煤炭洗选智能化控制系统的优化设计.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-42-高 新 技 术随着工业制造行业的发展，我国对能源的需求量也在逐渐增加。煤炭是我国主要能源之一，煤炭的开采与使用非常重要。在煤矿生产中，作为生产中的重要一环，煤炭洗选可以提高煤炭作业的生产效率，提升煤矿企业经济效益。随着现代科学技术的进步，传统煤炭生产工艺和装备遗留的问题渐显，在一定程度上阻碍了煤矿产业的健康发展。在煤炭洗选过程中，为了实现自动控制、提高效率并保障洗选质量，煤矿企业会积极引入各种先进设备和技术来提升煤炭洗选系统的自动化、智能化程度。由于科学技术迭代更新速度较快且煤矿洗选系统的日常使用消耗较大，因此需要及时对煤炭洗选系统进行优化设计，才能确保其时刻处于良好运行状态。因此对煤炭洗选系统进行自动化升级改造，可以提升煤矿作业的整体效率，并降低能耗，实现煤炭生产的提质增效目标。1 煤炭洗选控制系统存在的问题A 煤炭洗选厂成立于 2006 年，设计规模为 20.0Mt/a，原煤煤种牌号为长焰煤、不黏煤，共设有 2 个相对独立的洗选系统。该洗选厂从建立至今一直处于运营状态，出现了设备老化严重、自动化程度较低的问题，严重影响了洗选作业效率。A 煤炭洗选控制系统现今存在的主要问题如下。1.1 软硬件兼容性较差由于 A 煤炭洗选厂建设时我国工业体系建设尚不完善，因此大多数煤炭生产设备都是从国外进口的。例如煤炭洗选设备，多数从德国、日本等国家采购。但这些设备均根据制造国的执行标准生产，在 A 煤炭洗选厂应用过程中会出现选型不匹配和系统兼容性较差的问题，为后期的系统升级改造带来了较大困难。1.2 集成化程度较低由于在前期设计和建设过程中，A 煤炭洗选厂的布局缺乏合理性，导致各作业流程之间相对独立，未充分考虑协调运行的问题，使提升系统、运输系统和重介洗选系统等各环节处于独立作业状态，每个系统都有专属的供电线路，就为进行多级控制管理带来了较大困难。1.3 维护保养成本高随着设备不断升级改造，综合考量经济成本，A 煤炭洗选厂更新了使用时间过长的设备，并升级了控制系统。虽然可以在一定程度上提升设备的工作效率，但也会造成设备型号多样、系统运行不协调的问题1。随着生产线不断扩大，设备逐渐增多，对设备的维护保养和运行监控成为沉重的负担，尤其对老化设备进行运行维护的成本将大幅增加，严重影响了选煤厂的生产效益。2 煤炭洗选系统智能化控制优化方案2.1 监测、监控系统优化煤矿洗选厂敷设各种有线网络，实际工作环境相对恶劣，导致传输线路在实际运作中容易出现故障，维护工作难度较大。考虑煤矿洗选厂实际工作环境，可以利用无线信息高速路解决有线网络敷设和维护难度大的问题。该网络架构可以提供稳定的上下行传输能力，还能完全整合现有的有线检测系统。同时，数据计入设备的互联使各设备之间能够相互传输控制数据，并通过网络将这些数据传输到调度中心和监控服务器。该解决方案将有助于提高洗选厂的智能化管理水平，并提升工作效率和数据传输的稳定性。2.2 视频调度功能优化基于智能化建设要求，可以通过移动监控点手持台快速回传现场视频数据。具体视频调度的运作流程如图 1 所示。根据图 1 可知，该视频调度功能能够实现多媒体视频调度处理，从而能全面提升紧急事件处置响应速度。2.3 现场移动控制系统优化煤矿洗选厂内的巡视人员可以通过手持终端对生产现场进行移动控制和全面监测。具体功能如下。1）搭建无线网络覆盖。在巡检主要区域和路线上搭建无线网络，确保整个厂区范围内覆盖无线网络。巡视人员可以通过手持终端在任何地方进行操作和监测。2）区域范围覆盖。该无线网络覆盖的区域范围包括筛分车间、原煤仓下、转载站、栈桥、压风机房、变配电所以及办公楼等厂区范围。3）终端数量增加。本文的设计在原有 2 台移动终端的基础上增加了控制终端。这些控制终端可以供巡视人员对生产现场进行移动控制和全面监测。通过上述安排，巡视人员可以借助手持终端在厂区范围内的生产现场进行移动控制和全面监测。无线网络的覆盖范围涵盖了关键区域并提供了可靠的无线连接。增加的控制终端数量可以满足巡视人员的需求，使其能够及时获取并处理现场数据。