南屯煤矿选煤厂自动配煤系统的设计与应用

于立军，王东才，王 冬

(兖州煤业股份有限公司 南屯煤矿选煤厂，山东 邹城 273500)

南屯煤矿选煤厂自动配煤系统的设计与应用

于立军，王东才，王 冬

(兖州煤业股份有限公司 南屯煤矿选煤厂，山东 邹城 273500)

为解决南屯煤矿选煤厂无法均质配煤的问题，从自动配煤的理论研究出发，设计了返煤自动配煤系统。介绍了自动配煤系统的组成、控制原理、系统功能，并分析了该系统在南屯煤矿选煤厂的应用效果。生产实践表明：自投入使用后，自动配煤系统运行平稳，实现了不同煤质煤炭的自动掺配，且配煤合格率高，配煤平均灰分完全满足需求。

选煤厂；自动配煤系统；差额补偿

随着开采时间的延长，南屯煤矿井下开采条件越来越差，工作面越来越小。多个工作面同时开采时，不同工作面的原煤煤质差别较大；加之边角煤居多，断层数量较多，即使同一工作面的原煤煤质差别也较大，使配煤工作量和难度均增加。目前，该厂有7个跨线装车仓，2#、3#、4#仓储存精煤，总容量为4 500 t；1#、5#、6#仓储存混煤，总容量为4 500 t；7#仓储存块煤，容量为1 200 t。由于装车仓容量小，且受空间的限制，无法实现均质配煤。现场只能通过计算运输不同煤质煤炭的车辆数来完成配煤，不但使工人工作量增大，劳动强度增加，而且导致煤炭掺配不均，无法满足用户要求。为此，从自动配煤的理论研究出发，在对煤场返煤系统现有格局分析的基础上，确定返煤自动配煤系统的控制方案。通过手动、自动两用系统使煤炭入仓，采用差额质量补偿法对其进行掺配[1-2]，以保证配后煤炭的平均灰分满足需求，并解决原配煤方式存在的大滞后问题。

1 系统组成

1.1 硬件组成

自动配煤系统由信号传输系统、检测系统、控制系统三大部分组成，检测系统是自动配煤系统的核心，主要包括传感器接口电路、滤波电路、A/D转换电路、CPU控制计算单元四部分，系统结构示意图如图1所示。

(1)移动信号传输装置。由于皮带走廊位于地下，给煤机为移动式设备，空间有限，电磁干扰较多，对信号的采集和控制信号的传输要求很高。为此，采用可靠的移动信号传输装置——滑轨上跑滑车带动拖缆进行信号传输[3]。

图1 自动配煤系统结构示意图

(2)传感器接口电路。在线测灰仪检测到的配煤灰分通过4～20 mA信号输出给PLC，617#给煤机的瞬时煤流量和619#输送带的总瞬时煤流量通过4～20 mA信号输出给PLC，传感器输出信号经耦合电路处理后接入系统[4-5]。

(3)滤波电路和A/D转换电路。传感器输入信号经滤波处理后接入控制单元，确保串扰信号不会进入系统；A/D转换电路将经滤波处理后的模拟信号转换成相应的数字信号。

(4)CPU控制计算单元。集中控制系统以西门子CPU3152DP PLC作为控制核心，通过现场总线与远程分站PLC进行通讯。

(5)嵌入式操作系统。鉴于现场操作环境复杂，选择触摸式、嵌入式操作平台，实现执行指令的多任务同时执行，充分发挥硬件资源的优势，提高系统的整体性能[6-7]。

(6)系统外围设备。外围设备主要包括PLC控制柜、集中控制操作台、就地控制柜等,这些设备可为主要设备的安放、操作提供便利条件。

1.2 软件设计

1.2.1 变量的确定

采用模糊控制策略作为系统控制策略，以配后煤炭灰分作为控制变量。模糊控制器有四个输入量，即煤炭当前灰分值(即累计值)与设定值偏差e、灰分偏差随时间的变化率△e(可由其瞬时值计算求得)、两种掺配煤的当前流量q1、q2(即皮带秤瞬时称重值)。

