摘 要：在我國(guó)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的大背景下，傳統(tǒng)的煤炭洗選系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)如今社會(huì)發(fā)展的需求。為了提升煤炭洗選廠的經(jīng)營(yíng)效益，本文采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，以A洗選廠為例，分析了洗選控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，制定了硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略。本文設(shè)計(jì)的煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)大幅提升了煤炭洗選的質(zhì)量和效率，能夠?yàn)槊禾可a(chǎn)企業(yè)升級(jí)改造洗選系統(tǒng)提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：洗選系統(tǒng)；智能化控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD 92" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著工業(yè)制造行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求量也在逐漸增加。煤炭是我國(guó)主要能源之一，煤炭的開(kāi)采與使用非常重要。在煤礦生產(chǎn)中，作為生產(chǎn)中的重要一環(huán)，煤炭洗選可以提高煤炭作業(yè)的生產(chǎn)效率，提升煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)工藝和裝備遺留的問(wèn)題漸顯，在一定程度上阻礙了煤礦產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在煤炭洗選過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、提高效率并保障洗選質(zhì)量，煤礦企業(yè)會(huì)積極引入各種先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)來(lái)提升煤炭洗選系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度。由于科學(xué)技術(shù)迭代更新速度較快且煤礦洗選系統(tǒng)的日常使用消耗較大，因此需要及時(shí)對(duì)煤炭洗選系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能確保其時(shí)刻處于良好運(yùn)行狀態(tài)。因此對(duì)煤炭洗選系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，可以提升煤礦作業(yè)的整體效率，并降低能耗，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的提質(zhì)增效目標(biāo)。

1 煤炭洗選控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

A煤炭洗選廠成立于2006年，設(shè)計(jì)規(guī)模為20.0Mt/a，原煤煤種牌號(hào)為長(zhǎng)焰煤、不黏煤，共設(shè)有2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的洗選系統(tǒng)。該洗選廠從建立至今一直處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，出現(xiàn)了設(shè)備老化嚴(yán)重、自動(dòng)化程度較低的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了洗選作業(yè)效率。A煤炭洗選控制系統(tǒng)現(xiàn)今存在的主要問(wèn)題如下。

1.1 軟硬件兼容性較差

由于A煤炭洗選廠建設(shè)時(shí)我國(guó)工業(yè)體系建設(shè)尚不完善，因此大多數(shù)煤炭生產(chǎn)設(shè)備都是從國(guó)外進(jìn)口的。例如煤炭洗選設(shè)備，多數(shù)從德國(guó)、日本等國(guó)家采購(gòu)。但這些設(shè)備均根據(jù)制造國(guó)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，在A煤炭洗選廠應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)選型不匹配和系統(tǒng)兼容性較差的問(wèn)題，為后期的系統(tǒng)升級(jí)改造帶來(lái)了較大困難。

1.2 集成化程度較低

由于在前期設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，A煤炭洗選廠的布局缺乏合理性，導(dǎo)致各作業(yè)流程之間相對(duì)獨(dú)立，未充分考慮協(xié)調(diào)運(yùn)行的問(wèn)題，使提升系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和重介洗選系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)處于獨(dú)立作業(yè)狀態(tài)，每個(gè)系統(tǒng)都有專屬的供電線路，就為進(jìn)行多級(jí)控制管理帶來(lái)了較大困難。

1.3 維護(hù)保養(yǎng)成本高

隨著設(shè)備不斷升級(jí)改造，綜合考量經(jīng)濟(jì)成本，A煤炭洗選廠更新了使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的設(shè)備，并升級(jí)了控制系統(tǒng)。雖然可以在一定程度上提升設(shè)備的工作效率，但也會(huì)造成設(shè)備型號(hào)多樣、系統(tǒng)運(yùn)行不協(xié)調(diào)的問(wèn)題[1]。隨著生產(chǎn)線不斷擴(kuò)大，設(shè)備逐漸增多，對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)和運(yùn)行監(jiān)控成為沉重的負(fù)擔(dān)，尤其對(duì)老化設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的成本將大幅增加，嚴(yán)重影響了選煤廠的生產(chǎn)效益。