本文的设计可提升巡视工作的效率和煤炭洗选智能化控制系统的优化设计林鑫（兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿，山东 济宁 273500）摘 要：在我国社会发展转型的大背景下，传统的煤炭洗选系统已经无法适应如今社会发展的需求。为了提升煤炭洗选厂的经营效益，本文采用系统设计的方法，以 A 洗选厂为例，分析了洗选控制系统存在的问题，并在此基础上提出了优化设计方案，制定了硬件和软件系统的设计策略。本文设计的煤炭洗选智能化控制系统大幅提升了煤炭洗选的质量和效率，能够为煤炭生产企业升级改造洗选系统提供一定的参考和借鉴。关键词：洗选系统；智能化控制；系统设计中图分类号：TD92文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.1（下）-43-高 新 技 术准确性，对厂区的安全和生产运营具有重要意义。2.4 振动和温度监测功能优化振动分析功能主要运用轴承故障分析加速包络和谐波等技术进行分析，包括全新的轴承故障数据库。结合变频设备的逻辑控制报警功能，系统可对齿轮箱故障进行CTA 分析处理。同时，传统器件可以与系统上位机软件进行自动化对接，构建全新的后台数据库，更好地对数据库进行集成处理。为了保护传感器，并确保其在煤矿洗选厂的实际情况下有效运行，传感器的具体防护等级应达到 IP54 级别或以上2。传感器的检测灵敏度、范围和频率应与煤矿洗选厂的要求相匹配。传感器采集的数据包括温度、振动等相关信息。传感器的使用和安装应能适应现场实际环境。集成振动和温度数据能有效展现监控系统平台的信息，并结合设备的健康状态级别进行预警和报警，以对传感器的健康状态进行分析，并进行统一配置和集中管理。通过上述改进，振动分析功能能够更好地应用于煤矿洗选厂，有效监测设备的状态，并在必要时发出预警。传感器的健康状态分析和统一配置能够提升系统的效率和可靠性。3 煤炭洗选系统智能化自动控制系统设计煤炭洗选系统智能化自动控制系统的设计是一个复杂的过程，主要包括硬件系统和软件系统 2 个部分。本文进行煤炭洗选智能化控制系统设计时，根据“管、控一体化”原则，建立集中控制系统，将现场所有设备（包括生产设备及辅助生产设备、阀门、闸板等）全部纳入其中。可对主要生产环节进行自动化控制与检测，对关键设备和关键环节进行监控，对主要生产指标及设备工况信息进行实时采集，并同时实现了系统与上级企业网之间的互联，以便进行远程监控和信息共享。本文设计的煤炭洗选智能化自动控制系统如图 2 所示。该系统框架主要是由检测仪表、测量元器件、电气设备、PLC 单元、智能显示终端、UPS 以及现场操作箱等部分组成。其中，现场操作箱主要负责将操作指令发送至 PLC 智能控制系统中。配电系统主要是为各种电气设备供电。PLC 智能控制系统是该洗选系统的核心部件，不仅负责接收智能显示终端的控制指令，还负责向现场操作箱、传感器发送操作指令，控制洗选电气设备。UPS 不间断电源主要负责在断电情况下继续为系统正常工作提供电力。由该系统的设计框架可以看出，可以通过现场操作站、操作箱和智能显示终端来控制煤炭洗选设备。3.1 硬件系统设计由系统框架可以看出，该系统主要是由 PLC、雷达物料计、传感器、变频器、UPS 以及接近开关等部件组成。图 1 视频调度功能图 2 煤洗选智能化自动控制系统CAN中国新技术新产品2024 NO.1（下）-44-高 新 技 术3.1.1 PLC与继电器控制相比，PLC 控制系统是一种具有稳定性高、操作简便等优点的优良操作系统3。本文系统设计采用瑞典 STC 公司生产的 STC89C52 系列 PLC。该款 PLC 整体布局紧凑、模块化程度高，是一种具有低功耗、高性能的CMOS8 位微芯片控制器。内部存储器包括一个 8kB 容量的Flash，512B 容量的 RAM，32 位的 I/O 控制端口线，看门狗定时器，4 亿 kB 容量的 EEPROM 计数器和一个 MAX810 复位电路，3 个 16 位向量的定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 位向量的 4 级中断结构（兼容于传统 51 的 5 向量 2级中断结构），全双工串行通信口具有强大、可靠的通信功能，可以完全胜任本系统的所有控制任务。