林國富

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

跳汰選煤作為傳統(tǒng)重力選煤的一種，是利用煤和矸石之間存在的密度差異，在脈動的洗水中完成原煤分選的方法。跳汰選煤具有分選效果好，工藝相對簡單成熟，便于運(yùn)營維護(hù)管理，噸煤加工成本相對低廉等優(yōu)勢[1]，使其在競爭激烈的選煤行業(yè)里仍然占有很大的比例，尤其是在易選煤及中等可選煤的分選中表現(xiàn)出了很好的適用性。

采用跳汰選煤工藝的選煤廠中使用的設(shè)備通常有給煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、跳汰機(jī)、篩分設(shè)備、水泵、壓濾機(jī)等，要想保證這些設(shè)備的有序、協(xié)同及高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成原煤的洗選過程，離不開集中控制系統(tǒng)的保駕護(hù)航[2-5]。集中控制系統(tǒng)方案是否簡單、完善，運(yùn)行起來是否穩(wěn)定、可靠都會對整個(gè)選煤廠的有效洗選時(shí)間、洗選效率及經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重大影響，因此有必要對其進(jìn)行深入地研究和探討。

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，近些年來跳汰選煤廠使用的設(shè)備控制方案主要有三種(按鈕箱、操作臺、PLC)[6-13]，這三種控制方案都能在一定程度上滿足選煤廠的生產(chǎn)需求，但也都存在各自的局限性，且這三者存在一個(gè)共性的問題，即都是完全獨(dú)立于跳汰機(jī)、壓濾機(jī)等設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)，沒有實(shí)現(xiàn)整合，因此研究利用跳汰機(jī)、壓濾機(jī)等設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)來整合全廠設(shè)備的集控，使得設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)可以兼具集控系統(tǒng)的功能，對于簡化跳汰選煤廠集控系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 存在問題

目前，跳汰選煤廠普遍采用的設(shè)備控制方案主要有以下三種：

(1)在每臺設(shè)備附近的梁柱上安裝獨(dú)立的啟停按鈕箱，設(shè)備的啟?？刂仆ㄟ^點(diǎn)擊按鈕箱上的啟動停止按鈕實(shí)現(xiàn)[6-7]。

(2)在主選設(shè)備跳汰機(jī)控制盤柜旁邊安裝一個(gè)操作臺，將設(shè)備的啟停按鈕、調(diào)頻旋鈕及頻率顯示等控制系統(tǒng)硬件安裝于操作臺上，對每臺設(shè)備的控制均由跳汰司機(jī)一人操作相應(yīng)的按鈕旋鈕來完成[8-9]。

(3)通過引入上位機(jī)加PLC控制，為全廠設(shè)備增加一套集中控制系統(tǒng)，上位機(jī)負(fù)責(zé)人與設(shè)備之間的信息交互，PLC用于實(shí)現(xiàn)底層控制、信號采集[10-13]。

第一種方案的問題在于各個(gè)設(shè)備的控制點(diǎn)過于分散，全套設(shè)備啟停的過程中需要各個(gè)崗位工之間的協(xié)同配合，有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會延長整個(gè)啟停過程，縮短有效分選時(shí)間。此外，采用該方案的選煤廠設(shè)備之間沒有閉鎖關(guān)系，生產(chǎn)過程中設(shè)備上極容易出現(xiàn)堆煤壓煤的問題；即便通過硬件接線實(shí)現(xiàn)了閉鎖關(guān)系，線路也極為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)設(shè)備無法啟停等控制問題時(shí)，不便于查找問題所在。該方案在早期的選煤廠應(yīng)用較多，現(xiàn)在已很少單獨(dú)使用，通常僅作為第三種方案的補(bǔ)充控制方式。

第三種方案將設(shè)備的控制集中至操作臺，由跳汰司機(jī)一人按需完成，省去了各個(gè)崗位工之間的溝通交流，使崗位工不必分心于設(shè)備控制，在一定程度上可以縮短啟停車時(shí)間，增加每個(gè)生產(chǎn)班的選煤產(chǎn)量，但是控制設(shè)備啟停的按鈕距離設(shè)備較遠(yuǎn)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，跳汰司機(jī)不易察覺，無法及時(shí)停止設(shè)備的運(yùn)行，有可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大化；采用該方式控制的選煤設(shè)備之間一般也沒有閉鎖關(guān)系或靠硬件接線實(shí)現(xiàn)閉鎖。該方案在山西晉中一帶的選煤廠應(yīng)用較多。

