基于PLC的流化床粗煤泥分选机自动控制系统.pdf

7 2 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 6期 基 于 P L C 的流化床 粗煤 泥分选机 自动控制 系统 吕一波 ， 满伟慧 ， 王兰豪 黑龙江科技 大学 矿业工程学院，哈尔滨 1 5 0 0 2 2 摘要 针对 目前 国内流化床粗煤泥分选机排料堵塞及 自动化控制水平低等 问题 ， 依据流化床粗 煤泥分选过程 中的流态化特性， 应用 S 7 2 0 0系列 P L C设计 了流化床粗煤泥分选机的 自动控制 系 统 ， 实现 了分选机性能及状 态的在线实时监测、 远程控制。实践结果表明 流化床层 中形成 了高度 为2 0 0 m m的矸石层、 1 8 0 0 mm的过渡层和 1 0 0 mm的精煤层 ， 系统运行稳定可靠 ， 为粗煤泥高效分 选创造 了条件 ， 该控制系统达到 了预期效果。 关键词 流化床 ； 干扰床 ； 粗煤泥 ； 自动控制； P I D 中图分类号 T D 9 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 6 0 0 7 2 0 4 Aut o ma t i c c o nt r o l s y s t e m f o r flui di z e d be d o f c o a r s e s l i me s e p a r a t o r ba s e d o n PLC Yi bo． MAN W e i h ui ． W ANG La n ha o I n s t i t u t e o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g， H e il o n g j i a n g U n i v e r s i t y o J ’ S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 2 2， C h i n a Abs t r ac t Au t o ma t i c c o nt r o l s y s t e m o f flu i di z e d b e d c o a r s e s l i me s e pa r a t o r wa s d e s i g ne d b y u s e o f S 72 00 s e r i e s P LC f o r r e s o l v i n g p r o b l e ms o f d i s c h a r g i n g b l o c ka g e a n d l o w l e v e l o f a u t o ma t i c c o n t r o l a c c o r d i n g t o t h e flu i d i z a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f fl u i d i z e d b e d o f c o a r s e s l i me s e p a r a t i o n． On l i n e r e a lt i me mo n i t o r i n g a n d r e mo t e c o n t r o l o f p e r f o r ma n c e s a n d s t a t e o f s e p a r a t o r we r e r e a l i z e d ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s y s t e m r u n s s t a b l y a n d r e l i a bl y a nd g a n g u e l a y e r wi t h h e i g ht o f 2 00 mm ，t r a n s i t i o n l a y e r wi t h he i g h t o f 1 8 0 0 mm a n d c l e a n c o a l l a y e r wi t h h e