吳 雷

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，平頂山 467002）

選煤廠壓濾系統(tǒng)主要用于即將含煤泥廢水中的固態(tài)懸浮物和膠態(tài)懸浮物濾除，其中固態(tài)懸浮物主要成分為精煤煤粉，具有較高的商業(yè)價值[1]。早期選煤廠壓濾系統(tǒng)通過固定式機械控制，但隨著國家有關(guān)部門對工業(yè)環(huán)保的要求逐漸明晰化，選煤廠壓濾系統(tǒng)的自動化高精度控制需求被普遍應(yīng)用[2]。在大型機械設(shè)備自動化控制的相關(guān)研究文獻中，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）作為與強電控制系統(tǒng)耦合度最高的嵌入控制系統(tǒng)被廣泛研究[3]。該研究分析相關(guān)研究文獻中針對選煤廠壓濾系統(tǒng)PLC 的自動化控制開發(fā)模型，發(fā)現(xiàn)存在兩個極端，一是對PLC 的算力需求較高，需要使用高端PLC 完成控制過程；二是數(shù)據(jù)采集量較小，控制算法較為簡單，無法實現(xiàn)復雜控制目標[4]。

研究中，使用中央數(shù)據(jù)機房（internet data center，IDC）和PLC 通信接口相結(jié)合，使用最小化的PLC 配置，完善大數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘處理、信號反饋和自動化控制功能，有效提升選煤廠壓濾系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)最低能耗和最低材料消耗的目標下最高的壓濾機運行效率[5]。

1 壓濾機PLC 控制系統(tǒng)及其外圍系統(tǒng)

壓濾機的主體機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分為4 個構(gòu)件：①濾芯系統(tǒng)，由一系列導流板和濾芯板構(gòu)成，傳統(tǒng)壓濾機濾芯板使用硅藻土材質(zhì)，近期部分濾芯板使用石棉、合成纖維等材質(zhì)，但其根本原理是實現(xiàn)0.01 mm多孔微孔結(jié)構(gòu)，阻止煤泥漿中不容性固體和膠體顆粒通過，濾芯系統(tǒng)具有一定壽命，本研究中將設(shè)計一種電阻型探頭精確監(jiān)測濾芯壽命；②二次壓力系統(tǒng)，由線性液壓缸在液壓泵站的供能下，對污泥管進入到濾芯后方的承壓煤泥槳額外壓力，使煤泥漿中的液體沿導流槽析出，而不溶性固體、膠體顆粒落入出料系統(tǒng)進行回收；③出料系統(tǒng)，一般由塞拉式艙門和出料皮帶機構(gòu)成，塞拉式艙門關(guān)閉時，形成污泥壓濾艙室，塞拉式艙門打開時，壓濾艙室內(nèi)固體回收物落入出料皮帶機中；④液體循環(huán)系統(tǒng)，包括污泥泵入系統(tǒng)，使污泥管中進入壓濾艙室的煤泥漿具備一定初始壓力，二次壓力系統(tǒng)加壓過程中，煤泥漿中液體沿導水槽析出，進入工業(yè)廢水循環(huán)系統(tǒng)中[6-7]。上述4 個構(gòu)件的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 選煤廠壓濾機構(gòu)件間邏輯關(guān)系Fig.1 Logical relation diagram among filter press components in coal preparation plant

如果使用PLC 對該壓濾結(jié)構(gòu)進行控制，主要有以下3 點任務(wù)：①因為污泥管的進料、加壓板的二次加壓、出料系統(tǒng)的出料屬于順序控制過程，有效控制該動作接續(xù)節(jié)拍，減少不必要的時間消耗，可以有效提升壓濾機的工作效率；②監(jiān)控濾芯的工作狀態(tài)，確定濾芯壽命，控制濾芯更換窗口，有效提升濾芯的利用效率；③控制污泥管的污泥泵壓力和液壓缸的液壓泵壓力，使系統(tǒng)運行在最經(jīng)濟的壓力下，提升系統(tǒng)工作效率的同時達到節(jié)能目標[8]。

