作者簡介：齊海龍（1984-），男，機電工程師。研究方向為選煤設(shè)備的技術(shù)革新，設(shè)備維護保養(yǎng)檢修。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.029

摘" 要：肖家洼煤礦選煤廠以往汽運采用商品煤動態(tài)裝車系統(tǒng)，存在裝車能力不足、裝車精度不高、裝車成本較高、智能自動化程度低及裝車效率低等問題。針對以上情況設(shè)計基于西門子1214PLC的智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)，并進行為期1年的工業(yè)試驗，結(jié)果表明，該裝車系統(tǒng)可以實現(xiàn)動態(tài)自動定量裝車的目標(biāo)，單車裝車時間縮短至90 s內(nèi)，最大裝車量提高至1 200車/d，汽運能力提高至4萬t/d，裝車工作效率和智能自動化水平顯著提高，經(jīng)濟效益顯著。

關(guān)鍵詞：西門子1214PLC；商品煤；智能；動態(tài)自動定量；裝車系統(tǒng)

中圖分類號：TD352" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0124-04

Abstract： In the past， the coal preparation plant of Xiaojiawa Coal Mine used commercial coal dynamic loading system， which had some problems， such as insufficient loading capacity， low loading precision， high loading cost， low degree of intelligent automation， low loading efficiency and so on. According to the above situation， an intelligent fast dynamic automatic quantitative loading system based on Siemens 1214PLC is designed， and the industrial test for one year is carried out. The results show that the loading system can achieve the goal of dynamic automatic quantitative loading， the loading time is shortened to 90 s， the maximum loading capacity is increased to 1 200 vehicles/d， the automobile transportation capacity is increased to 40 000 t/d， the loading efficiency and intelligent automation level are significantly improved， and the economic benefit is remarkable.

Keywords： Siemens 1214PLC; commercial coal; intelligence; dynamic automatic quantification; loading system

選煤廠是煤炭生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是將原煤進行洗選、篩分和干燥處理，以獲得高質(zhì)量的煤炭產(chǎn)品。在洗選過程結(jié)束后，煤炭產(chǎn)品需要被裝車運出，供應(yīng)給客戶或用于其他工業(yè)應(yīng)用。傳統(tǒng)的裝車方式及自動裝車系統(tǒng)通常涉及人工操作，這種方法存在一系列問題，如裝車效率低、智能自動化程度低、操作人員勞動強度大及操作誤差大等。因此，選煤廠迫切需要一種智能快速動態(tài)自動定量的裝車系統(tǒng)，以提高裝車效率和裝車能力、減少運營成本并提高裝車操作的安全性。本文設(shè)計了一種基于PLC技術(shù)的選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足煤炭外運裝車操作的高效、精確和智能自動化需求。通過采用PLC技術(shù)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制，使其適應(yīng)不同的裝車情境和要求。此外，系統(tǒng)的快速性和動態(tài)性將確保裝車操作在高效率和靈活性的基礎(chǔ)上進行。選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于提高煤炭生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，并減少運營成本。

1" 工程概況

1.1" 概況

肖家洼煤礦選煤廠入洗肖家洼煤礦原煤，處理能力為8.0 Mt/a。采用塊煤重介淺槽分選+末煤2產(chǎn)品重介旋流器主再洗的分選工藝，主要產(chǎn)品有華進混煤、華進3號、華進精煤。

選煤廠主要工藝為：200～50（25）mm粒度原煤采用50（25）mm分級，經(jīng)8 mm脫泥進入重介淺槽分選機分選；脫泥后8～1 mm級末煤采用弧形篩＋末煤離心機回收。1～0.25 mm粗煤泥采用分級濃縮旋流器＋臥式沉降離心機脫水；0.25～0 mm級細(xì)煤泥采用濃縮機＋壓濾機脫水回收。

小于等于50（25） mm的末原煤，采用1 mm脫泥；脫泥后50～1 mm原煤采用兩產(chǎn)品重介旋流器主再洗工藝分選，小于1 mm級末煤采用分級旋流器分級，分級旋流器底流采用采用弧形篩＋末煤離心機回收；分級旋流器溢流進入濃縮+壓濾機回收細(xì)煤泥。