第三種方案目前應(yīng)用較為廣泛，其優(yōu)勢在于設(shè)備之間的閉鎖關(guān)系可以通過PLC軟件編程來實(shí)現(xiàn)，可在一定程度上簡化硬件接線；此外，設(shè)備的狀態(tài)可以實(shí)時(shí)地反映在上位機(jī)畫面上，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，防止事故擴(kuò)大。該控制方式的問題在于：控制系統(tǒng)較為繁冗復(fù)雜，成本較高；投入使用前期，現(xiàn)場人員需要進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，使用過程中需要配備專門的集控操作員和具有一定電氣控制專業(yè)知識的維護(hù)人員。

針對以上方案存在的局限性，筆者在對山東嘉鑫煤業(yè)選煤廠設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將后兩種控制方案結(jié)合起來，用一方的優(yōu)勢彌補(bǔ)另一方的劣勢，提出了一種以跳汰機(jī)和壓濾機(jī)為控制核心，操作維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的簡化集中控制系統(tǒng)。

2 簡化集中控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

盡管跳汰選煤廠設(shè)備之間聯(lián)系密切，啟動停止都需要遵循一定的先后順序，但主要是圍繞著跳汰機(jī)、浮選機(jī)及壓濾機(jī)這三種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，因此以這三種設(shè)備為控制核心，將其他附屬設(shè)備的控制集成到這三類設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)中，形成三個(gè)集中控制點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)，浮選機(jī)及其附屬設(shè)備需要與跳汰機(jī)同步運(yùn)行，但浮選機(jī)廠家一般不提供獨(dú)立控制系統(tǒng)，因此將浮選機(jī)及其附屬設(shè)備的控制集成到跳汰機(jī)廠家自帶的控制系統(tǒng)中。這樣就形成了跳汰機(jī)和壓濾機(jī)為控制核心的兩個(gè)集中控制系統(tǒng)：跳汰集中控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制在選煤過程中需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，如給煤機(jī)、浮選機(jī)及篩分設(shè)備等；壓濾集中控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制在選煤過程中可以間隔一段時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備，如壓濾入料泵、刮板輸送機(jī)等。

3 控制系統(tǒng)硬件接線

3.1 跳汰集中控制系統(tǒng)硬件接線

跳汰集中控制系統(tǒng)硬件接線主要圍繞跳汰機(jī)自帶的PLC和觸摸屏展開設(shè)計(jì)，使二者既可以控制跳汰機(jī)又可以控制其他設(shè)備。

由于跳汰集中控制系統(tǒng)需要控制的設(shè)備較多，而跳汰機(jī)這類單機(jī)設(shè)備所用的都是小型的PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較少，盡管可以通過增加擴(kuò)展模塊增加I/O點(diǎn)數(shù)，但可擴(kuò)充的點(diǎn)數(shù)也是有限的，因此在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)盡量簡化硬件線路，節(jié)約I/O點(diǎn)數(shù)的使用。根據(jù)設(shè)備啟動方式的不同，具體硬件接線設(shè)計(jì)如下：對于帶式輸送機(jī)、篩分設(shè)備等直接啟動的設(shè)備，設(shè)備附近僅裝設(shè)緊急停止按鈕和運(yùn)行指示燈，不裝設(shè)啟動按鈕，而是通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)啟動功能。具體的硬件控制接線原理如圖1所示。

圖1 直接啟動設(shè)備硬件接線原理圖

由圖1可知，將斷路器QF、熱繼電器SF的輔助觸點(diǎn)串聯(lián)，接觸器KM輔助觸點(diǎn)及緊急停止按鈕SQ的常閉觸點(diǎn)等信號經(jīng)中間繼電器至PLC的DI模塊，作為程序判斷設(shè)備能否正常啟動并保持運(yùn)行的前提條件，條件具備，收到啟動信號后，PLC的DO模塊輸出使KC線圈通電，接觸器線圈回路接通，主觸點(diǎn)吸合，設(shè)備啟動并保持運(yùn)行。

