基于PLC的选煤厂智能快速动态自动定量装车系统设计研究

作者简介：齐海龙（1984-），男，机电工程师。研究方向为选煤设备的技术革新，设备维护保养检修。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.029

摘  要：肖家洼煤矿选煤厂以往汽运采用商品煤动态装车系统，存在装车能力不足、装车精度不高、装车成本较高、智能自动化程度低及装车效率低等问题。针对以上情况设计基于西门子1214PLC的智能快速动态自动定量装车系统，并进行为期1年的工业试验，结果表明，该装车系统可以实现动态自动定量装车的目标，单车装车时间缩短至90 s内，最大装车量提高至1 200车/d，汽运能力提高至4万t/d，装车工作效率和智能自动化水平显著提高，经济效益显著。

关键词：西门子1214PLC；商品煤；智能；动态自动定量；装车系统

中图分类号：TD352      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）16-0124-04

Abstract： In the past， the coal preparation plant of Xiaojiawa Coal Mine used commercial coal dynamic loading system， which had some problems， such as insufficient loading capacity， low loading precision， high loading cost， low degree of intelligent automation， low loading efficiency and so on. According to the above situation， an intelligent fast dynamic automatic quantitative loading system based on Siemens 1214PLC is designed， and the industrial test for one year is carried out. The results show that the loading system can achieve the goal of dynamic automatic quantitative loading， the loading time is shortened to 90 s， the maximum loading capacity is increased to 1 200 vehicles/d， the automobile transportation capacity is increased to 40 000 t/d， the loading efficiency and intelligent automation level are significantly improved， and the economic benefit is remarkable.

Keywords： Siemens 1214PLC; commercial coal; intelligence; dynamic automatic quantification; loading system

選煤厂是煤炭生产过程中的重要环节，主要任务是将原煤进行洗选、筛分和干燥处理，以获得高质量的煤炭产品。在洗选过程结束后，煤炭产品需要被装车运出，供应给客户或用于其他工业应用。传统的装车方式及自动装车系统通常涉及人工操作，这种方法存在一系列问题，如装车效率低、智能自动化程度低、操作人员劳动强度大及操作误差大等。因此，选煤厂迫切需要一种智能快速动态自动定量的装车系统，以提高装车效率和装车能力、减少运营成本并提高装车操作的安全性。本文设计了一种基于PLC技术的选煤厂智能快速动态自动定量装车系统，该系统满足煤炭外运装车操作的高效、精确和智能自动化需求。通过采用PLC技术，可以实现系统的智能控制，使其适应不同的装车情境和要求。此外，系统的快速性和动态性将确保装车操作在高效率和灵活性的基础上进行。选煤厂智能快速动态自动定量装车系统的应用将有助于提高煤炭生产的效率和质量，并减少运营成本。

1  工程概况

1.1  概况

肖家洼煤矿选煤厂入洗肖家洼煤矿原煤，处理能力为8.0 Mt/a。采用块煤重介浅槽分选+末煤2产品重介旋流器主再洗的分选工艺，主要产品有华进混煤、华进3号、华进精煤。

选煤厂主要工艺为：200～50（25）mm粒度原煤采用50（25）mm分级，经8 mm脱泥进入重介浅槽分选机分选；脱泥后8～1 mm级末煤采用弧形筛＋末煤离心机回收。1～0.25 mm粗煤泥采用分级浓缩旋流器＋卧式沉降离心机脱水；0.25～0 mm级细煤泥采用浓缩机＋压滤机脱水回收。

小于等于50（25） mm的末原煤，采用1 mm脱泥；脱泥后50～1 mm原煤采用两产品重介旋流器主再洗工艺分选，小于1 mm级末煤采用分级旋流器分级，分级旋流器底流采用采用弧形筛＋末煤离心机回收；分级旋流器溢流进入浓缩+压滤机回收细煤泥。