1.2" 商品煤動態(tài)裝車系統(tǒng)存在的問題分析

肖家洼煤礦選煤廠無鐵路運輸及自動裝車系統(tǒng)，主要依靠汽車運輸，裝車量較大。該選煤廠以往汽車外運商品煤主要是采用商品煤普通裝車系統(tǒng)在裝車站實施裝煤外運，在多年的外運過程中發(fā)現(xiàn)，該商品煤普通裝車系統(tǒng)存在較多問題。第一，裝車能力不足。以往商品煤普通裝車系統(tǒng)1.4 m膠帶機運煤量僅為1 400 t/h，單車裝車時間為90～120 s，最大裝車量為960車/d，選煤廠商品煤汽運能力僅為3.2萬t/d外運能力。原因分析，膠帶機小時運煤量有限，導(dǎo)致單車裝車時間過長，進而影響每天的總裝車量；此外該系統(tǒng)可能缺乏足夠的裝車站點或裝車設(shè)備，進一步限制了裝車能力。潛在影響，裝車能力不足可能導(dǎo)致裝車排隊等待時間過長，影響整體物流效率，同時增加了運輸成本。第二，操作環(huán)境較差，智能自動化程度較低。裝車量全部靠人工通過目測汽車衡積算器顯示量控制；裝車過程對人工熟練程度依賴較高，如目測控制和人工調(diào)整，導(dǎo)致操作環(huán)境質(zhì)量下降；同時欠裝及超裝現(xiàn)行明顯，且因人工操作，使得裝車過程缺乏準(zhǔn)確性和效率。潛在影響，人為操作帶來的欠裝或超裝，影響產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度，同時人工操作的效率低下會導(dǎo)致整體裝車速度減慢。第三，裝車成本較高。現(xiàn)場需要專門雇傭裝載機進行車輛補噸及超裝卸煤清理，年補噸費用約120萬元，裝車成本高。潛在影響：高裝車成本直接影響到產(chǎn)品的市場競爭力，增加了公司的運營成本。

針對肖家洼煤礦選煤廠商品煤裝車系統(tǒng)存在的問題，基于該選煤廠主要靠汽車運輸且裝車量大、裝車精度要求較高的需求，肖家洼煤礦選煤廠設(shè)計了一種基于1214PLC的智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)，不僅能夠解決現(xiàn)有的裝車效率和準(zhǔn)確性問題，還能長期降低成本，提升整體運營效率和安全性。

2" 基于PLC的商品煤智能動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)設(shè)計

在建設(shè)智能礦山的大背景下，肖家洼煤礦選煤廠為提高生產(chǎn)智能化水平，針對商品煤汽車外運中自動化程度低的問題進行了智能化改造，設(shè)計了基于1214PLC的商品煤智能動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)，該系統(tǒng)在提高汽車外運裝煤過程中的智能自動化水平外，還能提高裝煤精度和裝車量，大幅度提高裝車站裝煤效率。

2.1" 系統(tǒng)設(shè)計思路

智能動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)設(shè)計思路：①集成化控制，整合所有裝車流程和控制參數(shù)到1214PLC系統(tǒng)，使得整個裝車過程可以從一個中心點進行監(jiān)控和管理。②實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r收集和處理關(guān)于車輛、裝載量、速度等的數(shù)據(jù)，確保裝車精度和效率。③用戶友好的操作界面，設(shè)計一個直觀、易于理解和操作的用戶界面，使得操作人員可以輕松管理和調(diào)整裝車過程。④模塊化設(shè)計，系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計，以便于未來的升級和維護，同時能夠根據(jù)特定需要調(diào)整或增加新的功能。⑤安全和環(huán)境考慮，確保系統(tǒng)設(shè)計符合安全標(biāo)準(zhǔn)，減少操作過程中的安全風(fēng)險，并考慮到環(huán)境保護的需要。

系統(tǒng)設(shè)計方案：利用西門子小型模塊化PLC——西門子1214PLC開發(fā)自動定量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由控制計算機、PLC控制箱、汽車衡傳感器、翻板限位傳感器、大承載剪切梁傳感器、定量倉和電笛等構(gòu)成，計算機提前輸入裝載量，達到裝載量后，翻板自動翻轉(zhuǎn)，交替連續(xù)裝車，實現(xiàn)動態(tài)自動定量裝車的目標(biāo)，在降低對人工依賴性的同時提高了一次裝車的準(zhǔn)確性，該項目投資小，應(yīng)用效果明顯。