该煤炭洗选智能化自动控制系统采用的 PLC 分配方式为自动分配，该分配方式的安装地址可以随意设定，输入、输出地址可以进行间断和连续切换。该控制系统的设计需要使用的数字输入量、数字输出量均为 10 个，模拟输入量、模拟输出量均为 5 个，可检测各种传感信号。STC89C52 单片机的 I/O 接口配置见表 1。3.1.2 传感器本文系统设计采用的传感器主要有温度传感器和速度传感器。温度传感器主要用于监测系统关键电气设备的运行温度，而速度传感器则用于监测洗选系统的运行速度4。本文采用的是 LM-PT100 温度传感器，其温度采集范围为-40+85，具有反应灵敏、稳定性强的优点。采用的速度传感器型号为 GTS211A，检测频率范围为1Hz10000Hz，检测速度范围为 1r/min20000r/min，工作电压为 DC 6V24V，运行温度为-25+75。3.1.3 UPSUPS 不间断电源主要用于在电力系统发生故障情况下为煤炭洗选系统供电。结合选煤厂的实际需求和洗选系统的工作负载情况，本文选取的 UPS 不间断电源型号为 APCSMT750ICH，容量为 50VA/500W，输入电压范围为160V286V，输出电压范围为 220V240V，拥有 AVR 自动电压调整功能、可自定义的电源管理功能以及多重安全保护功能等，是一款性能卓越、工功齐全且安全可靠的设备，可以满足本文系统的使用需求。3.1.4 智能显示终端本文系统设计使用的智能显示终端为西门子的KTP1200 Basic PN。采用面向对象的设计理念，可根据操作人员的工作特点来设计与其相匹配的友好人机界面，支持多种通信协议，如 Profibus、Profinet 和 EtherNet/IP 等，可与其他设备进行便捷通信，并进行智能化控制。它可以结合工作需要来引导操作人员对现场进行管理。此外，该智能终端还具有可选的冗余功能，使其可以更好地满足复杂环境下的多种需求5。系统中的该触摸屏和 PLC 通过 CAN 总线进行连接，以实时监控和控制煤炭洗选系统工作状况。3.1.5 电路系统智能显示终端电路的第一个引脚为接地；第二个引脚接电源端口；第三个引脚则先外接一个 3K 电阻，再接地，以便调节显示终端的显示效果；第四个引脚 RS 为显示终端寄存器的选择端口，采用二进制计算方法，其中 0 表示显示仪发出的指令，1 表示显示仪发出的数据，最终连接到 89C52单片机的 P25引脚上；第五个引脚 RW 为显示终端的读写端口，与 89C52 单片机的 P26引脚相连接；第六引脚为显示终端的执行命令使能引脚，和单片机的 P27引脚相连接；第七引脚 第十四引脚是 D0D7的 8 位双向数据端口，这段引脚分别与 89C52 单片机上的 P0P7端口相对应；剩下的第十五引脚、第十六引脚为显示终端的空脚端口和背光电源端口。此外，显示终端的正极接 VCC，负极接 GND。3.2 软件系统设计3.2.1 PLC 程序设计结合洗选控制系统所应具备的功能，统计开关量输入点、模拟量输入点等数据信息，并完成相应的逻辑功能控制。采用PLC对模拟量进行处理时还应区分电压输入信号和电流输入信号，以确保数据处理的精度。PLC 智能控制系统还应与智能显示终端之间建立 CAN 通信连接，在此，本文采用 CAN2.0B29 为扩展帧，波特率为 250kB/s。将 PLC 设为CAN 通信主站，将智能显示终端设为 CAN 通信分站，并设定分站地址为 0X99，建立 TxPDO/RxPDO 通信，每条 CAN通信连接传输 8 字节数据。PLC 与洗选系统人机界面同样通过 CAN 总线连接。本文设定洗选系统人机界面平台分站号地址为 0X89。PLC 智能控制系统和操作站之间通过TCP/IP通信协议连接，只需获取操作站的 IP 地址和端口号即可6。本文还基于 PLC 完成了煤炭洗选智能化控制系统的报警设置。