基于PLC的浮选自动化双人机接口加药控制系统在马头选煤厂的应用.pdf

No ． 5， 2 01 6 煤炭加工与综合利用 C O AL P RO CE S S I N G ＆ C OMP RE HE NS I VE U T I UZ AT 1 0 N 基于 P L C的浮选 自动化双人机接 口 加药控制系统在马头选煤厂的应用 马 志钢 河北工程大学 信息与电气工程学院，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 摘 要 为 了使浮选作业能够获得最佳 的性能指标 ，提高加药 的准确性和可靠性，设计 了 以P L C为核心的双人机接 口自动加药控制系统；经马头选煤厂实地运行 ，该 系统成功实现 了药 剂的 自动添加，双人机操作极大地 降低 了生产成本 ，减轻了工人 的劳动强度。 关键词 选煤厂 ；浮选加 药； 自动化；P L C ；双机接 口 中图分类号 T D 9 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 ． 8 3 9 7 2 0 1 6 0 5 ． 0 0 1 1 ． 0 3 1 浮选加药系统的自动化 浮游选煤 法 。简称浮选 是处理小于 0 ． 5 m m 细粒级煤泥最有效的方法之一。目前 。在国内多 座大型选煤厂 ，通过浮选处理的原煤量 占到总处 理量的2 0 ％～ 3 0 ％．因此 浮选效果 的好坏直接关 系到选煤厂的经济效益 l 1 ] 。经研究发现，在影响 浮选效果的诸多因素中，浮选药剂的用量及 配比 发挥着关键作用。而传统的浮选药剂添加工艺 主 要依靠现场司机的经验 ．人为 因素很 大，很难做 到及时、准确 、定 量添 加药 剂。为此 ，从 1 9 8 4 年起 ，国内就 有选煤 厂开始 实施浮 选加药 自动 化 。多年来 ，其控制原理一直没有大的变化 ，即 监测入浮的矿浆流量和浓度 ，从而使加药量跟踪 干煤泥量。该系统的引入提高了加药的准确性和 及时性 ，消除了人为因素带来 的误差 ，稳定了产 品质量 ，提高了精煤产率。 对于一个性能完备的浮选加药 自动 化系统 。 人机接 口是必不可少 的，浮选司机需要通过人机 接 口对 系统 的运 行情况 进行监 控 ，并 对一些 参 数 ，如吨煤药耗指标及配比等进行实时调整 。从 而获得最佳 的浮选效果。关于人机接 口的实现 ， 较常用 的方法 是采 用工控机 结合组 态软件 的方 式 _ 2 ] ，利用组态软件开发人机交互界面。但是该 方法在马头选煤厂的具体实施过程中却遇到了一 个问题 ，由于马头选煤 厂的控制 室离浮选 机较 远 ，在控制室里很难观察 到现场情况 ，为此 ，浮 选司机必须在控制室和浮选现场之间穿梭 ，既增 加 了工人的劳动强度 ，也不利于浮选参数的及时 调整。考虑到现场人机交互的必要性 ，设计者在 系统中又增加了一个低成本的人机接 口。即采用 西 门子公司的文本显示设 备 T D 4 0 0 C 。与上位计 算机相 比，T D 4 0 0 C具有体积小 、重量轻、可直 接安装在控制柜上 、维护简单等优点 ，特别适用 于现场恶劣的工作环境。 2系统组成 2 ． 1硬 件 系统 现场流量计 和密度计通过 Mo d b u s总线与河 北工程大学信息与电气工程学 院 自行研发设计 的 通讯处理器连接 ，由通讯处理器将各仪表采集到 的数据打包后通过 4 8 5总线传给 P L C。利用通讯 处理器的专项处理能力 ，极大地降低 了P L C的通 讯任务 ，P L C收到数据后进行运算处理 。并根据 运算结果向加药计量泵发 出脉冲控制信号 ．完成 浮选药剂量的跟踪 。为了增加系统的易用性 ．共 收稿日期 2 0 1 6 - 0 5 0 5 DO I 1 0 ． 1 6 2 0 0 ／ j ． c n k i ． 1 卜2 6 2 7 ／ t d ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 0 3 作者简介马志钢 1 9 7 7 一 ，男，回族，河北邯郸人，2 0 0 3 年毕业深圳l大学通信与信息系统专业，工学硕士，河北工程大学信息与电气 工程学院讲师。 引用格式马志钢． 基于 P L C的浮选自动化双机接口加药控制系统在马头选煤厂的应用 [ J ] ． 煤炭加工与综合利用， 2 0 1 6 5 1 1 1 3 ． 1 2 煤 炭加 工 与综合 利 用 2 0 1 6年 第 5期 设计 了两种人机交互方式 ，P L C通过 以太网通讯 模块 E M2 4 3与监控室上 位机通讯 ．