2 煤炭洗選系統(tǒng)智能化控制優(yōu)化方案

2.1 監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化

煤礦洗選廠敷設(shè)各種有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際工作環(huán)境相對(duì)惡劣，導(dǎo)致傳輸線路在實(shí)際運(yùn)作中容易出現(xiàn)故障，維護(hù)工作難度較大?？紤]煤礦洗選廠實(shí)際工作環(huán)境，可以利用無(wú)線信息高速路解決有線網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)和維護(hù)難度大的問(wèn)題。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以提供穩(wěn)定的上下行傳輸能力，還能完全整合現(xiàn)有的有線檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，數(shù)據(jù)計(jì)入設(shè)備的互聯(lián)使各設(shè)備之間能夠相互傳輸控制數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心和監(jiān)控服務(wù)器。該解決方案將有助于提高洗選廠的智能化管理水平，并提升工作效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2 視頻調(diào)度功能優(yōu)化

基于智能化建設(shè)要求，可以通過(guò)移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)手持臺(tái)快速回傳現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)。具體視頻調(diào)度的運(yùn)作流程如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，該視頻調(diào)度功能能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體視頻調(diào)度處理，從而能全面提升緊急事件處置響應(yīng)速度。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化

煤礦洗選廠內(nèi)的巡視人員可以通過(guò)手持終端對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行移動(dòng)控制和全面監(jiān)測(cè)。具體功能如下。1）搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在巡檢主要區(qū)域和路線上搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，確保整個(gè)廠區(qū)范圍內(nèi)覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。巡視人員可以通過(guò)手持終端在任何地方進(jìn)行操作和監(jiān)測(cè)。2）區(qū)域范圍覆蓋。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域范圍包括篩分車間、原煤倉(cāng)下、轉(zhuǎn)載站、棧橋、壓風(fēng)機(jī)房、變配電所以及辦公樓等廠區(qū)范圍。3）終端數(shù)量增加。本文的設(shè)計(jì)在原有2臺(tái)移動(dòng)終端的基礎(chǔ)上增加了控制終端。這些控制終端可以供巡視人員對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行移動(dòng)控制和全面監(jiān)測(cè)。

通過(guò)上述安排，巡視人員可以借助手持終端在廠區(qū)范圍內(nèi)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行移動(dòng)控制和全面監(jiān)測(cè)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍涵蓋了關(guān)鍵區(qū)域并提供了可靠的無(wú)線連接。增加的控制終端數(shù)量可以滿足巡視人員的需求，使其能夠及時(shí)獲取并處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。本文的設(shè)計(jì)可提升巡視工作的效率和準(zhǔn)確性，對(duì)廠區(qū)的安全和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

2.4 振動(dòng)和溫度監(jiān)測(cè)功能優(yōu)化

振動(dòng)分析功能主要運(yùn)用軸承故障分析加速包絡(luò)和諧波等技術(shù)進(jìn)行分析，包括全新的軸承故障數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合變頻設(shè)備的邏輯控制報(bào)警功能，系統(tǒng)可對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行CTA分析處理。同時(shí)，傳統(tǒng)器件可以與系統(tǒng)上位機(jī)軟件進(jìn)行自動(dòng)化對(duì)接，構(gòu)建全新的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，更好地對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行集成處理。

為了保護(hù)傳感器，并確保其在煤礦洗選廠的實(shí)際情況下有效運(yùn)行，傳感器的具體防護(hù)等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP54級(jí)別或以上[2]。傳感器的檢測(cè)靈敏度、范圍和頻率應(yīng)與煤礦洗選廠的要求相匹配。傳感器采集的數(shù)據(jù)包括溫度、振動(dòng)等相關(guān)信息。傳感器的使用和安裝應(yīng)能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境。

集成振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)能有效展現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的信息，并結(jié)合設(shè)備的健康狀態(tài)級(jí)別進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，以對(duì)傳感器的健康狀態(tài)進(jìn)行分析，并進(jìn)行統(tǒng)一配置和集中管理。

通過(guò)上述改進(jìn)，振動(dòng)分析功能能夠更好地應(yīng)用于煤礦洗選廠，有效監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)，并在必要時(shí)發(fā)出預(yù)警。傳感器的健康狀態(tài)分析和統(tǒng)一配置能夠提升系統(tǒng)的效率和可靠性。