1.2  商品煤动态装车系统存在的问题分析

肖家洼煤矿选煤厂无铁路运输及自动装车系统，主要依靠汽车运输，装车量较大。该选煤厂以往汽车外运商品煤主要是采用商品煤普通装车系统在装车站实施装煤外运，在多年的外运过程中发现，该商品煤普通装车系统存在较多问题。第一，装车能力不足。以往商品煤普通装车系统1.4 m胶带机运煤量仅为1 400 t/h，单车装车时间为90～120 s，最大装车量为960车/d，选煤厂商品煤汽运能力仅为3.2万t/d外运能力。原因分析，胶带机小时运煤量有限，导致单车装车时间过长，进而影响每天的总装车量；此外该系统可能缺乏足够的装车站点或装车设备，进一步限制了装车能力。潜在影响，装车能力不足可能导致装车排队等待时间过长，影响整体物流效率，同时增加了运输成本。第二，操作环境较差，智能自动化程度较低。装车量全部靠人工通过目测汽车衡积算器显示量控制；装车过程对人工熟练程度依赖较高，如目测控制和人工调整，导致操作环境质量下降；同时欠装及超装现行明显，且因人工操作，使得装车过程缺乏准确性和效率。潜在影响，人为操作带来的欠装或超装，影响产品质量和客户满意度，同时人工操作的效率低下会导致整体装车速度减慢。第三，装车成本较高。现场需要专门雇佣装载机进行车辆补吨及超装卸煤清理，年补吨费用约120万元，装车成本高。潜在影响：高装车成本直接影响到产品的市场竞争力，增加了公司的运营成本。

针对肖家洼煤矿选煤厂商品煤装车系统存在的问题，基于该选煤厂主要靠汽车运输且装车量大、装车精度要求较高的需求，肖家洼煤矿选煤厂设计了一种基于1214PLC的智能快速动态自动定量装车系统，不仅能够解决现有的装车效率和准确性问题，还能长期降低成本，提升整体运营效率和安全性。

2  基于PLC的商品煤智能动态自动定量装车系统设计

在建设智能矿山的大背景下，肖家洼煤矿选煤厂为提高生产智能化水平，针对商品煤汽车外运中自动化程度低的问题进行了智能化改造，设计了基于1214PLC的商品煤智能动态自动定量装车系统，该系统在提高汽车外运装煤过程中的智能自动化水平外，还能提高装煤精度和装车量，大幅度提高装车站装煤效率。

2.1  系统设计思路

智能动态自动定量装车系统设计思路：①集成化控制，整合所有装车流程和控制参数到1214PLC系统，使得整个装车过程可以从一个中心点进行监控和管理。②实时数据监控和处理，系统应能够实时收集和处理关于车辆、装载量、速度等的数据，确保装车精度和效率。③用户友好的操作界面，设计一个直观、易于理解和操作的用户界面，使得操作人员可以轻松管理和调整装车过程。④模块化设计，系统应采用模块化设计，以便于未来的升级和维护，同时能够根据特定需要调整或增加新的功能。⑤安全和环境考虑，确保系统设计符合安全标准，减少操作过程中的安全风险，并考虑到环境保护的需要。

系统设计方案：利用西门子小型模块化PLC——西门子1214PLC开发自动定量控制系统，系统由控制计算机、PLC控制箱、汽车衡传感器、翻板限位传感器、大承载剪切梁传感器、定量仓和电笛等构成，计算机提前输入装载量，达到装载量后，翻板自动翻转，交替连续装车，实现动态自动定量装车的目标，在降低对人工依赖性的同时提高了一次装车的准确性，该项目投资小，应用效果明显。

系统功能需求：①自动定量控制，系统能够根据预设条件或实时监测数据自动调整装车量，确保装载精度。②动态调整和反馈，在装车过程中，系统应能够根据实时数据进行动态调整，并向操作员提供反馈。③故障诊断与报警系统，当系统出现故障或操作异常时，能够自动诊断并发出报警，确保及时的维护和修复。④数据记录和报告，系统应能自动记录所有装车数据，包括装车量、车辆信息、操作时间等，并能生成详细的报告。⑤远程监控和控制，提供远程监控和控制功能，以便于操作人员和管理层在不在现场的情况下也能管理装车过程。⑥环境保护和节能措施，设计中应包括降低粉尘排放和能源消耗的措施，以提升环境友好性。⑦人机交互界面，提供直观的人机交互界面，以便操作人员可以轻松监控和控制装车过程。