2 壓濾機PLC 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

綜上分析，該壓濾機PLC 控制系統(tǒng)分為3 個子系統(tǒng)，分別為濾芯壽命監(jiān)測子系統(tǒng)、順序節(jié)拍控制子系統(tǒng)、運行監(jiān)測子系統(tǒng)。

2.1 濾芯壽命監(jiān)測子系統(tǒng)

不論采用何種介質(zhì)，濾芯初始狀態(tài)為水潤多孔介質(zhì)，具有一定的電導率和伏安特性曲線，經(jīng)過多次過濾后，多孔結(jié)構(gòu)中部分空隙被固態(tài)顆粒堵塞，且部分孔壁纖維結(jié)構(gòu)被撕裂變形，也會導致其電導率和伏安特性曲線的變化。通過測量濾芯的電導率和伏安特性，可以觀察濾芯狀態(tài)變化，同時考察壓力板在不同壓力條件下的給進速度，觀察濾芯的液體通過特性，綜合分析上述數(shù)據(jù)以判斷濾芯的更換窗口[9-10]。該監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 濾芯壽命監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.2 Logic architecture diagram of filter element life monitoring system

從濾芯電阻探頭中獲得的電壓和電流數(shù)據(jù)匯總到一個超限學習機模塊中，從液壓缸探頭中獲得的液壓系統(tǒng)工作壓力和線性缸體移動速度數(shù)據(jù)匯總到一個超限學習機模塊中，兩個超限學習機模塊的輸出結(jié)果匯總到一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，最終輸出1 個經(jīng)過深度卷積的輸出數(shù)據(jù)，作為濾芯的壽命評價結(jié)果，該評價結(jié)果被訓練收斂到［0，1］區(qū)間上，當結(jié)果接近1.000 時認為濾芯狀態(tài)較佳，當結(jié)果接近0.000 時認為濾芯壽命結(jié)束，需要進行更換。但PLC 設(shè)備受制于其嵌入算力，無法運行超限學習機和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，所以，數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC 匯總后，將數(shù)據(jù)提交到IDC 中運行超限學習機和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再將評價結(jié)果返回到控制系統(tǒng)中。所以，PLC系統(tǒng)在濾芯壽命監(jiān)測任務(wù)中，僅需要采集相關(guān)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 濾芯壽命監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計Fig.3 Design drawing of filter element life monitoring system

參考前文分析過程，在濾芯中布置極板，將直流電源導入到濾芯各夾層中，采集系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流，液壓缸部分使用壓力探頭獲得液壓缸液壓壓力，使用流量探頭推測液壓桿行程，上述4 個探頭均設(shè)置專門的數(shù)字化元件將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，其中電流、液壓流量等電流數(shù)據(jù)使用電流比較器芯片構(gòu)建數(shù)字化元件，電壓、液壓壓力等電壓數(shù)據(jù)使用電壓比較器芯片構(gòu)建數(shù)字化元件，使用1臺專用PLC 管理該數(shù)據(jù)，PLC 外接網(wǎng)絡(luò)接口板實現(xiàn)與IDC 的通信[11-13]。

2.2 順序節(jié)拍控制子系統(tǒng)

污泥管使用球形截止閥配合擺線液壓缸控制，擺線液壓缸使用雙位截止閥控制，線性液壓缸使用三位換向閥控制，污泥泵需要變頻控制功能以調(diào)整污泥初始壓力，串聯(lián)斷路器、變頻器、接觸器進行控制，液壓泵站無需變頻功能，串聯(lián)斷路器、接觸器進行控制。該電動合并液壓控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電動合并液壓控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control system for electric merger