3 煤炭洗選系統(tǒng)智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤炭洗選系統(tǒng)智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個(gè)部分。本文進(jìn)行煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)“管、控一體化”原則，建立集中控制系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備（包括生產(chǎn)設(shè)備及輔助生產(chǎn)設(shè)備、閥門、閘板等）全部納入其中?？蓪?duì)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)化控制與檢測(cè)，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)主要生產(chǎn)指標(biāo)及設(shè)備工況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與上級(jí)企業(yè)網(wǎng)之間的互聯(lián)，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息共享。

本文設(shè)計(jì)的煤炭洗選智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)框架主要是由檢測(cè)儀表、測(cè)量元器件、電氣設(shè)備、PLC單元、智能顯示終端、UPS以及現(xiàn)場(chǎng)操作箱等部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)操作箱主要負(fù)責(zé)將操作指令發(fā)送至PLC智能控制系統(tǒng)中。配電系統(tǒng)主要是為各種電氣設(shè)備供電。PLC智能控制系統(tǒng)是該洗選系統(tǒng)的核心部件，不僅負(fù)責(zé)接收智能顯示終端的控制指令，還負(fù)責(zé)向現(xiàn)場(chǎng)操作箱、傳感器發(fā)送操作指令，控制洗選電氣設(shè)備。UPS不間斷電源主要負(fù)責(zé)在斷電情況下繼續(xù)為系統(tǒng)正常工作提供電力。由該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架可以看出，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作站、操作箱和智能顯示終端來(lái)控制煤炭洗選設(shè)備。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)框架可以看出，該系統(tǒng)主要是由PLC、雷達(dá)物料計(jì)、傳感器、變頻器、UPS以及接近開(kāi)關(guān)等部件組成。

3.1.1 PLC

與繼電器控制相比，PLC控制系統(tǒng)是一種具有穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)良操作系統(tǒng)[3]。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用瑞典STC公司生產(chǎn)的STC89C52系列PLC。該款PLC整體布局緊湊、模塊化程度高，是一種具有低功耗、高性能的CMOS8位微芯片控制器。內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)8kB容量的Flash，512B容量的RAM，32位的I/O控制端口線，看門狗定時(shí)器，4億kB容量的EEPROM計(jì)數(shù)器和一個(gè)MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位向量的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7位向量的4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容于傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行通信口具有強(qiáng)大、可靠的通信功能，可以完全勝任本系統(tǒng)的所有控制任務(wù)。

該煤炭洗選智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的PLC分配方式為自動(dòng)分配，該分配方式的安裝地址可以隨意設(shè)定，輸入、輸出地址可以進(jìn)行間斷和連續(xù)切換。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要使用的數(shù)字輸入量、數(shù)字輸出量均為10個(gè)，模擬輸入量、模擬輸出量均為5個(gè)，可檢測(cè)各種傳感信號(hào)。STC89C52單片機(jī)的I/O接口配置見(jiàn)表1。

3.1.2 傳感器

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的傳感器主要有溫度傳感器和速度傳感器。溫度傳感器主要用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵電氣設(shè)備的運(yùn)行溫度，而速度傳感器則用于監(jiān)測(cè)洗選系統(tǒng)的運(yùn)行速度[4]。本文采用的是LM-PT100溫度傳感器，其溫度采集范圍為-40℃～+85℃，具有反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。采用的速度傳感器型號(hào)為GTS211A，檢測(cè)頻率范圍為1Hz～10000Hz，檢測(cè)速度范圍為1r/min～20000r/min，工作電壓為DC 6V～24V，運(yùn)行溫度為-25℃～+75℃。

3.1.3 UPS

UPS不間斷電源主要用于在電力系統(tǒng)發(fā)生故障情況下為煤炭洗選系統(tǒng)供電。結(jié)合選煤廠的實(shí)際需求和洗選系統(tǒng)的工作負(fù)載情況，本文選取的UPS不間斷電源型號(hào)為APCSMT750ICH，容量為50VA/500W，輸入電壓范圍為160V～286V，輸出電壓范圍為220V～240V，擁有AVR自動(dòng)電壓調(diào)整功能、可自定義的電源管理功能以及多重安全保護(hù)功能等，是一款性能卓越、工功齊全且安全可靠的設(shè)備，可以滿足本文系統(tǒng)的使用需求。