在设计模糊控制规则前，必需对模糊控制器的输入、输出变量空间进行模糊分割。根据隶属度分为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB七个模糊论域，其意义如下：

NB=负方向大的偏差(Negative Big)

NM=负方向中的偏差(Negative Medium)

NS=负方向小的偏差(Negative Small)

ZO=近于零的偏差(Zero)

PS=正方向小的偏差(Positive Small)

PM=正方向中的偏差(Positive Medium)

PB=正方向大的偏差(Positive Big)

确定控制变量后，根据经验设计出模糊控制规则。设计模糊控制规则时，是在所设想对控制对象各阶段之反应，记述采取哪一种控制较好。先选择各阶段的特征点，记录在模糊控制规则的前件部，再思考在该点采取的动作，记录在模糊控制规则的后件部[8]。

1.2.2 控制规则的确定

系统初始运行时，根据目标煤质要求，检索煤场数据库并计算求出最佳配煤方案，提示操作员参与配煤的两个煤堆；依据两台给煤机最终取煤的两个煤堆煤质参数，计算出配煤比例，将配煤比例与数据库进行比对，计算出给煤机应设初始频率；预设两台给煤机的频率，开启设备开始配煤，等待检测结果。由于实际运行过程中，每台给煤机下料灰分的非线性，主要采用四种模式对配煤灰分进行调节。

(1)灰分反馈值小于设定值且618#皮带称煤流量小于设定总煤流量时，通过PLC控制加大高灰煤流量，使灰分反馈值增大，直至等于灰分设定值。如果高灰煤流量增加到最大，而灰分反馈值仍小于设定值，通过PLC控制降低低灰煤流量，使灰分反馈值增加，直到其与灰分设定值相等。具体控制程序如下：

If(620A

THEN IF(GS≠50) THEN GS++

ELSE DS--

(2)灰分反馈值小于设定值且618#皮带称煤流量不小于设定总煤流量时，通过PLC控制降低低灰煤流量，使灰分反馈值增大，直到灰分反馈值与设定值相等。如果低灰煤流量已降至最低，而灰分反馈值仍小于设定值，通过PLC控制加大高灰煤流量，直至两个灰分值相等。具体控制程序如下：

If(620A

THEN IF(DS≠0) THEN DS--

ELSE GS++

(3)灰分反馈值大于设定值且618#皮带称煤流量小于设定总煤流量时，通过PLC控制增加低灰煤流量，使灰分反馈值减小，直到灰分反馈值等于设定值。如果低灰煤流量已增至最大，而灰分反馈值仍大于设定值，通过PLC控制降低高灰煤流量，直到二者平衡。具体控制程序如下：

If(620A>SetA)&(618S<618SetS)

THEN IF(DS≠50) THEN DS++

ELSE GS--

(4)灰分反馈值大于设定值且618#皮带称煤流量大于设定总煤流量时，通过PLC控制减少高灰煤流量，使灰分反馈值减小，直到灰分反馈值等于设定值。如果高灰煤流量已减至最小，而灰分反馈值仍大于设定值，通过PLC控制增大低灰煤流量，直到两者相等。具体控制程序如下：

If(620A>SetA)&(618S≥618SetS)

THEN IF(GS≠0) THEN GS--

ELSE DS++

改变给煤机频率后，等待数秒，检测配煤灰分数据；将检测灰分值与设定灰分值进行比较，继续上述步骤，直至检测灰分值与设定灰分值相等。该调节过程是一个实时调节过程[9]。

2 控制原理

通过对南屯煤矿选煤厂煤场返煤系统现有格局分析，可得：

(1)

Q2=Q3-Q1，

(2)

联合式(1)和式(2)得：

(3)

式中：A1、A2分别为617#、618#圆盘给料机输出煤炭灰分，%；Q1、Q2分别为617#、618#给料机输出煤炭流量，t/h；A为配煤目标灰分，%；Q3为619#输送带总煤流量，t/h。