濾芯監(jiān)測控制器和順序控制器均為獨立的PLC系統(tǒng)，兩個PLC 系統(tǒng)在IDC 的集中服務(wù)下運行：①如前文所述，濾芯監(jiān)測控制器主要采集線性缸的壓力、流量數(shù)據(jù)和濾芯的電流電壓數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)自動化控制全過程，完整系統(tǒng)中，濾芯監(jiān)測控制器同時負責其它元件，如液壓閥位置及污泥管路的流量、壓力數(shù)據(jù)，斷路器、接觸器、變頻器均有內(nèi)置監(jiān)測嵌入系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)獨立匯總給IDC；②順序控制器負責向斷路器、接觸器、變頻器、三位閥、雙位閥發(fā)出控制信號，該信號主要有2 個來源，其一是機旁控制柜信號，其二為IDC 控制指令信號，集控系統(tǒng)通過IDC 向順序控制器發(fā)出信號，在沒有外部信號干預(yù)的情況下，順序控制器通過內(nèi)部編程及內(nèi)部時鐘發(fā)生器，順序控制上述系統(tǒng)的進料、壓濾、出料過程[14]。

2.3 運行監(jiān)測子系統(tǒng)

選煤廠壓濾機自動化控制系統(tǒng)運行過程中，需要監(jiān)測4 大類數(shù)據(jù)：①污泥管路的壓力、流量數(shù)據(jù)，該部分數(shù)據(jù)結(jié)果與濾芯監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果無關(guān)，但最后會由濾芯監(jiān)測控制器轉(zhuǎn)發(fā)到IDC，具體原因參照前節(jié)分析；②液壓系統(tǒng)的壓力、流量數(shù)據(jù)，該部分數(shù)據(jù)為濾芯監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要組成部分，由濾芯監(jiān)測控制器轉(zhuǎn)發(fā)到IDC；③濾芯伏安特性監(jiān)測數(shù)據(jù)，該部分數(shù)據(jù)為濾芯監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要組成部分，由濾芯監(jiān)測控制器轉(zhuǎn)發(fā)到IDC；④斷路器、接觸器、變頻器、三位閥、雙位閥運行數(shù)據(jù)，由相關(guān)組件嵌入板直接報送到IDC。該控制模式下，IDC 為PLC 分擔了大部分數(shù)據(jù)挖掘計算工作量，PLC 的主要任務(wù)為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，另外順序控制器PLC 中包含依據(jù)時鐘發(fā)生器信號程序化控制相關(guān)機械部件的任務(wù)。因為具體功能在上述兩個子系統(tǒng)中有具體論述，所以運行監(jiān)測系統(tǒng)在此處不展開論述[15-16]。

3 選煤廠壓濾機PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果實測分析

不考慮液壓系統(tǒng)、斷路器、變頻器、接觸器總成內(nèi)的嵌入系統(tǒng)，該選煤廠壓濾機PLC 控制系統(tǒng)，使用兩臺獨立PLC 系統(tǒng)完成壓濾機全系統(tǒng)控制。其中，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器將定置化探頭數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的各路監(jiān)測信號，使用濾芯監(jiān)測控制器PLC 系統(tǒng)匯總并報送到IDC 進行數(shù)據(jù)挖掘，各系統(tǒng)總成內(nèi)的嵌入系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號直接報送到IDC 進行數(shù)據(jù)挖掘，控制信號經(jīng)過順序控制器PLC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到各執(zhí)行部件。2020年10月至今，對某設(shè)計年產(chǎn)50 萬噸壓濾機部署該PLC 控制系統(tǒng)后，對比其它壓濾機進行試運行比較實驗，得到如下實測數(shù)據(jù)。

3.1 改造前后壓濾機產(chǎn)能及生產(chǎn)效率變化

該壓濾機設(shè)計年產(chǎn)能力50 萬噸（以濾出固態(tài)產(chǎn)物計算），年設(shè)計正規(guī)循環(huán)6000 小時，每小時設(shè)計生產(chǎn)能力85 噸。實測中，1 臺機組按照上述PLC控制系統(tǒng)優(yōu)化控制系統(tǒng)，比較另外3 臺使用傳統(tǒng)自動化控制模式的同型號機組均值數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 壓濾機產(chǎn)能及生產(chǎn)效率比較Tab.1 Comparison of production capacity and production efficiency of filter press

