焦化厂自动配煤控制系统的设计及应用研究

0 引言

在焦炭生产工艺过程中，需要将气煤、肥煤、焦煤、瘦煤四种煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦炉进行高温炼焦。配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响焦炭产品的质量。因此，通过提高焦化配煤系统的可靠性、稳定性、准确性来提高焦炭的质量具有非常重要的社会效益和经济效益。

1 自动配煤系统的组成和主要功能

1.1 系统的组成

包钢焦化厂备煤自动配煤系统主要由13个振动给煤机、13条称重小皮带及1条混料大皮带组成，全系统由一套西门子S7-300PLC实现控制，同时上位机使用WINCC组态系统实现监控、操作及人机交互功能。系统还使用了一套称重积算器实现PID控制，用于完成实时煤量对设定煤量的无静差跟踪，确保配合煤的准确度。其控制系统采用了PLC技术、现场数据采集技术、工业网络技术以及组态技术等，构成较为完整的成熟系统。

图1 自动配煤系统组成

系统工艺过程如下：混料大皮带启动，其启动信号作为称重小皮带运行的联锁条件，称重小皮带启动信号又是振动给煤机运行的联锁条件。系统共有13条称重小皮带及13套振动给煤机，运行之初要在组态画面上勾选要启动的称重小皮带，同时输入各小皮带的配煤比等配置信息。系统自动运行时，混料大皮带启动后，选中的称重小皮带随即启动，相应的振动给煤机也启动。此时通过称重传感器采样实时压力信号与称重小皮带的速度信号（固定值）在称重积算器中运算，产生实时煤量。实时煤量与设定煤量进行比较，偏差即为控制量，通过积算器中的PID环节，输出一个4mA～20mA的电流信号，送入振动给煤机的整流装置，控制其导通角，从而改变整流输出电压及电流，最终改变振动给煤机的振幅，下煤量得到调节和控制。这样，实时煤量始终跟随设定煤量，在允许的超调范围内波动，并基本恒定，从而保证了配煤比的准确度。所选中的称重小皮带及振动给煤机同时运行，煤料同时落至混料大皮带，即在混料大皮带上就是按照设定配煤比要求合格的配合煤。在保证各自实时煤量有效跟踪设定量的基础上，即保证了配合煤的品质要求。

从电气角度分析，总控制系统由以下五个分系统组成：

1）PLC控制系统

完成对混料大皮带、称重小皮带、电振给料机的启停、联锁控制。对配煤现场实际量、设定量进行接收、发送，实现对模拟量的控制。

2）仪表积算器系统

通过对实际设定量与现场实时量的分析运算，利用PID调节系统保持现场实时量对实际设定量的稳定、准确跟踪。是自动配煤系统的核心。

3）现场称重系统

该系统由称重小皮带和压力传感器组成，通过对小皮带的运行速度以及载煤压力等信号的采集，为仪表积算器系统提供运算数据。

4）振动给煤机系统

其作为系统的执行机构存在。仪表积算器接收现场采样信号，通过比较、运算输出4～20mA模拟量控制信号，用来控制振动给煤机整流触发的导通角，从而改变振动给煤机的电压、电流，最终控制其振幅，达到煤量调整作用。