對于風(fēng)機(jī)、水泵等需要通過變頻器、軟啟動器啟動的非直接啟動設(shè)備，除了在設(shè)備附近僅裝設(shè)緊急停止按鈕和運(yùn)行指示燈，不裝設(shè)啟動按鈕外，采用RS485通訊最大程度地簡化硬件接線[14-15]。具體的硬件控制接線原理如圖2所示。

圖2 非直接啟動設(shè)備硬件接線原理圖

由圖2可知，將斷路器QF的輔助觸點(diǎn)與緊急停止按鈕SQ的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，經(jīng)中間繼電器至PLC的DI模塊，作為程序判斷設(shè)備能否正常啟動并保持運(yùn)行的前提條件。程序?qū)ψ冾l器、軟啟動器等電器件的啟停控制，頻率的設(shè)置與讀取，故障的讀取都采用RS485通訊來實(shí)現(xiàn)，通過修改控制參數(shù)，使變頻器、軟啟動器等電器件的可編程輸出繼電器的常開點(diǎn)一旦接通，就表示變頻器或軟啟動器處于運(yùn)行狀態(tài)，并通過指示燈告知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 壓濾集中控制系統(tǒng)硬件接線

壓濾集中控制系統(tǒng)硬件接線主要圍繞壓濾機(jī)設(shè)備自帶的PLC和觸摸屏展開設(shè)計(jì)，使二者既可以控制壓濾機(jī)又可以控制其他設(shè)備。

壓濾機(jī)在工作的過程中需要嚴(yán)格遵循預(yù)先設(shè)定的工序，而在這些工序中，對外部設(shè)備的依賴主要體現(xiàn)在：上料工序中需要入料泵運(yùn)行為其供料；擠壓工序中需要空壓機(jī)運(yùn)行為其提供壓力穩(wěn)定的壓縮空氣；卸料工序中需要刮板輸送機(jī)運(yùn)行，將其卸下來的物料運(yùn)走。因此壓濾機(jī)廠家在設(shè)計(jì)壓濾機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，都預(yù)留了這些設(shè)備相關(guān)的啟停、聯(lián)鎖控制輸入輸出節(jié)點(diǎn)。

在壓濾集中控制系統(tǒng)硬件接線設(shè)計(jì)過程中，利用壓濾機(jī)自帶控制系統(tǒng)預(yù)留的上料按鈕和輸出節(jié)點(diǎn)控制入料泵的啟停。由于空壓機(jī)通常自帶完整的控制系統(tǒng)，因此不再為其設(shè)計(jì)其他控制線路，在實(shí)際生產(chǎn)中只需點(diǎn)擊一次啟動按鈕后，空壓機(jī)即可實(shí)現(xiàn)“加載-卸放-加載”的自動運(yùn)行控制。采用電機(jī)“啟動SQ1-保持KM-停止SQ2”控制電路(圖3)控制刮板輸送機(jī)的啟停，并將其接觸器的輔助觸點(diǎn)接至壓濾機(jī)控制系統(tǒng)中間繼電器KA1中，作為壓濾機(jī)拉板卸料的聯(lián)鎖信號。

圖3 刮板輸送機(jī)控制電路圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是跳汰集中控制系統(tǒng)觸摸屏畫面設(shè)計(jì)和PLC軟件程序的編寫。

4.1 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)

觸摸屏屏幕尺寸相對工控機(jī)而言較小，畫面空間有限，因此觸摸屏畫面設(shè)計(jì)總體思路主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)將不同的控制功能分布在不同的畫面空間內(nèi)，通過點(diǎn)擊按鈕來實(shí)現(xiàn)畫面之間的切換。

(2)設(shè)備附近不裝設(shè)實(shí)體啟動按鈕，設(shè)備的啟動完全通過操作工與觸摸屏之間的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)，操作工啟動設(shè)備時(shí)，點(diǎn)擊觸摸屏上設(shè)備圖標(biāo)的方框，彈出帶有啟動按鈕的小窗口，點(diǎn)擊啟動按鈕后，設(shè)備即可啟動。

