對變頻器的控制；對超出閾值的參數(shù)發(fā)出報警功能并及時停機。

結(jié)合工業(yè)中PLC 控制器的應(yīng)用情況，本工程所配置的PLC 控制器為S7-300 系列。同時，結(jié)合實際工況為其配置數(shù)字量輸入點數(shù)為37，數(shù)字量輸出點數(shù)為22，模擬量輸入點數(shù)為3。PLC 控制器其他功能模塊的選型如表1 所示：

表1 PLC 控制器相匹配的其他功能模塊選型

2.2.2 現(xiàn)場設(shè)備的選型

現(xiàn)場設(shè)備包括有傳感器、觸摸屏以及變頻器，選型結(jié)果如表2 所示。

表2 現(xiàn)場設(shè)備選型結(jié)果

值得注意的是，變頻器的選型需考慮空氣壓縮機（55 kW）和入料泵（75 kW）的實際額定功率。

3 壓濾系統(tǒng)控制策略的改造及功能實現(xiàn)

目前，壓濾控制系統(tǒng)僅采用單純的電氣控制策略實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的控制。在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)電氣控制控制略存在延時長、精度不高等問題。綜合當前工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的PID 和模糊PID 控制策略，本節(jié)將在對比上述兩種策略控制效果的基礎(chǔ)上，最終選擇最適用于選煤廠壓濾控制系統(tǒng)的控制策略。

以入料泵的控制為例，采用PID 控制策略，其對應(yīng)的控制目標將入料泵壓強保持在0.75 MPa 左右；當通過壓力變送器所檢測的壓強與目標值存在偏差時，通過對入料泵變頻器的控制實現(xiàn)對入料流量的控制，最終實現(xiàn)入料壓力的恒定[5]。針對入料泵壓力的控制對應(yīng)的PID 的初始參數(shù)為：比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)0.51、積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)為0.4，微分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)為0.05。

同樣以入料泵的控制為例，采用模糊PID 控制策略進行控制，其對應(yīng)的控制目標同樣為保證入料泵壓力的恒定。區(qū)別在于模糊PID 控制策略能夠基于對模糊算法對PID 的初始參數(shù)進行調(diào)整，最終實現(xiàn)對入料泵壓力在最短的時間內(nèi)完成恒定控制。基于模糊算法整定后的PID 控制器參數(shù)為：比例環(huán)節(jié)為0.4、積分環(huán)節(jié)為0.5，微分環(huán)節(jié)為0.02。

兩種控制方式的仿真結(jié)果對比如表3 所示：

表3 PID 策略與模糊PID 策略的控制效果對比

如表3 所示，采用模糊PID 控制策略整個系統(tǒng)達到平衡所需的時間與采用PID 策略明顯減小一倍；同時，在整個調(diào)整控制過程中模糊PID 控制策略的超調(diào)量較小，即對系統(tǒng)的影響、沖擊較小。

4 結(jié)語

煤泥壓濾系統(tǒng)為選煤廠的重要組成部分，其控制系統(tǒng)的性能直接決定選煤廠的工作效率和節(jié)能減排生產(chǎn)的目標。針對傳統(tǒng)雅壓濾系統(tǒng)自動化智能化水平、控制精度不足以及安全系數(shù)低問題，基于PLC控制器和變頻器實現(xiàn)對傳統(tǒng)壓濾系統(tǒng)的硬件改造；并對比模糊PID 策略和PID 控制策略對入料泵壓力控制的響應(yīng)時間和超調(diào)量，最終選用基于模糊PID控制策略對選煤廠壓濾系統(tǒng)進行控制。