2.2  基本原理

利用PLC自动控制原理，编写自动控制程序，通过采集汽车衡称重传感器及计算器数据，并安装限位传感器、大承载剪切梁传感器，实现对装车带式输送机、中部槽翻板电动机集中自动控制。系统能够提前设定装载量，达到设定量后，双卸料中部槽翻板自动翻转，交替连续动态装车，装车过程中无须人为干预系统。

PLC作为系统的大脑，负责接收各种传感器的信号并根据预设程序作出相应的控制决策。根据装车需求编写控制程序，程序能够处理输入信号，并作出快速、准确的输出决策。汽车衡称重传感器用于实时监测装车重量，确保装载精度。计算器数据收集和处理汽车衡计算器的数据，用于监控和控制装车过程。限位传感器确保装车机械在正确的位置进行操作，防止装车时发生位置偏差。大承载剪切梁传感器用于精确测量载荷，確保装车精度。操作员可以在系统开始前预设每辆车的装载量，当达到预设装载量，PLC会指令中部槽翻板电动机自动翻转，实现交替连续动态装车。

2.3  关健技术问题分析

PLC控制系统的开发、系统功能的设置及不同种类传感器通信的实现。大运量运煤带式输送机定量仓自动定量直接实现动态高效率、高精度装车。

该商品煤智能动态自动定量装车系统分为刷卡模块、车厢规格检测模块、装车任务确认模块和智能汽车快速定量装车指挥模块。

2.3.1  刷卡模块

刷卡模块是系统的关键组成部分之一，用于管理装载操作的权限和记录操作的相关信息。刷卡模块的设计包括以下几个方面。

刷卡权限管理：每位操作员和车辆都配备了独特的刷卡卡片，卡片上存储了操作员和车辆的信息。系统根据刷卡卡片上的信息来确定操作员和车辆的权限，只有被授权的操作员和车辆才能进行装载操作。

操作记录管理：系统记录每一次刷卡操作的相关信息，包括操作员、车辆、时间和地点等信息。这些记录可以用于后期的数据分析和管理。

2.3.2  车厢规格检测模块

车厢规格检测模块用于检测装载车厢的规格和煤炭的重量，以确保装载的准确性。设计包括以下几个方面。

规格检测，通过传感器和图像识别技术，检测车厢的尺寸和形状，以确定其规格。重量检测，通过称重传感器，检测车厢内的煤炭重量，以确保装载的数量准确。数据传输，将检测到的数据传输给系统，供后续的操作使用。

2.3.3  装车任务确认模块

装车任务确认模块用于确认装车任务的信息，包括装车的数量和目的地。设计原理包括以下几个方面。任务信息接收，接收来自系统的装车任务信息，包括装车的数量和目的地。任务信息确认，操作员通过人机界面确认任务信息，确保任务的准确性。数据传输，将确认后的任务信息传输给系统，供后续的操作使用。

2.3.4  智能汽车快速定量装车指挥模块

智能汽车快速定量装车指挥模块用于实现对装车过程的智能控制，包括装载车辆的调度和装载过程的控制及装载数据的记录。设计包括以下几个方面。

装载车辆调度：根据装载任务和车辆状态，智能调度装载车辆，以确保装载任务的高效完成。

装载过程控制：监控装载过程，根据规格检测和任务确认的结果，控制装载的开始和结束。

装载数据记录：记录装载过程的相关数据，包括装载数量、时间、地点等信息。

2.4  工艺流程

1）利用西门子小型模块化PLC——西门子1214PLC开发自动控制系统，通过采集汽车衡计量显示数据，实现对翻板的控制，如图1所示。

2）在翻板左右两侧各增加一个接近开关，实现50%到位和100%到位控制，同时具备手动及自动控制功能，手动控制同改造之前，以便于装车员使用。

3）自动控制主要由3步组成，一是提前输入装载量（即车辆毛重），默认值为49 t，每侧可以输入10组数据。二是开始一侧装车后，PLC根据汽车衡仪表计量数据采集重量与输入的装载量进行数据比对，考虑中部槽落煤点与车厢顶端存在高度差，故每一侧均根据实际测量，设置了超前量。三是一侧完成装车后，翻板自动倒在另一侧开始装车，实现自动循环装车。