5）计算机WINCC监控画面系统

全系统的运行情况直观的显示于监视器，同时各种控制按钮、转换开关等控制元件均由鼠标点击实现。

1.2 焦化厂自动配煤系统的主要功能

1）实时的检测各皮带秤的瞬时流量、累积量；

2）可靠的控制各秤按给定值恒流量运行；

3）配比和总配料量优化计算、下达；

4）现场工艺流程的画面显示以及配比、历史曲线的显示；

5）现场工艺、操作、过程参数的设置、改写；

6）各种故障、报警提示，以及登录、换仓处理；

7）系统配比精度评价；

8）数据报表打印输出。

2 主要控制信号及主要设备联锁关系

2.1 主要控制信号

1）每台振动给煤机与PLC有3个来往信号，与仪表积算器有1个来往信号。

机旁/集中信号取自振动给煤机机旁操作箱上的选择开关（机旁为0，集中为1），送至PLC控制柜内的DI模块；运行信号取自振动给煤机接触器辅助接点（分断为0，吸合为1），送至PLC控制柜内的DI模块；启动/停止信号取自PLC控制柜内的DO模块（启动为1，停止为0），送至振动给煤机接触器控制其启停；振动给煤机电控箱接收仪表积算器输出的煤量控制模拟信号，用来控制其振幅。

2）每台称重小皮带与PLC有5个往来信号，与仪表计算器有1个来往信号。

机旁/集中信号取自称重小皮带机旁操作箱上的选择开关（机旁为0，集中为1），送至PLC控制柜内的DI模块；电源正常信号取自称重小皮带断路器辅助接点（分断为0，闭合为1），送至PLC控制柜内的DI模块；故障信号取自称重小皮带电机保护器（故障为0，正常为1），送至PLC控制柜内的DI模块；运行信号取自称重小皮带接触器辅助接点（分断为0，吸合为1），送至PLC控制柜内的DI模块；启动/停止信号取自PLC控制柜内的DO模块（启动为1，停止为0），送至称重小皮带接触器控制其启停；称重小皮带接触器辅助点送仪表积算器，用来实现联锁。

3）每台自动配料秤仪表积算器与PLC有2个往来信号，与现场有3个往来信号。

实际流量取自配料秤仪表积算器，是现场实际的瞬时流量，信号类型为4～20mA，送至PLC柜内的AI（模拟量输入）模块；设定流量取自PLC柜内的AO（模拟量输出）模块，送至配料秤仪表积算器；自动配料秤仪表积算器接收现场的称重信号；接收称重小皮带接触器启动信号；输出振动给煤机煤量控制模拟信号。

4）混料大皮带信号取自混料大皮带接触器送至PLC控制柜内的DI模块。

2.2 主要设备联锁关系

1）在设备联锁情况下，小皮带与给煤机需在大混料皮带启动后方可启动。

2）在设备联锁情况下，启动过程：小皮带先启动，给煤机延时启动。停止过程：给煤机先停止，小皮带延时停止。

3）小皮带校秤与大混料皮带无联锁关系。

4）在正常生产情况下，单条小皮带的设定流量与实际流量偏差超过设定量一定时间后，全系统自动停止。

3 PLC控制系统软件设计及硬件构成

3.1 软件设计

整个P L C控制系统上位机采用西门子SIMATIC WINCC V6.2,实现监视、操作、趋势、报表等功能；下位机为西门子SIMATIC STEP7 V5.4，实现采集、运算、控制等功能。主要的程序结构为：

FC1：主要的控制程序块

FC2：控制程序块中各种启动、停止标志等

FC3—FC15：实现了13条小皮带的流量采集与累积，偏差、报警等控制算法

FC16、FC17：报表采集运算块

DB1：按钮背景数据块

DB2：标志背景数据块

DB3—DB15：各小皮带流量采集与累积，偏差、报警等内部标志的背景数据块

DB16、DB17：报表背景数据块

3.2 硬件构成

1）PS307 电源模块，供电模块

2）S7-300系列CPU-2DP，中央处理器模块

3）CP343模块，与上位机以太网通信模块

4）ET200M远程I/O，远程I/O通信模块

5）DI模块，数字量采集模块

6）DO模块，数字量输出模块

7）AI模块，模拟量采集模块

8）AO模块，模拟量输出模块

3.3 上位机操作说明

1）操作画面

操作画面用于生产过程中各设备状态的监视（运行、停止、故障、掉电等）和操作（启、停等），分解锁和联锁两种操作方式。在解锁方式下，各现场设备可由画面单启、单停按钮完成单一设备的独立启、停操作；在联锁方式下，现场设备可统一的进行顺启（小皮带与给煤机依次顺序启动）、顺停（小皮带与给煤机依次顺序停止）、同启（小皮带与给煤机同时启动）、同停（小皮带与给煤机同时停止）等操作。