i g h t o f 1 0 0 mm we r e s t r a t i fi e d i n flu i d i z e d b e d，wh i c h c r e a t e d c o n d i t i o n s f o r h i g h l y e ffic i e n t s e p a r a t i o n o f c o a r s e s l i me a n d a d e s i r e d e f f e c t o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m h a s be e n a c hi e v e d． Ke y wo r d s flu i d i z e d b e d；t e e t e r be d；c o a r s e s l i me；a u t o ma t i c c o n t r o l ；P I D 0 引言 随着井下采煤设备机械 自动化水平的提高 ， 选 煤厂人选原煤 中细粒煤含量越来越高。为 了提高选 煤的分选效率 ， 适应人选原煤煤质不断的发生变化， 选煤厂必须要解决粗煤泥回收问题 ， 提高选煤厂效 益 J 。流化床粗煤泥分选机是选 煤厂 目前 回收粗 煤泥 的一 种新 型 高 效 的分 选设 备 。针对 自制 L C H一 2 4 0 0型流化床分选机 ， 设计了一套高效的流 化床分选机 自动控制系统 ， 对实现 自动控制 、 远程控 制， 提高粗煤泥分选效果 ， 减小工人劳动强度具有很 好的效果， 进一步提高了粗煤泥分选系统的自动化 水平。该控制系统选 用西 门子 S 72 0 0系列 P L C 收稿 日期 2 0 1 3 0 82 2 基金项 目 黑龙江省教育厅科学技术研究重点项 目 1 1 5 5 1 z O 1 4 作者简介 吕一波 1 9 6 0 ， 男 ， 黑龙 江省鸡 西人， 教授 ， 博 士 ， 研 究 方向为煤炭分选技 术 ， 选煤 自动化方 向。 作为监控核心 ， 它具有多种功能模块和人机界面可 供选择 ， 其模块化结构配置相应 的通信接 口与上位 计算机进行通信， 系统配置合理， 技术可行， 完全可 以满足现场使用要求 。 1 流化床粗煤泥分选机结构 、 工作原理及控 制要求 流化床粗煤泥分选实验系统 由给料装置 、 L C H 一 2 4 0 0型流化床 粗煤泥 分选 系统 、 供水 系统等 组 成， 如图 1 所示。 流化床粗煤泥分选机也是一种干扰沉降分选 机 ， 根据入料矿物的密度不同把物料分为 2组 ， 即高 密度颗粒 和低密度 颗粒 J 。变频水泵将循 环水 以 一 定 的压力打入到流化 床分选机的入水 口， 经过底 部布水板进入槽体形成均匀分布 的上升水流 ； 被分 选的矿物以一定 的浓度和压力通过流化床分选机顶 部人料装置以切线散开进入槽体 。矿浆在槽体中与 2 0 1 3年第6期 工业仪表与自动化装置 7 3 上升水流相遇使矿物颗粒做干扰沉降运动， 干扰沉 降可以用斯托克斯定律解释 ， 由于矿物颗粒 的密度 不同， 其干扰沉降速度存在差异 ， 沉降速度大于上升 水流速度的颗粒 向下运动 ， 反之则 向上运动 。高密 度的物料集 中于槽体的下部 ， 低 密度 的物料则流 向 槽体上部。沉降速度与上升水流速度相等的那些颗 粒则悬浮于干扰床 中形成 自生介质 ， 使矿物颗粒在 自生介质中进行分选 。随着物料 的连续给人 ， 低密 度的物料不断溢流至溢流收集槽 ， 高密度 的物料通 过排料阀门排出。密度传感器插入到干扰床 中相应 的高度， 对槽体内床层密度进行连续的检测。当床 层 的密度 达到或者超过设定值 时， P I D控制器 即送 出信号到执行机构 ， 执行机构开始动作并打开底流 排料阀门进行排料 ， 直至床层密度降到设定值 ， 排料 阀门关闭。 入料 装置 尾 矿 图 1 分选 系统 为了使流化床粗煤泥分选机稳定安全地运行 ， 其控制系统要求如下 1 相关参数 自动检测和显示 ； 2 安全控制功能 ， 包括 急停按钮 、 逻辑与故 障 限制条件三层安全控制 ； 3 手动 、 自动 、 远程 3种控制模式 ； 4 控制参数 自主设定功能 ； 5 故障报警、 故障信息记 录及 显示 、 部分故 障 自动修复功能 。 