Q1由安装在输送带上的617#电子皮带秤反馈数据获得，Q3通过619#输送带机尾电子皮带秤反馈数据获得，A通过安装在620输送带上的灰分仪获得。由于A1、A2无法获得准确数据，只能通过实验室人工检测获取大概灰分值，但可确认高、低灰取煤点，故系统采用根据目标灰分值计算后分级加减高低灰煤的方法实现配煤。

控制系统动态模式的精确程度是影响控制效果好坏的关键因素，系统动态信息越详细，越能达到精确控制的目的[10]。由于煤炭粒度、形状、密度、水分及其与给煤机叶轮间的摩擦力等参数无法获得，而这些因素对煤炭流量存在影响。为此，采用模糊数学来处理控制问题。

针对无法确定叶轮取煤点煤量是否充足，620#灰分仪对配后煤炭灰分检测、反馈存在时间滞后的问题，开发出差额补偿法解决配煤精度问题。配煤时记录配煤调整时长，在5 min内调整正常则进行下一个调整时长的记录；如果超过配煤时限而没有达到预定的配煤质量要求，则计算该时间段缺少的煤炭种类，此后加大该种煤的给煤量，直至达到平均质量要求[11-12]。自动配煤系统控制流程如图2所示。

图2 自动配煤系统控制流程图Fig.2 Control system flowsheet of automatic coal blending system

3 系统功能

自动配煤系统的应用，不但可及时掌握配后各仓煤的灰分数据，而且可通过灰分反馈及差额补偿来保证配煤平均灰分满足要求。该系统的主要功能体现在以下三方面：

(1)自动确定预灌仓煤量。系统初始化时自动获取煤仓数据库数据，进而确定预灌仓煤量，也可手工输入灌仓煤量。在灌仓煤量达到上限时，系统自动报警或停止灌仓。

(2)配煤异常报警功能。根据配煤瞬时时间和配后煤流量设定灰分上限值，如果配煤的测量灰分值超过灰分上限值而没有达到设定值，系统自动报警，提示操作员检查煤场给煤机附近煤量是否充足，是否出现其他异常情况，以便及时手动干预。

(3)差额质量补偿功能。如果因煤场煤量不足或其他原因出现阶段性的灌仓煤质不符合要求时，在恢复灌仓后系统依据灌仓容量，在加权平均计算的基础上自动补充该阶段缺失的煤炭量，以保证每仓的配煤平均灰分满足要求。

4 结语

针对南屯煤矿选煤厂返煤系统现有格局，通过手动、自动两用系统使配煤入仓，采用差额质量补偿法对其进行掺配，保证配煤平均灰分满足要求。配煤过程中系统能够自动掌握各仓煤的准确灰分数据，配煤灰分精度在±1.5%内，商品煤合格率达到100%。

该系统具有组态灵活、功能完善、操作简单等特点，运行安全稳定，达到了较高的自动化水平。自动配煤系统的应用，实现了煤炭的精确掺配，解决了配煤大滞后问题，避免了因质量过剩造成的经济损失，间接提高了企业经济效益。

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Design and application of automatic coal blending system in Nantun mine coal preparation plant

YU Li-jun，WANG Dong-cai，WANG Dong

(Nantun Mine Coal Preparation Plant, Yanzhou Coal Mining Company Limited, Zoucheng, Shandong 273500, China)

To solve the problem of unevenly blending coal in Nantun mine coal preparation plant, automatic coal blending system is designed based on theoretical research. This paper introduces composition, control pricinple, function of this system as well as analyzes its application effect. The result shows that the automatic coal blending system can operate steadily; different coal can be blended automatically with high qualified rate, also ash content of coal blending is qualified.

coal preparation plant; automatic coal blending system; compensation for the blance

1001-3571(2015)01-0074-04

TD948.9

A

2015-02-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.022

于立军(1973—)，男，山东省平度市人，工程师，从事选煤生产管理工作。

E-mail:yulijun388@163.com Tel：13505475198