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本文探討了某焦化廠煉焦配煤系統(tǒng)存在的問題和應(yīng)用PLC進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的思路，以滿足自動(dòng)化配煤技術(shù)要求。
在焦碳生產(chǎn)工藝過程中，需要將氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤四種煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦?fàn)t進(jìn)行高溫?zé)捊?。配比的?zhǔn)確性以及配料系統(tǒng)的可靠性將直接影響焦碳產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，通過提高焦化配煤系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性來提高焦碳的質(zhì)量具有非常重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
目前，某焦化廠備煤車間擔(dān)負(fù)著公司燃煤接卸、煉焦和輸送的工作。原配煤設(shè)備共配置了14套，經(jīng)過多年使用，已老化嚴(yán)重，該設(shè)備有如下缺陷:
系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度差，影響煉焦配煤比的精度;主要附件電子秤可靠性差，且易損壞;
抗干擾能力差;電子秤標(biāo)定復(fù)雜，工作量大;調(diào)速性能差，設(shè)備運(yùn)行可靠性差，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量大;崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境差，無自動(dòng)配料功能。
因此，必須對(duì)配煤系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn):用核子秤進(jìn)行計(jì)量，設(shè)置上位機(jī)進(jìn)行配料自動(dòng)控制，建立配料模型，統(tǒng)計(jì)打印，下位機(jī)采用PLC進(jìn)行電機(jī)、皮帶順序控制、料流計(jì)量、圓盤速度的控制。圓盤給媒機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)控制，確保系統(tǒng)配煤誤差<2%。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在系統(tǒng)中我們將采用PLC可編程控制器加上核子秤配料系統(tǒng)，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用主皮帶配料方式(一條龍配料方式)，這樣新的配料系統(tǒng)可不加小皮帶，使該項(xiàng)目投資及用戶日后的維護(hù)量達(dá)到最小、最少。該配煤系統(tǒng)可分為物料計(jì)量、微機(jī)操作、控制、變頻調(diào)速四大部分。
2.1 控制系統(tǒng)組成
PLC可編程控制器采用MODICON公司的產(chǎn)品，它的CPU模塊為CPU11303、電源模塊CPS11400、8通道模入模塊ACI03000、4通道模出模塊14ACO02000、開關(guān)量輸入模塊DDI35300、繼電器模塊DRA84000、高速計(jì)數(shù)模塊DRO84000，編程軟件采用MODSOFT軟件。上位機(jī)為IPC研華工控機(jī)(包括顯示器、打印機(jī))，采用FIX組態(tài)軟件編程。電機(jī)的變頻器為G5A40111A。
2.2 上位機(jī)功能
上位機(jī)采用先進(jìn)可靠的研華工控機(jī)作為管理機(jī)，配煤技術(shù)工藝流程動(dòng)畫顯示美觀大方，友好的操作界面簡(jiǎn)單易學(xué)，其功能如下:
⑴ 各種配煤操作界面、數(shù)據(jù)顯示及打印管理，用戶可方便的在上位機(jī)上進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的修改操作，運(yùn)行數(shù)據(jù)的圖形顯示及打印各種報(bào)表;
⑵ 通過網(wǎng)卡與控制部分的配料模塊和開關(guān)量控制模塊相聯(lián)，能夠下載計(jì)量、控制、系統(tǒng)參數(shù)，以及核子皮帶秤命令、精度測(cè)試命令等，同時(shí)能夠上傳各模塊當(dāng)前狀態(tài)和參數(shù)。
2.3 控制系統(tǒng)功能
控制部分是由開關(guān)量控制模塊和配料控制模塊組成，核子秤內(nèi)部控制模塊之間的信號(hào)傳輸采用差分頻率信號(hào)傳輸技術(shù)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力和遠(yuǎn)傳能力，從而保證了系統(tǒng)信道的可靠性和準(zhǔn)確性，在反饋控制上采用新型的人工智能PID調(diào)節(jié)算法，無振蕩，無超調(diào)。各模塊功能如下:
⑴ 開關(guān)量輸入模塊
該模塊能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總流量、配比、水分的選擇，各種皮帶啟停信號(hào)的輸入和配料模塊啟停信號(hào)輸出，控制信號(hào)及大屏顯示接口，連鎖及配料控制和上位機(jī)的通訊，并留有備用選擇器。