3.1.4 智能顯示終端

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的智能顯示終端為西門子的KTP1200 Basic PN。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，可根據(jù)操作人員的工作特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)與其相匹配的友好人機(jī)界面，支持多種通信協(xié)議，如Profibus、Profinet和EtherNet/IP等，可與其他設(shè)備進(jìn)行便捷通信，并進(jìn)行智能化控制。它可以結(jié)合工作需要來(lái)引導(dǎo)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理。此外，該智能終端還具有可選的冗余功能，使其可以更好地滿足復(fù)雜環(huán)境下的多種需求[5]。系統(tǒng)中的該觸摸屏和PLC通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接，以實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制煤炭洗選系統(tǒng)工作狀況。

3.1.5 電路系統(tǒng)

智能顯示終端電路的第一個(gè)引腳為接地；第二個(gè)引腳接電源端口；第三個(gè)引腳則先外接一個(gè)3K電阻，再接地，以便調(diào)節(jié)顯示終端的顯示效果；第四個(gè)引腳RS為顯示終端寄存器的選擇端口，采用二進(jìn)制計(jì)算方法，其中0表示顯示儀發(fā)出的指令，1表示顯示儀發(fā)出的數(shù)據(jù)，最終連接到89C52單片機(jī)的P25引腳上；第五個(gè)引腳RW為顯示終端的讀寫端口，與89C52單片機(jī)的P26引腳相連接；第六引腳為顯示終端的執(zhí)行命令使能引腳，和單片機(jī)的P27引腳相連接；第七引腳～第十四引腳是D0～D7的8位雙向數(shù)據(jù)端口，這段引腳分別與89C52單片機(jī)上的P0～P7端口相對(duì)應(yīng)；剩下的第十五引腳、第十六引腳為顯示終端的空腳端口和背光電源端口。此外，顯示終端的正極接VCC，負(fù)極接GND。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

結(jié)合洗選控制系統(tǒng)所應(yīng)具備的功能，統(tǒng)計(jì)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)、模擬量輸入點(diǎn)等數(shù)據(jù)信息，并完成相應(yīng)的邏輯功能控制。采用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行處理時(shí)還應(yīng)區(qū)分電壓輸入信號(hào)和電流輸入信號(hào)，以確保數(shù)據(jù)處理的精度。PLC智能控制系統(tǒng)還應(yīng)與智能顯示終端之間建立CAN通信連接，在此，本文采用CAN2.0B29為擴(kuò)展幀，波特率為250kB/s。將PLC設(shè)為CAN通信主站，將智能顯示終端設(shè)為CAN通信分站，并設(shè)定分站地址為0X99，建立TxPDO/RxPDO通信，每條CAN通信連接傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)。

PLC與洗選系統(tǒng)人機(jī)界面同樣通過(guò)CAN總線連接。本文設(shè)定洗選系統(tǒng)人機(jī)界面平臺(tái)分站號(hào)地址為0X89。PLC智能控制系統(tǒng)和操作站之間通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議連接，只需獲取操作站的IP地址和端口號(hào)即可[6]。本文還基于PLC完成了煤炭洗選智能化控制系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，PLC智能控制系統(tǒng)會(huì)向聲光報(bào)警裝置發(fā)送動(dòng)作指令，并同時(shí)在智能終端界面顯示故障具體信息，從而幫助技術(shù)人員及時(shí)解決故障問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的煤炭洗選系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

3.2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的煤炭洗選智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)界面主要分為主畫面、運(yùn)行參數(shù)顯示、儀表參數(shù)、顯示終端操作以及歷史數(shù)據(jù)曲線、故障報(bào)警等模塊。PLC智能控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線將洗選系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至人機(jī)界面，并以動(dòng)畫形式對(duì)洗選過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。此外，在人機(jī)交互界面還可以對(duì)洗選系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、停止等控制操作。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的煤炭洗選智能化自動(dòng)控制優(yōu)化方案采用TCP/IP協(xié)議和CAN控制總線建立洗選系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式。在該模式中，以PLC智能控制系統(tǒng)為核心，對(duì)煤炭洗選系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，不僅能顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，還解決了傳統(tǒng)洗選系統(tǒng)兼容性差、維護(hù)成本高的問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)選煤廠的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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