基于PLC的选煤厂精煤自动装车控制系统应用研究

2021-07-28张进帅

机械管理开发 2021年6期

张进帅

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西晋城 048214）

引言

目前，煤矿开采领域已投入了自动装车控制系统，但整体的自动化程度相对较低，系统控制精度及响应速度也较差，人员作业时的劳动强度较大，无法满足当前实现煤矿开采自动化、智能化及无人化控制的发展需求[1-2]。将更加成熟的控制技术应用到装车控制系统中，实现系统的升级改进设计，已成为当前选煤厂智能化能力提升的关键。

1 现有装车控制系统存在的问题

目前，国内选煤厂整体已向自动化、智能化方向进行了改造升级。部分领域已实现了较高的自动化控制。但由于国内铁路技术发展的影响，选煤厂中的自动装车系统运行时仍存在较多问题，主要包括如下几点：

1）当前的装车控制系统主要依靠人力进行半自动化操作控制，控制精度及操作流程主要依靠人员的经验和熟练度，若经验不足，极可能造成装车效率的降低[3];

2）整个控制系统中未安装自动及监控系统，无法对全过程进行监测控制，人员也无法实时、准确地掌握现场的作业情况，极容易造成信息误判、操作失误等情况，大大降低了工作效率；

3）由于选煤厂现场环境的复杂性，经常出现所传输数据信息易受到外界干扰、信号不稳定等现象，数据传输的速度也相对较低，已无法满足当前较多数据的实时、快速传输需求；

4）针对选煤厂精煤装车现场所出现的故障问题，当前控制系统无法进行故障异常报警，仅能通过人员对现场进行逐一排查方可解决故障，故障排查效率低、现场作业安全性较差[4]。

为此，不断对当前精煤的装车控制系统进行升级设计，实现整个过程的自动化控制、参数自动调节、异常情况自动识别及报警等功能，已是提升装车控制系统综合性能的必然方向。

2 自动装车控制系统总体设计

依托当前精煤装车控制系统的现有基础，开展了精煤自动装车控制系统的改进设计。所设计的控制系统包括了PLC控制器、数据采集模块、上机位监控模块、通讯模块、报警模块等，主要实现精煤仓口闸门控制、皮带输送控制、煤矿重量称重、水分供给控制、作业现场监控等功能[5]。其中，系统中的核心控制器选用了西门子的S7-300系列PLC，与上位机监控系统之间则通过工业以太网、RS485等通讯方式进行信号传输及通讯；通过PLC控制器，能实现对生产现场设备的操作、控制、监控及相关数据信号的传输；控制系统中的电压平台包括DC24V和DC12V，以满足系统内部的用电需求。

整个自动装车控制系统的控制流程为：首先对火车进行车辆识别，将识别到的信息传递并反馈给PLC控制器中，在PLC控制器中对火车的入场顺序进行排序；而装车时，控制铁牛牵引电机来带动火车缓慢移动。当检测到火车信号时，簸箕和皮带机启动，将精煤输送并通过簸箕流入火车车厢中，实现精煤的自动装车。其中，装煤的流量则通过PLC控制柜进行控制，皮带机的传输速度则通过变频器控制数字信号来实现速度控制；经过计算后，在完成精煤重量称重及对比判断后，停止装煤，火车移动，并对数据进行保存，循环开始下一个火车装煤操作，自动装车控制系统的流程如图1所示。

图1 自动装车控制系统流程图

3 控制系统主要部分设计

3.1 PLC控制器选型设计

PLC控制器时整个系统的关键部分，可实现对系统中数据运算、设备控制、逻辑判断、信号转换及通讯等操作。因此，本系统选用了西门子的S7-300系列PLC控制器，该控制器包括了CPU处理器模块、开关量输入及输出模块、电源模块、控制器模块、模拟量模块，其中，电源模块采用了PS307型号，处理器选用了CPU315型号，通讯模块则选用了CP341型，而I/O模块则采用了光电隔离及防爆型，并将PLC安装在配电柜中[6]。而配电柜的输入则采用了AC220V电源，内部也按照了稳压电源、开关、继电器等元器件，由此，完成了PLC的选型设计。S7-300系列PLC控制器如图2所示。

图2 S7-300系列PLC控制器

3.2 电子轨道称重分系统设计

当精煤放入车厢后，需对多放入的精煤重量进行称重，以实现对精煤装入量的控制，故设计了一套电子轨道称重分系统设计。在该分系统中，选用了两个电阻式重力传感器，具有过载能力强、误差小、性能稳定等特点，可安装在称重台的两侧，通过检测到来自车厢的压力，利用激励拱桥电源的转换作用，将压力信号转换为相应的重量电信号，经过信号的放大、滤波及A/D转换等操作后，将最终处理信号经过RS485接口传输至PLC控制器中进行分析判断和运行，当重量达到设计值时，PLC则发出控制命令，自动停止装煤作业操作，以此实现对精煤重量的称重操作。称重系统的原理如图如图3所示。

图3 电子轨道称重分系统原理图

3.3 水分供给控制分系统设计

煤炭经过洗选后，精煤中会夹杂着一定含量的水分，较多的水分会使煤炭质量下降，较低水分也会煤炭重量降低，煤碳中的水分含量是评价煤炭经济价值的关键指标。为此，设计了一套水分供给控制分系统，以此实现对煤炭中水量的控制及水分检测。该分系统中配备了微波式水分仪，安装在皮带机下方的C型框架下，所发射出微波能穿透煤炭物料，发射能量的衰减及相位偏移，利用微波的能量衰减及相位偏移，以此来判断煤炭中的水分含量。所检测到的水分数据将通过RS485通讯接口传输至PLC控制器中进行对比判断，当检测到水分超过阀值时，则可通过输出模块来将喷淋装置的调节阀开度减小，实现对水分供给的控制。所设计的水分供给控制分系统原理图如图4所示。

图4 水分供给控制分系统原理图

4 控制系统应用评价

在完成精煤自动装车控制系统的全面设计后，为进一步验证该控制系统的综合性能，将其在选煤厂中进行了集成应用测试，主要对系统的精煤仓口闸门控制、皮带输送控制、精煤称重、水分供给控制、异常报警等方面进行全面测试，测试周期将近5个月。经过测试后，该系统运行正常，功能更加强大，实时性好，能自动对进出火车的车辆号进行自动识别，成功解决了传统的人工输入车号的痛点。同时，整个过程的设备启停、精煤装量、水分供给控制等方面均。实现了无人化自动控制，全程无人员进行操作控制；经抽样，每个火车车厢内的精煤重量基本相同，实现了精煤装量的精确控制。另外，该控制系统针对装车过程出现的水分过多、重量过重、超载、温度过高等异常情况也实现了系统的自动报警提示及故障位置显示，人员可根据故障显示位置，快速对故障进行排除，避免了因系统故障造成的时间浪费问题。整套系统的成功应用，达到了预期目的和效果。