2 流化床粗煤 泥分选机控 制系统硬件设计 根据流化床粗煤泥分选机的工作原理及控制要 求 ， 设计 了其控制系统的硬件结构 ， 如图 2所示。 流量传感器 - _- 商精嫂步进电机 1 位移传感器 1 - ． - 电 源 模块 - - , q 高 精 度 步 进电 机2 位移 传 感器2 啼 7 - C P U 2 2 4 X P - - , q 高 精 度 步 进电 机3 位移传感器3 } _ _ ． E M 2 3 5 模块 变频器 CP 2 4 3 一 l 松 黼耍 传感 器} _ 啼 - - , q触 摸屏蛙 示 器 密度传感器 啼 以太嘲传输 图 2 控制系统硬件设计 流 化 床 粗 煤 泥 分 选 机 控 制 系 统 主 要 由 C P U 2 2 4 X P 、 模拟量 输入／ 输 出模块 E M 2 3 5 、 定位 模 块 E M 2 5 3 、 以太网模块 C P 2 4 31 、 压力变送器 E H、 D B 5 1 、 流量传感器 、 松散度传感器 S S D一0 1 、 位移传感器 、 步进驱动器、 步进电机 、 触摸屏等组成。 s 7 2 0 0 P L C的型号根据流化床粗煤泥分选机控制 系统所需要 的输入及输出点数选择。由于系统需要 8个数字量输入点和 5个数字量输 出点 ， 因此选用 S 7 2 2 4 X P C P U， 该机型具有 1 4个数字量输入点数、 1 0个数字量输出点数 ， 能够满足系统要 求 ， 并 留有 余量 ， 以便于今后扩展。根据 系统模拟量输入和输 出电流信号， 因此扩展模块选 用有模拟量输入和输 出的 E M 2 3 5， 该模块具有 4路模拟量输入 、 1路模拟 量输 出， 精度 1 2位 ， 能够满足系统 的要求 。定位模 块 E M2 5 3可以实现 3个步进 电机的控制。以太 网 模块 C P 2 4 31实现 以太 网通信 ， 从而实现流化床 粗煤泥分选机远程控制。 3 流化床粗煤泥分选机控制系统软件设计 根据流化床粗煤泥分选机 的工作原理及控制要 求 ， 设计了其控制系统的原理图 ， 如图 3所示。 位移传感器l 位移传感器l 位移传感器l 设定 1 l 2 l 3 l 密度 ⋯ EM 2 模 3 5 块H P LC H 图3 控制系统原理图 7 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 6期 根据控制系统原理 图， 可 以看出流化床粗煤泥 分选机在分选过程中， 各个执行动作的关联紧密 ， 限 制条件较多， 控制逻辑较为复杂。系统根据流化床 分选机动作 时序和控制功能要求 ， 在 S T E P 7一Mi ． c r o WI N 3 2编程条件下 ， 采 用模块化 编程 思想， 进行 程序控制设计 ， 使程序 结构更加清晰 ， 逻辑更 加严 密 ， 并具有良好 的移植性 和扩展性。控制程序 由主 控程序、 信号采集、 数据处理、 输出控制、 手动控制等 模块构成 ， 根据逻辑判断实现第二层安全控制 ， 依靠 控制限制条件实现第三层安全控制 ， 能有效提高控 制系统的安全性 5 J 。设备运行有手动、 自动 、 远程 3 种模式 ， 通过软件转换开关进行选择。采用此种模 块化设计 ， 能有效缩短程序扫描周期 ， 提高 P L C执 行效率。P L C控制程序的作用主要是将干扰床床层 密度稳定在用户设定值的范围内， 排料阀门自动打 开关闭。其控制过程为 密度传感器将 电流信号传 输到 P L C， P L C将信号值换算成密度与上位机所给 定的设定值进行比较 ， 比较的结果通过 P I D控制算 法计算相应的输出控制量， 定位模块 E M 2 5 3 控制步 进电机运转 ， 从而将床层的密度控制在一定的分选 范围内； 根据松散度传感器检测床层厚度， 当床层的 厚度达到设定值时 ， 排料阀门 自动打开 ， 使床层厚度 稳定在一定数值范围内； 根据流量计检测， 自动控制 变频水泵的转速， 使上升水流流速稳定在一定数值 范围内。P L C程序设计流程如图4所示。 