(3)還可設(shè)置自動啟動方式，即在條件具備的前提下，通過點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的依次自動啟動。

(4)為某些在選煤過程中可能會停掉不用的設(shè)備，設(shè)置投入/切除轉(zhuǎn)換按鈕，使其不至于因?yàn)槁?lián)鎖關(guān)系，影響其他設(shè)備的運(yùn)行。

4.2 PLC軟件編程

在PLC程序編寫過程中，根據(jù)硬件接線原理的不同，編寫不同的程序段。

對于帶式輸送機(jī)、篩分設(shè)備等直接啟動的設(shè)備，依據(jù)電機(jī)“啟動-保持-停止”的控制原理編寫程序框圖，如圖4所示。

圖4 直接啟動設(shè)備軟件程序框圖

由圖4可知，手動啟動信號來自與觸摸屏關(guān)聯(lián)的PLC內(nèi)部變量；自動啟動時(shí)需要觸摸屏關(guān)聯(lián)的PLC內(nèi)部變量觸發(fā)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到觸點(diǎn)閉合，啟動設(shè)備，運(yùn)行反饋保持輸出線圈處于通電狀態(tài)，保持設(shè)備運(yùn)行，收到停止信號后輸出線圈斷電，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

對于風(fēng)機(jī)、水泵等需要通過變頻器、軟啟動器啟動的非直接啟動設(shè)備，利用PLC軟件內(nèi)的MSG指令，通過RS485通訊直接對變頻器和軟啟動器內(nèi)部相應(yīng)的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的控制。當(dāng)使用變頻器、軟啟動器的設(shè)備較多時(shí)，使用定時(shí)器累加值，分時(shí)段觸發(fā)不同設(shè)備的MSG指令，確保同時(shí)執(zhí)行的MSG指令條數(shù)在PLC的CPU允許的范圍內(nèi)。

5 應(yīng)用效果

目前該簡化集中控制系統(tǒng)在山東嘉鑫煤業(yè)選煤廠得到了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：

(1)采用RS485通訊等方法簡化硬件接線后，控制電纜的用量相較其他方案減少了1/2，一方面有效節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；另一方面降低了工人接線的勞動強(qiáng)度，從控制電纜敷設(shè)到完成接線僅需3～5 d時(shí)間，加快了電氣安裝進(jìn)度。

(2)現(xiàn)場使用過程中，系統(tǒng)對設(shè)備的控制準(zhǔn)確、可靠，尤其是對變頻設(shè)備頻率的讀寫控制，可實(shí)現(xiàn)頻率的0誤差調(diào)整。整套系統(tǒng)操作簡單，操作人員易于上手；并且線路簡單，故障率低，即便出現(xiàn)故障，電氣檢修人員很快就能查找到問題所在。

(3)按照工藝需求全廠設(shè)備完全可由跳汰和壓濾兩個(gè)崗位的工人操作控制，省去了專職的集控操作人員2名，節(jié)省的操作工人可專注于打掃崗位衛(wèi)生、維護(hù)設(shè)備等工作，減少了停機(jī)維護(hù)設(shè)備的時(shí)間，延長了設(shè)備的有效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，增加了每個(gè)班次的原煤入選量，為選煤廠創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

以跳汰機(jī)和壓濾機(jī)兩種設(shè)備自帶的控制系統(tǒng)為依托，設(shè)計(jì)了跳汰選煤廠簡化集中控制系統(tǒng)，解決了選煤廠現(xiàn)有的幾種設(shè)備控制系統(tǒng)存在的設(shè)備之間無閉鎖關(guān)系、系統(tǒng)線路復(fù)雜及控制點(diǎn)過于分散等問題。山東嘉鑫煤業(yè)選煤廠的實(shí)際應(yīng)用表明，該簡化集中控制系統(tǒng)線路簡單，建設(shè)周期短，操作簡單故障率低，有利于選煤廠的減員增效。需改進(jìn)之處是，壓濾集中控制系統(tǒng)中刮板輸送機(jī)等設(shè)備的控制未深度集成至壓濾機(jī)自帶的控制系統(tǒng)，有待于在今后的研究中改進(jìn)完善。