系統(tǒng)功能需求：①自動定量控制，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)條件或?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)整裝車量，確保裝載精度。②動態(tài)調(diào)整和反饋，在裝車過程中，系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整，并向操作員提供反饋。③故障診斷與報警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或操作異常時，能夠自動診斷并發(fā)出報警，確保及時的維護和修復(fù)。④數(shù)據(jù)記錄和報告，系統(tǒng)應(yīng)能自動記錄所有裝車數(shù)據(jù)，包括裝車量、車輛信息、操作時間等，并能生成詳細(xì)的報告。⑤遠程監(jiān)控和控制，提供遠程監(jiān)控和控制功能，以便于操作人員和管理層在不在現(xiàn)場的情況下也能管理裝車過程。⑥環(huán)境保護和節(jié)能措施，設(shè)計中應(yīng)包括降低粉塵排放和能源消耗的措施，以提升環(huán)境友好性。⑦人機交互界面，提供直觀的人機交互界面，以便操作人員可以輕松監(jiān)控和控制裝車過程。

2.2" 基本原理

利用PLC自動控制原理，編寫自動控制程序，通過采集汽車衡稱重傳感器及計算器數(shù)據(jù)，并安裝限位傳感器、大承載剪切梁傳感器，實現(xiàn)對裝車帶式輸送機、中部槽翻板電動機集中自動控制。系統(tǒng)能夠提前設(shè)定裝載量，達到設(shè)定量后，雙卸料中部槽翻板自動翻轉(zhuǎn)，交替連續(xù)動態(tài)裝車，裝車過程中無須人為干預(yù)系統(tǒng)。

PLC作為系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收各種傳感器的信號并根據(jù)預(yù)設(shè)程序作出相應(yīng)的控制決策。根據(jù)裝車需求編寫控制程序，程序能夠處理輸入信號，并作出快速、準(zhǔn)確的輸出決策。汽車衡稱重傳感器用于實時監(jiān)測裝車重量，確保裝載精度。計算器數(shù)據(jù)收集和處理汽車衡計算器的數(shù)據(jù)，用于監(jiān)控和控制裝車過程。限位傳感器確保裝車機械在正確的位置進行操作，防止裝車時發(fā)生位置偏差。大承載剪切梁傳感器用于精確測量載荷，確保裝車精度。操作員可以在系統(tǒng)開始前預(yù)設(shè)每輛車的裝載量，當(dāng)達到預(yù)設(shè)裝載量，PLC會指令中部槽翻板電動機自動翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)交替連續(xù)動態(tài)裝車。

2.3" 關(guān)健技術(shù)問題分析

PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)、系統(tǒng)功能的設(shè)置及不同種類傳感器通信的實現(xiàn)。大運量運煤帶式輸送機定量倉自動定量直接實現(xiàn)動態(tài)高效率、高精度裝車。

該商品煤智能動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)分為刷卡模塊、車廂規(guī)格檢測模塊、裝車任務(wù)確認(rèn)模塊和智能汽車快速定量裝車指揮模塊。

2.3.1" 刷卡模塊

刷卡模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，用于管理裝載操作的權(quán)限和記錄操作的相關(guān)信息。刷卡模塊的設(shè)計包括以下幾個方面。

刷卡權(quán)限管理：每位操作員和車輛都配備了獨特的刷卡卡片，卡片上存儲了操作員和車輛的信息。系統(tǒng)根據(jù)刷卡卡片上的信息來確定操作員和車輛的權(quán)限，只有被授權(quán)的操作員和車輛才能進行裝載操作。

操作記錄管理：系統(tǒng)記錄每一次刷卡操作的相關(guān)信息，包括操作員、車輛、時間和地點等信息。這些記錄可以用于后期的數(shù)據(jù)分析和管理。

2.3.2" 車廂規(guī)格檢測模塊

車廂規(guī)格檢測模塊用于檢測裝載車廂的規(guī)格和煤炭的重量，以確保裝載的準(zhǔn)確性。設(shè)計包括以下幾個方面。

規(guī)格檢測，通過傳感器和圖像識別技術(shù)，檢測車廂的尺寸和形狀，以確定其規(guī)格。重量檢測，通過稱重傳感器，檢測車廂內(nèi)的煤炭重量，以確保裝載的數(shù)量準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)傳輸，將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)，供后續(xù)的操作使用。