对每一套仓设备（振动给煤机、小皮带）可独立进行选中生产操作。对每一套仓设备（振动给煤机、小皮带）可独立进行选中报警参与与取消操作。

每一套仓设备在启动时，要确认是否“上电”，“本地/远程选择”，“电机保护”。单设备校秤时，不参与联锁控制，完成后要复位校秤确认。

2）配料画面

配料画面用于输入和监视各种煤种的煤量及水分的配比，以及实际、设定、累积煤量。每班操作前要复位清零累积量。

3）综合画面

综合画面综合了操作画面的设备状态监视功能与配煤画面的实际、设定、累积煤量显示。

4）趋势画面

趋势画面记录了各设备的运行情况以及实际和设定的煤量变化曲线。

5）报表画面

报表画面是班报表的打印画面。

4 系统运行过程出现的问题与解决方案

1）振动给煤机远程控制时，不联锁停车，造成煤料掩埋小皮带的故障。

故障分析：正常情况下，当称重小皮带停止时，远程联锁点断开，如图，继电器KA失电释放，从而使振动给煤机失电停止。但设计中操作电源使用了交流380V，线路过长，加之KA线圈与指示灯HL并联，因此当小皮带联锁点断开时，由于指示灯的电感、电阻的作用，使A点并未悬空，而是产生比B点电位低大约100V的电位点，也就是说A、B两点间具有100V左右的电压，使得KA不能有效释放，造成不停车，煤料继续倾下掩埋皮带的故障。

图2 改造前电路图

解决方案：指示灯HL拆除，不与KA线圈并联。这样指示灯的电感、电阻作用不再出现，AB两点不会再产生电压，继电器KA可以正常释放。KA操作电源使用220V，使系统有一个清晰准确的参考零电位，使系统失电时电源彻底断开。

图3 改造后电路图

采用以上方案，问题得到彻底解决，故障得到遏制。

2）系统启动瞬间，突加给定，造成系统运行不稳定的故障。

故障分析：系统在启动瞬间，由于称重小皮带上还没有物料，因此反馈信号几乎为零，调节器给定偏差即为给定量，从而使输出达到最大值，造成整流装置立刻达到最大导通角，输出电压及电流瞬间突变为最大值。这样的情况对整流装置的稳定运行十分不利，极大地缩短了其使用寿命。同时，瞬间的大电压和大电流冲击振动给煤机的线圈，大大缩短其使用寿命，且极易造成线圈烧损。瞬间的大电流使振动给煤机剧烈振动，对其机械结构也非常不利。

解决方案：从限制称重积算器输出量入手，称重积算器输出端加入一个积分环节，时间设定为20秒，这样在启动瞬间，虽然偏差很大，积算器的输出量却缓慢增加，去除了大电压、大电流对设备的冲击。

但在正常运行中如果该积分环节仍起作用，势必对系统的响应速度造成极大的影响，无法保证配煤比的准确度，因此在启动完成后，即20秒钟后，积算器自动将此积分环节短接，使系统进入正常调节状态，从而既去除了启动瞬间的冲击，又有保证了系统的功能实现及配煤比的准确度。

5 结束语

包钢焦化厂自动配煤控制系统是PLC、仪表积算器、现场称重系统的典型应用，三者通过工业以太网、Profiubus-DP网络连接，实现信息交互。采用动态误差累积计算法实现自动控制，能有效地控制配煤重量精度，提高配煤精度高，减少误差。混料皮带、给料皮带等设备之间的联锁控制，配煤过程的可视化操作，使所有的控制均在终端上操作完成，提高了整个系统的自动化程度。较高的配煤精度为稳定焦炭质量，降低配煤成本，增加经济效益提供有利的技术支持。

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