⑵ 配料控制模塊
配料控制模塊能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、計(jì)算并與給定流量比較將誤差量按照控制算法進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換成4~20mA模擬量信號(hào)，發(fā)送給變頻調(diào)速器，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖儺?dāng)前下料量，確保精度。
從控制方案實(shí)施可見:最新配料控制系統(tǒng)在上位機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)除打印報(bào)表功能無法實(shí)現(xiàn)外，其它控制部分均能正常工作，對(duì)整個(gè)配料系統(tǒng)無影響。由于在設(shè)計(jì)時(shí)將控制分散到控制模塊而將管理集中在工控上位機(jī)中，因此系統(tǒng)不僅保證了高可靠性的控制功能，而且又具有良好的用戶界面和管理功能，在硬件設(shè)計(jì)中考慮了配料控制模塊的可維護(hù)性，用戶只需要較少的微機(jī)及控制理論知識(shí)、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，就能及時(shí)方便地確保整個(gè)自動(dòng)煉焦配煤系統(tǒng)連續(xù)可靠的運(yùn)行。
2.4 報(bào)警功能
當(dāng)系統(tǒng)各測(cè)量單元出現(xiàn)故障時(shí)，工藝流程主畫面將以警示色提醒用戶，按下相關(guān)鍵后，可由CRT顯示故障代碼;當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)空倉(cāng)或圓盤給料機(jī)堵料而無法下料時(shí)，工藝流程畫面也以警示色提醒用戶，同時(shí)出現(xiàn)聲音報(bào)警，提醒用戶及時(shí)處理。
2.5 其他功能
能對(duì)變頻器進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)切換及機(jī)旁自動(dòng)/手動(dòng)選擇。
3 控制原理
3.1 給煤機(jī)配比控制
由于給煤量的大小取決于多種工藝參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果，所以給煤任務(wù)來自于上位機(jī)的配比計(jì)算，計(jì)算機(jī)采用配比數(shù)學(xué)摸型，它是根據(jù)配煤總量和各種煤所占的比例，及所含有的水份等參數(shù)，結(jié)合配比專家知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算各種煤的流量設(shè)定值，作為進(jìn)行指導(dǎo)和校正的手段。這里可輸入各種煤的成份，檢驗(yàn)結(jié)果等信息，制定配煤方案，下達(dá)配煤命令。
3.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)過程   
它是通過取消小皮帶，并在集料皮帶下直接安裝核子秤，可實(shí)時(shí)取得各種給煤流量反饋值的電壓信號(hào)(0~30mV)，經(jīng)變送器放大，并轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)，送至可編程控制器的A/D轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)采樣后，與上位機(jī)設(shè)定的各種配煤給定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，其控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換接口送至變頻調(diào)速器，以此來改變變頻器的輸出值，從而改變圓盤給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整給煤量，使之與設(shè)定值相等，完成自動(dòng)配煤過程，下煤量設(shè)定值的大小決定了圓盤轉(zhuǎn)速，圓盤轉(zhuǎn)速與下煤量成正比。
3.3 控制規(guī)則
(1) 若控制誤差的絕對(duì)值太大，則增加輸出量，加強(qiáng)控制作用，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤調(diào)節(jié);
(2) 若控制誤差及其變化率均在允許范圍內(nèi)，則輸出量不變，維持原控制作用;
(3) 若控制誤差與其變化率的符號(hào)相反(如控制誤差為正，而其值卻在減少)，且誤差變化率相對(duì)于誤差較小，則要加強(qiáng)控制作用;
(4) 若控制誤差與其變化率的符號(hào)相反，且誤差變化率相對(duì)較大，則加入“微分控制”;
(5) 若控制誤差與其變化率符號(hào)相反，且二者絕對(duì)值相近時(shí)，維持原有控制;
(6) 若控制誤差與其變化率符號(hào)相同，誤差增大趨勢(shì)，則采用“比例、積分、微分”控制，增強(qiáng)控制作用。
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
4.1 PLC實(shí)現(xiàn)的功能