2.3.3" 裝車任務(wù)確認(rèn)模塊

裝車任務(wù)確認(rèn)模塊用于確認(rèn)裝車任務(wù)的信息，包括裝車的數(shù)量和目的地。設(shè)計原理包括以下幾個方面。任務(wù)信息接收，接收來自系統(tǒng)的裝車任務(wù)信息，包括裝車的數(shù)量和目的地。任務(wù)信息確認(rèn)，操作員通過人機界面確認(rèn)任務(wù)信息，確保任務(wù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)傳輸，將確認(rèn)后的任務(wù)信息傳輸給系統(tǒng)，供后續(xù)的操作使用。

2.3.4" 智能汽車快速定量裝車指揮模塊

智能汽車快速定量裝車指揮模塊用于實現(xiàn)對裝車過程的智能控制，包括裝載車輛的調(diào)度和裝載過程的控制及裝載數(shù)據(jù)的記錄。設(shè)計包括以下幾個方面。

裝載車輛調(diào)度：根據(jù)裝載任務(wù)和車輛狀態(tài)，智能調(diào)度裝載車輛，以確保裝載任務(wù)的高效完成。

裝載過程控制：監(jiān)控裝載過程，根據(jù)規(guī)格檢測和任務(wù)確認(rèn)的結(jié)果，控制裝載的開始和結(jié)束。

裝載數(shù)據(jù)記錄：記錄裝載過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括裝載數(shù)量、時間、地點等信息。

2.4" 工藝流程

1）利用西門子小型模塊化PLC——西門子1214PLC開發(fā)自動控制系統(tǒng)，通過采集汽車衡計量顯示數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對翻板的控制，如圖1所示。

2）在翻板左右兩側(cè)各增加一個接近開關(guān)，實現(xiàn)50%到位和100%到位控制，同時具備手動及自動控制功能，手動控制同改造之前，以便于裝車員使用。

3）自動控制主要由3步組成，一是提前輸入裝載量（即車輛毛重），默認(rèn)值為49 t，每側(cè)可以輸入10組數(shù)據(jù)。二是開始一側(cè)裝車后，PLC根據(jù)汽車衡儀表計量數(shù)據(jù)采集重量與輸入的裝載量進行數(shù)據(jù)比對，考慮中部槽落煤點與車廂頂端存在高度差，故每一側(cè)均根據(jù)實際測量，設(shè)置了超前量。三是一側(cè)完成裝車后，翻板自動倒在另一側(cè)開始裝車，實現(xiàn)自動循環(huán)裝車。

4）超前量及輸入設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試，里側(cè)中部槽（帶式輸送機機頭正下方）超前量（即提前倒翻板的量）設(shè)置為1.6 t，外側(cè)超前量設(shè)置為2.2 t（超前量根據(jù)現(xiàn)場中部槽結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場實測確定），裝車誤差控制在200 kg范圍。裝車系統(tǒng)默認(rèn)稱重量為49 t，可根據(jù)實際情況更改，每測一次輸入10組數(shù)據(jù)，可減少裝車員的輸入次數(shù)。

3" 實踐應(yīng)用效果及效益分析

3.1" 實踐應(yīng)用效果分析

肖家洼煤礦選煤廠采用基于西門子1214PLC選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)進行裝車站的裝煤外運后，應(yīng)用效果顯著。計算機提前輸入裝載量，達到裝載量后，翻板自動翻轉(zhuǎn)，交替連續(xù)裝車，實現(xiàn)動態(tài)自動定量裝車的目標(biāo)，在降低對人工依賴性的同時提高了一次裝車的準(zhǔn)確性。

①汽車外運裝車能力大幅度提高。應(yīng)用自動裝車系統(tǒng)后，1.4 m帶式輸送機運煤量從之前1 400 t/h提高至1 800 t/h，單車裝車時間從90～120 s縮短至90 s內(nèi)，最大裝車量從之前960車/d提高至1 200車/d，商品煤汽運能力從4 000 t/d提高至5 000 t/d的外運能力。②汽車外運裝車自動化程度大幅度提高。應(yīng)用自動裝車系統(tǒng)后，翻板由西門子1214PLC自動控制，裝車員只需提前將稱重量輸入電腦，控制電鈴指揮車輛前進即可，無須其他操作，一次完成裝車，減少對人工的依賴，提高裝車效率。③汽車外運裝車成本大幅度降低。應(yīng)用自動裝車系統(tǒng)后，對比之前超裝現(xiàn)象明顯減少，臨時煤場卸煤量減少，可節(jié)約裝載機等設(shè)備費用約120萬元/年，降低了汽車外運裝車成本。