小時產(chǎn)能指壓濾機正規(guī)循環(huán)下每小時產(chǎn)出濾出固態(tài)產(chǎn)物（準精煤產(chǎn)品）的重量，年產(chǎn)能為考慮非正規(guī)循環(huán)影響壓濾機預(yù)計每年產(chǎn)出濾出固態(tài)產(chǎn)物的重量，濾芯周期指正規(guī)循環(huán)狀態(tài)下濾芯持續(xù)使用的時間，設(shè)備非正常工作期間的時間未計入濾芯周期內(nèi)，年正規(guī)循環(huán)指壓濾機運行在全程序化自動化控制狀態(tài)下的持續(xù)時間。因為該改進系統(tǒng)試運行尚未滿一年，上述年產(chǎn)能和年正規(guī)循環(huán)依據(jù)改進系統(tǒng)投入運行以來的持續(xù)運行記錄在線性回歸算法下形成推測結(jié)果。通過比較，使用改進系統(tǒng)后，小時產(chǎn)能提升2.14%，年產(chǎn)能提升3.06%，濾芯周期延長13.89%，年正規(guī)循環(huán)時間提升0.91%，考慮到選煤廠實際工業(yè)利潤率一般不超過8%，上述提升幅度對壓濾機的實際經(jīng)濟效益帶來較大程度影響。

3.2 改造前后壓濾機節(jié)能環(huán)保性能變化

分析壓濾機PLC 控制系統(tǒng)改造前后的耗電量和耗水量，耗電量包括壓濾機配套的全部泵機系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的耗電量；耗水量指壓濾機排除工業(yè)水循環(huán)重復利用的淡水資源量之后，其壓濾過程因為更換濾芯或蒸發(fā)作用等耗費的淡水資源量。同時比較壓濾機工作期間的液壓油消耗量，所有消耗量折算到每噸濾出固態(tài)產(chǎn)物中進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 改造前后壓濾機節(jié)能環(huán)保性能比較Tab.2 Comparison of energy saving and environmental protection performance of filter press before and after renovation

使用該研究中設(shè)計的壓濾機PLC 控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)耗電量降低6.73%，系統(tǒng)耗水量降低2.61%，液壓油消耗量降低2.41%。如前文所述，該壓濾機PLC控制系統(tǒng)在試運行期間獲得更高生產(chǎn)效率的同時，對水電及液壓油的消耗量也得到了有效控制。相關(guān)控制指標除前文中濾芯周期延長比率達到13.89%外，其它優(yōu)化指標均小于5%，但所有優(yōu)化指標對壓濾機經(jīng)濟效益的促進作用有疊加效應(yīng)，且因為壓濾機服務(wù)的選煤行業(yè)本身利潤率較低，該性能提升幅度具有客觀的實踐價值。

4 結(jié)語

研究中使用2 臺獨立PLC 控制器完成壓濾機全系統(tǒng)的自動化控制，PLC 無法高效完成的數(shù)據(jù)挖掘環(huán)節(jié)（如圖2中的超限學習機和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理環(huán)節(jié)）由PLC 的網(wǎng)絡(luò)通信卡部件將數(shù)據(jù)報送到IDC 中處理并將處理結(jié)果反饋給PLC 控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場實測表明，該壓濾機PLC 控制系統(tǒng)可以有效提升壓濾機的產(chǎn)能并實現(xiàn)一定的節(jié)能效果。未來包括壓濾機在內(nèi)的大型工業(yè)設(shè)備，其控制模式逐漸從自動化向智能化轉(zhuǎn)變，本研究發(fā)現(xiàn)在IDC 算力支持下，PLC 控制系統(tǒng)可以發(fā)揮出較強的自動化控制水平。未來研究中還將充分研究PLC 控制器在智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用模式，充分開發(fā)PLC 在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算領(lǐng)域的應(yīng)用場景。