實(shí)現(xiàn)各配煤機(jī)的啟動(dòng)和停止;電機(jī)、皮帶的順序控制;配煤流量的瞬時(shí)、累計(jì)流量的計(jì)量;圓盤給料機(jī)速度的自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)配料自動(dòng)控制。
4.2 上位機(jī)功能
它能與PLC之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸通訊;每個(gè)圓盤下煤量設(shè)置;每臺(tái)秤的稱量值顯示;配煤稱量系統(tǒng)畫面監(jiān)視;圓盤運(yùn)行情況監(jiān)視;故障顯示及報(bào)警;可作為PLC的編程器使用;根據(jù)配料模型實(shí)現(xiàn)配比自動(dòng)計(jì)算功能;歷史趨勢(shì)顯示,可查看任意時(shí)間段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線,分析生產(chǎn)情況;生產(chǎn)報(bào)表;從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù),生成各種報(bào)表,進(jìn)行打印。
5 核子秤計(jì)量部分
根據(jù)焦化廠備煤車間現(xiàn)有的配煤計(jì)量設(shè)備PDS-7微機(jī)電子皮帶秤已使用十多年，存在著設(shè)備老化，可靠性差等若干問題，直接影響著配煤比的精度。因此，這里應(yīng)采用目前國(guó)際上比較流行的核子皮帶秤，核子皮帶秤與傳統(tǒng)的電子皮帶秤相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最主要的是不受皮帶磨損、張力、振動(dòng)、跑偏、沖擊等因素影響，能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作，最值得一提的是它可在高溫、多塵、強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行。
5.1 核子皮帶秤工作原理簡(jiǎn)介
核子皮帶秤的工作原理，放射源在上方穩(wěn)定地放射出g射線，在支架構(gòu)成的平面內(nèi)呈扇形照射至輸送機(jī)上，輸送機(jī)上的物料吸收一部分g射線，其余的射線照射至g射線探測(cè)器上，因射源發(fā)出的g射線為一常數(shù)，因此探測(cè)器探測(cè)出的g射線的多少，可反映出輸送機(jī)上物料的多少，由此再根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式便可計(jì)算出某一時(shí)刻輸送機(jī)輸送物料的流量。
此方案的特點(diǎn)是核子秤的測(cè)量信號(hào)沒有經(jīng)過運(yùn)算處理直接送入PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)需將核子秤的測(cè)量信號(hào)0~5V，或者是頻率信號(hào)加以轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理，才能得出秤重值，它的主要優(yōu)點(diǎn)是省掉了二次稱重儀表，降低了費(fèi)用。
5.2配煤技術(shù)要求及防護(hù)要求
(1) 秤體采用不銹鋼體，秤體的安裝對(duì)皮帶傳輸裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)水平不生產(chǎn)任何影響，不改變其結(jié)構(gòu);
(2) 每臺(tái)核子秤的每次配煤精度優(yōu)于1%;
(3) 本系統(tǒng)一機(jī)帶14臺(tái)核子秤的硬件配置方式，必須滿足多物料、多品種配煤工藝，提供料選、配比等人機(jī)對(duì)話，自動(dòng)切換等功能。具有統(tǒng)計(jì)配煤量、報(bào)表、打印、校準(zhǔn)、故障診斷等功能;
(4) 工控機(jī)必須設(shè)有專用接地極且接地電阻<4W。
6結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了14臺(tái)圓盤配煤機(jī)的啟停、聯(lián)鎖保護(hù)、稱量及調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)配煤生產(chǎn)自動(dòng)化。控制方式采用自動(dòng)和手動(dòng)操作兩重方式，在自動(dòng)方式下，各配煤回路的設(shè)定及控制，配煤的在線更改等都由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成;在手動(dòng)方式下，根據(jù)核子秤測(cè)量的值手動(dòng)調(diào)節(jié)圓盤轉(zhuǎn)速，進(jìn)行配煤控制、人工啟停設(shè)備，在這兩種方式下，都設(shè)有主要設(shè)備緊急停運(yùn)按鈕。通過改變變頻器輸入信號(hào)方式，可方便地進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)切換，切換沖擊小，生產(chǎn)進(jìn)行順利。
該配料系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，能夠滿足各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，滿足配料控制精度要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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