开始 工 初始化 I调用远程控制子程序I 一 自动 大于 l 大于 设定I 设 定 密 度 i 床 层 厚 度 i 匝 叠匠卜 医函 L 4 流 化床粗煤泥分选机 的通信设计 、 上位机 设计、 触摸屏设计 4 ． 1 通信设计 流化床粗煤泥分选机 自动控制系统 的要求较 高 ， 采用独立控制。在多样化的工业网络通信方式 中， 工业以太 网克服 了现场 总线标准多 ， 硬 件费用 高 ， 传输速率较低 ， 支持应用有 限， 不能与互联 网集 成等缺点 。因此流化床粗煤泥分选机采用工业 以太 网通信 ， 通过 以太网模块 C P 2 4 31与双纤双 模收发器相结合 ， 实现光纤信号传输 ， 使通信距离达 到几十公里 ， 解决了部分选煤厂因集控室与现场距 离较远而无法通信的弊端 ， 通信设计如图5所示。 P U 2 2 4 X K P H C P2网43 1信 H H H I I C l l I I 收 发 器 l I 收 发 器 l I t 位 机 I 图5 通信设计图 4 ． 2集控 室上位 机设计 集控室上位机采用组态王软件对流化床粗煤泥 分选机系统进行上位机监控 ， 实现了流化床粗煤 泥 分选系统的 自动监控 、 远程手动控制 、 各参数在线显 示 、 报警记录和历史查询记录等功能 。具体功 能如下 集控室上位机对流化床分选机实现远程监 控 ， 对控制参数进行设定 ， 远程 自动控制和手动模式 切换 ， 实时监控工艺参数的状态 ， 实时记录执行机构 的工作过程 、 故障 出现明细及历史查询。若 出现 阀 门堵塞现象， 系统自动报警， 并停止作业， 待故障排 除后 ， 控制系统 自动重新启动工作。 4 ． 3 触摸屏上位机设计 触摸屏上位机 主要是实现人机交互控制功能 ， 供现场工人进行系统运行参数设置 ， 了解系统运行 状态 ， 查看存储记录及历史故障记录。因此 ， 上位机 设计须简单明了 ， 易于操作人员使用， 同时具有密码 锁定功能 。触 摸屏 界面设计 采用 S I MA T I C Wi n C C fl e x i b l e 2 0 0 8编写。S m a r t 7 0 0 I E触摸 屏上 位机 是一 种专门面向 P L C 、 性价比高、 简单易用的人机界面设 备 ， 非常适合现代工业要求。触摸屏上位机 主要实 现以下功能 显示功能 ， 工艺阶段状态 、 设备运行模 式 、 检测参数显示 ； 参数设定功能 ； 报警记录功能 ， 记 录并显示报警时间、 报警 内容等信息； 操作控制功 能 ， 测试执行机构效果 。 5 控制 系统应用效果 通过对流化床粗煤泥分选机分层采样 ， 研究流 速 ／ 一抉 一 一嚣 一 一 一 殳 2 0 1 3年第 6期 工业仪表与自动化装置 7 5 化床粗煤泥分选控制 系统 的性能。实验结果表明 当上升水流速度是 1 3 ． 9 4 m m ／ s时， 分选密度 1 ． 6 2 g ／ c m 流化床层 中粗煤 泥形成 了高度为 2 0 0 mm的 矸石层 、 1 8 0 0 mm的过渡层和 1 0 0 m m的精煤层 ， 矸 石层中大于 1 ． 8 g ／ e m 密度级含量为 8 0 ． 1 ％， 小于 1 ． 3 g ／ e m 密度级含量为 4 ． 9 6 ％ ， 形成了有利于分选 的矸石层 ， 为分选机高效分选创造了条件， 该控制系 统达到了预期控制效果 ⋯。 6 总结 该文基 于 S I MA T I C s 72 0 0系列 P L C设 计 了 流化床粗煤泥分选机 的 自动控制 系统 ， 实现 了分选 机性能及状态的在线实时监测 、 远程控制。该系统 通过以太网接人到选煤厂集控室 ， 可以方便进行综 合管理 。目前该设备已经成功应用到鹤岗选煤厂粗 煤泥分选生产中， 提高了精煤的产率和回收率 ， 使企 业取得 了良好 的经济效益。将西 门子 P L C应用在 流化床粗煤泥分选机 的 自动控制 系统 中， 提高 了流 化床分选机 的整体性能 ， 保障了系统 长期安全稳定 运行 ， 而且降低了工人的劳动强度 ， 克服 目前 国内同 类设备排料堵塞 问题 ， 提高 了流化床粗煤泥分选机 控制的 自动化水平 ； 同时， 流化床粗煤泥分选机的控 制系统能方便地接人整个选煤厂的自动化控制系统 中， 进一步提高了选煤厂整体的自动化水平。 参考 文献 [ 1 ] 陈文刊， 李延峰， 徐世辉， 等． 