此 外在现场 控制柜上安 装 了西 门子 的文本 显示器 T D 4 0 0 C， 在成本增加不多的情况下实现了双人机操作。硬 件系统结构如图 1 所示。 T D4 0 0 C 上位机 R S 4 8 5 I E t h e r n e t 西 门 子 P L C E M 2 4 3 l I／ 0 模 块 I R S 4 8 5 J 通 讯 处 理 器 l 计 量 泵 l M o d bu s t I I l l I 流 I } 计 I l 计 l I 计 l l 图 1 硬件 系统 结构 示意 2 ． 2软件 系统 软件系统主要包括上位机监控界面和下位机 P L C程序。P L C程序主要完成浮选工艺的 自动化 控制 。其实现的主要功能是采集人浮煤浆的流量 和浓度 ，通过计算得到入浮的干煤泥量 ，然后控 制计量泵 ，实现精确 、自动加药。此外，为了保 证浮选效果 ，对入浮流量还要进行一定的控制 ， 使人浮流量稳定在一个最佳值l 3 ] 。为此 ，P L C程 序实现的主要 功能有 ① 入 浮流量 、浓度 等现 场数据的采集；② 干煤泥量 、加药量 的相 关计 算；③ 计量泵的控制；④ 电动阀门的控制；⑤ 浮选药箱 自动补药的控制 ；⑥ 响应上位机 的人 机交互 ；⑦ 入浮流量 的 P I D控制。 根据马头选煤厂的实际生产情况 ，定义程序 的采样时间间隔为 3 s ，据此计算 出 3 s 的人浮干 煤泥量和相应 的加药量 ，由于选配 的计量泵 3 s 的最大冲程数是 1 0次 ，为了使 加药量平稳 、均 匀．在程序 中定义计 量泵的控 制周期 为 0 ． 3 s 。 考虑到 P L C程 序 的工作 原 理 “ 顺 序 扫描 ， 不断循环”．为 了缩 短每 一个 扫描周期 的时 间， 将耗时较长的采样 、计算分配到不 同的扫描周期 中执行 ，整个程序流程如图 2所示 。 上位机界面采用天空组态软件进行开发 ，由 于在组态软件 中集成了电路图形技术 、人机界面 技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技 术 ，所以只需通过可视化的组态方式，便可完成 监控软件的设计 ，降低了开发难度。监控软件实 了一 娑 1 7 1 ⋯J ， 首次运行调初始化程序 累} 干煤泥量 、加药 次数 、 入浮流量累计次数MB I II 1 调用T D 4 0 o C 控制程序 l 每个扫描周期MW2 若M2 ．0 、1 1 ，且MI 1 0 0 中的值左移一位 将5 m i n 累计值保存到新地址原 地址的值清零 ， MB 1 清零读取 产生一个3 s 的控制 并保存系统时钟 周期控制位M0 ．0 l M0 ． 0 有 j MW2 置1 t 响应T D 4 0 0 C 、上位机的 产生一个3 0 0 m s 的 人机交互操作 加药周 期控制位M 0 ． 1 l 若MO ． 1 若M3 ． 0 、M1 、M2 、 控制计量泵完成臼 动加药 M 3 l 采样四次 l 士 控制电磁阀完成药箱药液 若M3 ． 4 1 自 动补给 计算采样平均值 l 若M3 ． 5 1 入浮流量 的P I D控制 采样值标度变换 I 故障报警 若M3 ．6 1 3 s 干煤泥量和计量泵 s - -- 自动加药次数的计算 图 2 P L C程 序流 程示意 现的主要功能有 ] ① 浮选工艺参数 的画面监 视 ② 完善 了的人机操作 功能 包括 入浮浓度 设定与阀门的远程手动调节与加药指标 的人机交 互操作 ；③ 关键工艺参数的实时趋势曲线显示 ； ④ 浮选工艺参数的数据库管理；⑤ 按班次管理 的生产报表⑥ 监控画面的网络发布。 3 双 人 机操作 为了实现人机交互的两点操作 ，根据现有 的 技术条件再结合马头选煤厂的实际情况 ，设计者 采用 了工控机和 T D 4 0 0 C两种人机接 口模式 ，并 通过软件设 计巧妙实 现 了二者 对系统 的共 同管 理 ．即双人机操作 。 3 ． 1 双人机 接 口的 构成 双人 机接 口包括工控 机和 T D 4 0 0 C两部 分， 如图 3所示。其 中工控机被放置在距现场百米远 的控制室里 ．由于离浮选机较远 ，因此被看成是 远程人机接 口。工控机与 P L C之间通过串口进行 通讯 [ ．考虑到厂区的电磁干扰比较严重 ，为了 保证信号传输的可靠性和稳定性 ，在连接时需采 用屏蔽电缆 。