基于PLC的选煤厂压滤控制系统的设计及实现

2021-03-18刘皓

机械工程与自动化 2021年1期

刘皓

(西山煤电(集团)有限公司屯兰选煤厂，山西古交 030206)

0 引言

煤泥选煤厂洗选加工的副产品具有含水量高、黏性高、热值量低等特点。为加强对煤泥等副产品的利用，提高能源的利用率，避免浪费煤炭资源，选煤厂配置了有效的煤泥水处理设备—压滤机实现对煤泥的回收。随着工作面综采设备自动化水平的提升及选煤技术的发展，导致煤质变差，进而对压滤系统提出了更高的要求[1]。为提升选煤厂压滤系统的自动化水平及可靠性，本文基于PLC以压滤机为监控对象实现对压滤设备运行参数的实时监控。

1 压滤控制系统的总体设计

目前，某选煤厂压滤设备为快开式隔膜压滤机，厂内共有4套相对独立的压滤系统，其主要由搅拌池、入料泵、压滤机、输送机、压风机以及PLC控制柜组成，主要功能是对副产品煤泥进行压榨，并对煤泥水循环利用。该选煤厂压滤系统中压滤机的具体型号为KM350/2000。针对当前压滤系统自动化水平低、可靠性差的问题，本文将结合PLC控制技术、变频控制技术、传感器控制技术和PID控制算法实现对选煤厂压滤系统的自动化监控，最终实现对所得煤泥副产品中含水率的控制，实现对压滤系统相关设备参数的集中监测和控制[2]。基于上述自动化、高可靠性的控制思路设计如图1所示的压滤控制系统结构。

如图1所示，压滤自动化控制系统的核心控制器为PLC控制柜，此外还包括上位机触摸屏、压滤机、空气压缩机、入料泵、变频控制器以及用于现场设备运行参数监测的各类传感器(压力传感器、流量传感器)等。其中，通过控制入料泵实现对入料环节的控制；通过控制空气压缩机实现对压榨环节的控制。其控制原理为：压滤控制系统的最终控制设备为压滤机，其控制依据为压滤机检测仪表和形成开关的状态参数，控制途径为通过电磁阀对入料泵和空气压缩机等输出单元的控制最终实现对压滤机的控制[3]。采用PROFIBUS-DP通信协议对该控制系统上位机、下位机进行通信，并采用以太网通信技术实现通信[4]。

图1 压滤控制系统结构

1.1 压滤控制系统的硬件设计

1.1.1 PLC系统

压滤控制系统的控制对象为压滤机，其辅助设备包括测量仪表和压力表等，其执行设备包括电磁控制阀、压风机等。

本文采用的压滤机为KM350/2000型快开式隔膜压滤设备。PLC为压滤控制系统的核心，本文着重对PLC相关硬件进行选型设计。结合PLC不同产品的特征及压滤系统的控制需求，本控制系统选用S7-300系列的PLC，对应CPU模块的具体型号为315-2PN/DP；对应的数字量输入模块为SM321，数字量输出模块为SM322，模拟量输入模块为SM331。经统计，本控制系统中数字量输入点有37个，数字量输出点有22个，模拟量输入点有3个。本控制系统对应电源模块选用PS307-5A和PS307-10A。

1.1.2 压滤控制系统其他硬件选型

本控制系统其他硬件选型结果如表1所示。

表1 压滤控制系统其他硬件选型

压滤控制系统的变频调速是其提升自动化水平、降低能耗、避免系统在启停时对电网造成冲击的关键。针对压滤系统的变频控制需求，该系统需对入料泵的压力进行变频控制，基于PLC和变频器的入料泵变频控制原理如图2所示。

图2 入料泵变频调速控制原理图

1.2 压滤控制系统的软件设计

压滤控制系统的软件包括压滤控制系统的主控制程序、压风机联控程序、入料泵压力控制程序、故障报警程序等。为保证压滤控制系统的精确性和可靠性，本文将采用PID控制策略对其各分系统进行控制。本节将着重对模糊PID控制策略的设计进行研究。模糊PID控制器结构如图3所示。

图3 模糊PID控制器结构框图

模糊PID控制流程如下：r(k)为系统输入，由压力检测计对输出信号y(k)进行监测，与输入的信号对比，得出偏差率ec和偏差e，模糊PID控制器基于模糊控制规则对PID控制器中的比例环节增益Kp、微分环节增益Kd和积分环节Ki进行调整，通过PID控制器得出对应的偏差和偏差率下的控制策略u(k)实现对变频器的控制，最终达到对压风机对应控制的目的。

结合工程经验并查阅相关文献，针对压滤控制系统其对应的传递函数如式(1)所示：

(1)

对应上述传递函数中PID控制器中的三个参数分别为：比例因数为0.51，积分因数为0.4，微分因数为0.05。经仿真分析，通过采用模糊PID控制策略与采用PID控制策略对压滤控制系统的控制效果的比较得出，模糊PID控制策略具有超调量小、系统调整时间少且振荡次数少的优势。即，验证了模糊PID控制器对压滤控制系统控制的稳定性和可靠性。

基于模糊PID控制算法和PLC、变频器控制的流程，编写了相应的压滤控制系统关键分系统控制的程序流程图。图4为模糊PID控制算法下基于PLC的压滤控制系统主监控系统的界面。