4）超前量及输入设置，根据现场反复调试，里侧中部槽（带式输送机机头正下方）超前量（即提前倒翻板的量）设置为1.6 t，外侧超前量设置为2.2 t（超前量根据现场中部槽结构及现场实测确定），装车误差控制在200 kg范围。装车系统默认称重量为49 t，可根据实际情况更改，每测一次输入10组数据，可减少装车员的输入次数。

3  实践应用效果及效益分析

3.1  实践应用效果分析

肖家洼煤矿选煤厂采用基于西门子1214PLC选煤厂智能快速动态自动定量装车系统进行装车站的装煤外运后，应用效果显著。计算机提前输入装载量，达到装载量后，翻板自动翻转，交替连续装车，实现动态自动定量装车的目标，在降低对人工依赖性的同时提高了一次装车的准确性。

①汽车外运装车能力大幅度提高。应用自动装车系统后，1.4 m带式输送机运煤量从之前1 400 t/h提高至1 800 t/h，单车装车时间从90～120 s缩短至90 s内，最大装车量从之前960车/d提高至1 200车/d，商品煤汽运能力从4 000 t/d提高至5 000 t/d的外运能力。②汽车外运装车自动化程度大幅度提高。应用自动装车系统后，翻板由西门子1214PLC自动控制，装车员只需提前将称重量输入电脑，控制电铃指挥车辆前进即可，无须其他操作，一次完成装车，减少对人工的依赖，提高装车效率。③汽车外运装车成本大幅度降低。应用自动装车系统后，对比之前超装现象明显减少，临时煤场卸煤量减少，可节约装载机等设备费用约120万元/年，降低了汽车外运装车成本。

3.2  先进性分析

①基于1214PLC选煤厂智能快速动态自动定量装车系统的开发应用，为临时性、大运量及多设备联动（带式输送机、翻板、汽车衡和车辆）动态定量装车的实现提供了案例，该系统应用投资小，适用性强。②通过系统应用，降低了装车过程中对工人的依赖性，实现了设备之间数据共享互控。翻板控制按50%、100%开度设定，装载量数据可10组同时输入，在自动控制的同时仍具备手动功能，系统故障后可继续由人工直接控制。③系统应用后，选煤厂商品煤外运效率明显提高，汽车外运装车现场环境改善，车辆循环率提高，满足矿井生产需求。

3.3  经济效益分析

基于1214PLC选煤厂智能快速动态自动定量装车系统（含全套控制设备及系统开发费用）仅需4万元，后期基本维护费用小，仅需更换故障传感器等小部件。

选煤廠智能快速动态自动定量装车系统应用后，汽车外运装车准确性可达99%以上，现场无须专门雇用装载机进行车辆补吨及超装卸煤清理，每年可节约补吨费用约120万元（参照2020年补吨费用标准0.25元/t，500万t×0.25元/t=125万元，按过磅总量计算）。

单日最大装车量由之前960车提高至1 200车，汽车外运能力提高至4万t/d，加之输煤系统，商品煤外运能力达到1 000～1 200万t/年，匹配矿井能力。

单车装车时间控制在90 s以内，大幅度提高了装运现场自动化水平，降低了工作的劳动量。

装车场地洒煤情况明显减少，临时煤场内卸煤明显减少，环保压力得到缓解。

4  结束语

肖家洼煤矿选煤厂汽运以往采用商品煤动态装车系统，存在装车能力不足、自动化程度低、装车成本较高等问题。针对性设计了基于1214PLC选煤厂智能快速动态自动定量装车系统，计算机提前输入装载量，达到装载量后，翻板自动翻转，交替连续装车，实现动态自动定量装车的目标，在降低对人工依赖性的同时，提高了一次装车的准确性。该系统在肖家洼煤矿选煤厂的实践应用效果理想，外运装车能力大幅度提高，外运装车自动化程度大幅度提高，外运装车成本大幅度降低。系统投入及后期维护费用小，可为企业创造较好的经济效益。该系统可以在同类型主要依靠汽车运输且装车量大、装车准确性较高的选煤厂进行推广应用，提高装载效率，降低成本。

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