当系统运行出现故障时，PLC 智能控制系统会向声光报警装置发送动作指令，表 1 STC89C52PLCI/O 接口配置表IO代码控制信号输入接口代码控制信号输出接口SB1电机自动I0.0KM1UPS状态Q0.0SB2电机手动I0.1KM2变频器启停Q0.1SB3电机启停I0.2KM3现场操作箱启停Q0.2SB4入口导流组件启停I0.3KM4智能显示终端启停Q0.3SB5出口导流组件启停I0.4KM5操作站启停Q0.4SB6料位计启停I0.5KM6运行速度显示Q0.5SB7速度传感器启停I0.6KM7报警灯Q0.6SB8总启动开关I0.7KM8自动指示灯Q0.7SB9急停开关I1.0KM9手动指示灯Q1.0SB10系统故障I1.1KM10运行指示灯Q1.1SB11温度检测信号EM231（下转第123页）中国新技术新产品2024 NO.1（下）-123-生 态 与 环 境 工 程1 工程概况山心沙岛位于防城港市企沙镇东南海域，东临钦州湾，南濒北部湾。北纬 21 3518.2，东经 108 3051.2，岸线长1.9km，离岸距离为 340m。西北侧陆域为山新村，是一个以海洋捕捞和海水养殖为主的渔村，距钦州港西航道 4n mile、企沙镇政府 1km、港口区政府 25km。工程海域地处北回归线以南低纬度地区，气候属于我国亚热带海洋性季风气候，冬季温和，夏季多雨，季风明显，受灾害性天气影响较明显。防城港湾年平均风速为 3.1m/s，月平均最大风速出现在 12 月份，为 3.9m/s，其次是 1 月和 2月，为 3.7m/s；最小平均风速出现在 8 月份，为 2.3m/s。防城港的潮汐为正规全日潮，其潮位特征值如下（1985 国家高程基准）：最高潮位为 3.60m（2008.11.1607：09），最低潮位为-2.03m（2002.12.818：53），平均潮位为 0.62m，平均大海域潮流场数值模拟分析刘华峥杨琴琴（烟台仲伯企业管理咨询有限公司，山东 烟台 264000）摘 要：本文以防城港市山心沙岛生态岛礁建设项目为研究对象，采用数值模拟的手段，建立大海域潮流场平面二维数值模型，对项目建设前后的潮流场状况进行数值模拟。结果表明，现状潮流流速通常50cm/s，工程东南侧海域流速略大；涨急时刻流速通常60cm/s；高潮、低潮时刻工程潮流流速均10cm/s；工程建成后，西南和北东侧涨急时刻流速主要呈现变小的趋势，最大降幅约17.5cm/s，南、东南和西北侧涨急时刻流速呈现增大的趋势，流速最大降幅约为18.5cm/s；涨急时刻流速变化5.0cm/s 的区域主要集中在工程区周边0.8km 内。关键词：大海域；潮流场；数值模拟；水动力；防城港中图分类号：U652文献标志码：A并同时在智能终端界面显示故障具体信息，从而帮助技术人员及时解决故障问题。本文设计的煤炭洗选系统工艺流程如图 3 所示。3.2.2 人机界面设计本文设计的煤炭洗选智能化自动控制系统人机界面主要分为主画面、运行参数显示、仪表参数、显示终端操作以及历史数据曲线、故障报警等模块。PLC 智能控制系统通过CAN 总线将洗选系统的实时运行数据传送至人机界面，并以动画形式对洗选过程进行动态显示。此外，在人机交互界面还可以对洗选系统进行启动、停止等控制操作。4 结语综上所述，本文设计的煤炭洗选智能化自动控制优化方案采用 TCP/IP 协议和 CAN 控制总线建立洗选系统的数据传输模式。在该模式中，以 PLC 智能控制系统为核心，对煤炭洗选系统进行智能化控制，不仅能显著提升系统运行效率，还解决了传统洗选系统兼容性差、维护成本高的问题，对推动选煤厂的可持续发展具有重要意义。参考文献1 赵银良.选煤厂煤炭洗选工艺改造优化研究 J.山西化工，2022，42（2）：120-121，124.2 郭鲜平.煤炭洗选系统智能化自动控制优化设计 J.能源与节能，2020（10）：110-111.3 苏强.母杜柴登选煤厂增设末煤洗选系统必要性分析 J.选煤技术，2020（3）：57-60.4 牛超.末煤系统提质增效工艺流程优化设计与实践 J.洁净煤技术，2018，24（增刊2）：10-13.5 董其峰，潘月军，韩喜龙，等.补连塔选煤厂煤洗选系统节能增效改造 J.内蒙古煤炭经济，2018（17）：78-79.6 张金平，秦书明.王庄煤业地面洗选智能监控系统的设计与应用 J.煤矿机械，2015，36（7）：245-247.图 3 煤炭洗选系统工艺流程（上接第44页）