3.2" 先進性分析

①基于1214PLC選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，為臨時性、大運量及多設(shè)備聯(lián)動（帶式輸送機、翻板、汽車衡和車輛）動態(tài)定量裝車的實現(xiàn)提供了案例，該系統(tǒng)應(yīng)用投資小，適用性強。②通過系統(tǒng)應(yīng)用，降低了裝車過程中對工人的依賴性，實現(xiàn)了設(shè)備之間數(shù)據(jù)共享互控。翻板控制按50%、100%開度設(shè)定，裝載量數(shù)據(jù)可10組同時輸入，在自動控制的同時仍具備手動功能，系統(tǒng)故障后可繼續(xù)由人工直接控制。③系統(tǒng)應(yīng)用后，選煤廠商品煤外運效率明顯提高，汽車外運裝車現(xiàn)場環(huán)境改善，車輛循環(huán)率提高，滿足礦井生產(chǎn)需求。

3.3" 經(jīng)濟效益分析

基于1214PLC選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)（含全套控制設(shè)備及系統(tǒng)開發(fā)費用）僅需4萬元，后期基本維護費用小，僅需更換故障傳感器等小部件。

選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)應(yīng)用后，汽車外運裝車準(zhǔn)確性可達99%以上，現(xiàn)場無須專門雇用裝載機進行車輛補噸及超裝卸煤清理，每年可節(jié)約補噸費用約120萬元（參照2020年補噸費用標(biāo)準(zhǔn)0.25元/t，500萬t×0.25元/t=125萬元，按過磅總量計算）。

單日最大裝車量由之前960車提高至1 200車，汽車外運能力提高至4萬t/d，加之輸煤系統(tǒng)，商品煤外運能力達到1 000～1 200萬t/年，匹配礦井能力。

單車裝車時間控制在90 s以內(nèi)，大幅度提高了裝運現(xiàn)場自動化水平，降低了工作的勞動量。

裝車場地灑煤情況明顯減少，臨時煤場內(nèi)卸煤明顯減少，環(huán)保壓力得到緩解。

4" 結(jié)束語

肖家洼煤礦選煤廠汽運以往采用商品煤動態(tài)裝車系統(tǒng)，存在裝車能力不足、自動化程度低、裝車成本較高等問題。針對性設(shè)計了基于1214PLC選煤廠智能快速動態(tài)自動定量裝車系統(tǒng)，計算機提前輸入裝載量，達到裝載量后，翻板自動翻轉(zhuǎn)，交替連續(xù)裝車，實現(xiàn)動態(tài)自動定量裝車的目標(biāo)，在降低對人工依賴性的同時，提高了一次裝車的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)在肖家洼煤礦選煤廠的實踐應(yīng)用效果理想，外運裝車能力大幅度提高，外運裝車自動化程度大幅度提高，外運裝車成本大幅度降低。系統(tǒng)投入及后期維護費用小，可為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)可以在同類型主要依靠汽車運輸且裝車量大、裝車準(zhǔn)確性較高的選煤廠進行推廣應(yīng)用，提高裝載效率，降低成本。

參考文獻：

[1] 韓二寧，李茂龍，張國華，等.汽車快速定量裝車系統(tǒng)的智能化升級改造[J].智能礦山，2022，3（4）：78-82.

[2] 劉利明，劉安重，胡金良，等.選煤廠全自動裝車系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].煤炭工程，2021，53（S1）：22-25.

[3] 李曉強.選煤廠的智能快速定量裝車系統(tǒng)設(shè)計[J].江西煤炭科技，2021（4）：188-189，192.

[4] 李建功.同忻礦快速定量裝車系統(tǒng)智能化改造及應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2021（10）：185-187.

[5] 成國利.動力煤選煤廠工藝系統(tǒng)局部優(yōu)化改造實踐[J].選煤技術(shù)，2021（4）：64-67.

[6] 楊瑞峰，解振海，胡運鵬.煤礦智能汽車定量裝車系統(tǒng)設(shè)計探討[J].選煤技術(shù)，2020（5）：89-93.