液固流化床分选粗煤泥 技术发展 与应用 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 1 1 9 7 5 7 9 ． [ 2 ] 焦红光 ， 惠兵 ， 冯金涛 ， 等． 新型粗煤泥干扰床分选技 术 的研究 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 9 2 8 58 7 ． [ 3 ] 罗庚 兴 ， 宁玉 珊． 基 于 Wi n C C和 S T E P 7的 P I D 控制 [ J ] ． 机电工程， 2 0 0 9 1 3 9 4 2 ． [ 4 ] 刘文礼， 陈子彤， 位革老， 等． 干扰床分选机分选粗煤泥 的规律研究 [ J ] ． 选煤技术 ， 2 0 0 7 4 1 1 1 3 ． [ 5 ] 王永华， 宋寅卯， 陈玉国， 等． 现代电气控制及 P L C应 用技术[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 蒋小洛 ， 尤佳， 朱海涛． 基于以太网的智能设备控制器 的设计与实现[ J _ ． 机电工程， 2 0 1 0 7 7 4 7 7 ． [ 7 ] 梁敬敬 ， 丁继存， 丁秀磊． 基于工业以太网的煤矿综合 自动化系统[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 2 3 2 4 2 2 4 4 ． [ 8 ] 刘教瑜 ， 张兰． 组态王在监 控系统 中的研究与实现 [ J ] ． 计算机与数字工程， 2 0 1 2 3 5 5 5 7 ． [ 9 ] 苗旭亮， 曹鸣．基于 O P C技术的西门子 s 5 P L C与上 位机通信[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 9 8 6 1 6 4 ． [ 1 0 ] 吕一波． 流化床粗煤泥分选床层特性[ J ] ． 黑龙江科 技学院学报 ， 2 0 1 2 3 2 2 5 2 2 8 ． 上接第 5页 表 l 测试结果与期望输 出的比较 4结论 根据神经网络与摄像机标定的特点 ， 针对标定 复杂的成像模型 ， 提 出了基于神经网络 的摄像机标 定方法 ， 是建立三维物坐标与二维图像 坐标之 间关 系的有效方法 ， 能有效地克服数学模 型误差 、 光学系 统调整误差 、 摄像机光敏元非均匀误差 以及 图像采 集误差等因素造成视觉检测 的测量误差 ， 从而能够 保证检测系统具有较高的测量精度。但由于目前神 经 网络的理论并不完善 ， 而 网络的性能受隐节点数 、 学习速率 、 动量因子 、 双曲函数中特性参数和各寻优 参数的初始值等的影 响， 对上述参数的选取还没有 严格的理论指导 ， 只能凭经验和试凑完成。 参考 文献 [ 1 ] 韦争亮． 基于彩色编码的结构光动态三维测量及重构 技术研究[ D] ． 北京 清华大学， 2 0 0 9 ． 张广军 ， 魏振忠， 孙志武 ， 等． 基于 B P神经网络的结构 光三维视觉检测方法研究 [ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 2 ， 2 3 1 3 1 3 5 ． 张广军， 李鑫， 魏振忠． 基于 R B F神经网络的结构光 三维 视觉检测 方法研究 [ J ] ． 计 量学报 ， 2 0 0 2 ， 2 3 4 2 512 55． 吴立德． 计算机视觉 [ M] ． 上海 复旦大学 出版社， 1 9 9 31 0 51 2 5 ． 张志波． 多功能面外云纹仪的研制及图像处理技术的 研究[ D] ． 北京 清华大学机械工程系， 1 9 9 9 ． 刘震亚， 何平安， 王卫平， 等． 激光光切法测量不规则堆 料的截面面积[ J ] ． 光学技术 ， 2 0 0 5 ， 3 1 1 1 4 61 4 8 ． 杜立彬 ， 高晓辉， 夏进军， 等． 一种新型激光三维扫描 测量仪的研制[ J ] ． 激光技术， 2 0 0 5 ， 2 9 4 3 6 6 3 6 9 ． 1 J]j 1{]J 2 3 4 5 6 7 ， l． L_}r l