由于上位机要实现的人机交互功能 非常多 ，考虑到开发的效率 ，设计者选用 了业界 2 0 1 6年 第 5期 马志钢 基于 P L C的浮选 自动化双机接 口加药控制 系统在马头选煤厂的应用 1 3 比较流行 的天空组态软件 ，利用该软件提供 的强 大功能和丰富的指令、控件集 ，设计 出了动态 、 图形化并且具有 网络发布功能的交互界面，界 面 形象 、直观 ，易于操作 。 现场控制柜 图 3 双人机接 口构成示意 除了远程人机接 口以外 ．按照选煤厂的要求 ， 设计者又增加了一个低成本 的本地人机接 口，即 T D 4 0 0 C 。具体做法是将 T D 4 0 0 C直接安装在控制 柜上，并和控 制柜 一起放 置在 浮选现 场。由于 T D 4 0 0 C与 P L C之 间 的 距 离 小 于 2 ． 5 I n 。满 足 T D 4 0 0 C通讯 口供电的要求 ，所 以利用随 T D 4 0 0 C 附赠的电缆将 二者连接后 ，一方 面建立 了通讯 ， 另一方面又实现 了对 T D 4 0 0 C的供 电。P L C通 电 后 ．T D 4 0 0 C的屏幕也 随之点亮 ，通过 T D 4 0 0 C的 诊断菜单还可以对其网络地址、波特率等参数进 行相应的设置，以保证与 P L C的正常通讯。由于 T D 4 0 0 C是西门子公司专门针对 S 7 2 0 0 P L C推出的 一 款文本显示设备．所以在其免费提供的 S T E P 7 一 Mi c r o ／ WI N编程 软件 中集成 了一 整套应用工具 ． 可以轻松实现对 T D 4 0 0 C的组态 ，因此在 T D 4 0 0 C 上开发人机交互界面不再需要单独的 H MI 组态软 件，这样做在带来方便 的同时也极大地降低了使 用成本 。另外 ，基于向导式的开发流程使人机交 互界面的设计变得简单 、明了，极大地提高 了开 发效率 ，缩短了开发周期。 3 ． 2 双人 机操 作 的 实现 利用工控机或 T D 4 0 0 C的人机交互界面 ．操 作员可以很方便的对P L C数据存储区中的值进行 读写。如果是单机操作 ，这种访问非 常简单 。并 不需要 P L C程序的干预 ，但是双人机操作则略有 不同。由于 存 在 两 种 人 机 交 互 方 式 ，在 进 行 “ 写”操作 时，就不能简单等效为两个独立 的单 机操作 ，例如在工控机操作界面上对 P L C数据存 储区中的某个值进行了 “ 写”操作，则该操作将 会一直有效。在这种情 况下，如果再 想通过 T D 4 0 0 C修改该值 ，则结果将无法保存 ，导致了 双人机操 作 的失 败。为此 ，设计 者对 工控机 的 “ 写”操作进行了重新设计 ，并通过 P L C程序的 配合很好的解决 了 “ 写 ”操作一直有效 的问题 ， 使双人机操作得 以实现 ，具体做法如 图4所示 。 工控机操作界面P L C 变量存储区 图 4 工控机 “ 写” 操作 在工控机的操作界面定义一个输入框、一个 按钮和一个显示框 ，输入框对应于 P L C变量存储 区中的一个地址 ，当进行 “ 写”操作时，需要写 入的值先暂时存放在该地址 。按钮对应于变量存 储 区中的某一位 。单击该按钮表示该位被触发一 次 ，程序中以该位是否被触发作为条件执行移位 指令 。将暂存地址 中的值移位到实际地址 中完成 “ 写”操作 ，显示框则显示实 际地址 中的值 。由 于有条件限制，所以工控机的 “ 写”操作不会一 直有效 ，从 而使 T D 4 0 0 C的 “ 写 ”操 作得 以实 现 ，满足了双人机操作的要求。 4 总 结 通过不断改进、实践，这种具有双机接 口的 浮选 自动加药系统已在马头选煤厂正式投入使用。 结果表明，该系统运行稳定可靠 。实现了药剂 的 自动定量添加 ，节约 了药剂耗量 ，提高了精煤指 标 ，实现了可观 的经济效益。此外 ，双人机操作 功能的引入极大地提高了浮选 司机现场操作的灵 活性 ，降低了劳动强度，深受现场人员的欢迎。 参考文献 [ 1 ] 冯 绍灌．选矿 数学模 型 [ M] ．北 京 煤炭工 业 出版社 ， 1 9 9 0． [ 2 ] 李绍 民．S 7 - 2 0 0 P L C与上位机 的通信 [ J ] ．大连民族学院 学报 ，2 0 0 9 ，1 1 3 2 0 9 - 2 1 1 ． [ 3 ] 翟延忠．浮选加药脉冲计量控制 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 4 ， B 1 0 1 2 1 1 2 4 ． [ 4 ] 蔡先锋．Wi n C C组态软件在大足选煤厂 的应用 [ J ] ．选煤 技术 ，2 0 1 l 1 5 6 5 8 ．