PLC在配煤控制系統中的應用

1 引言
在焦碳生產工藝過程中，需要將氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤四種煤按一定比例配成混合煤，然后送入焦爐進行高溫煉焦。配比的準確性以及配料系統的可靠性將直接影響焦碳產品的質量。因此，通過提高焦化配煤系統的可靠性、穩定性、準確性來提高焦碳的質量具有非常重要的社會效益和經濟效益。
目前，武鋼焦化廠備煤車間擔負著公司燃煤接卸、煉焦和輸送的工作。原配煤設備共配置了14套，經過多年使用，已老化嚴重，該設備有如下缺陷:
系統調節精度差，影響配煤比的精度;主要附件電子秤可靠性差，且易損壞;
抗干擾能力差;電子秤標定復雜，工作量大;調速性能差，設備運行可靠性差，現場維護工作量大;崗位工人的勞動強度大，環境差，無自動配料功能。
因此，必須對配煤系統進行改進:用核子秤進行計量，設置上位機進行配料自動控制，建立配料模型，統計打印，下位機采用PLC進行電機、皮帶順序控制、料流計量、圓盤速度的控制。圓盤給媒機采用變頻器驅動控制，確保系統配煤誤差<2%。|
2 系統結構
在系統中我們將采用PLC可編程控制器加上核子秤配料系統，并在系統結構上采用主皮帶配料方式(一條龍配料方式)，這樣新的配料系統可不加小皮帶，使該項目投資及用戶日后的維護量達到最小、最少。該配煤系統可分為物料計量、微機操作、控制、變頻調速四大部分。
2.1 控制系統組成
PLC可編程控制器采用MODICON公司的產品，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、開關量輸入模塊 DDI35300、繼電器模塊DRA84000、高速計數模塊DRO84000，編程軟件采用MODSOFT軟件。 上位機為IPC研華工控機(包括顯示器、打印機)，采用FIX組態軟件編程。電機的變頻器為日本安川G5A40111A。工作流程圖如圖1所示;控制系統原理圖如圖2所示。
2.2 上位機功能
上位機采用先進可靠的研華工控機作為管理機，工藝流程動畫顯示美觀大方，友好的操作界面簡單易學，其功能如下:

圖1 工作流程圖

圖2 控制系統原理圖

⑴ 各種配煤操作界面、數據顯示及打印管理，用戶可方便的在上位機上進行各種數據的修改操作，運行數據的圖形顯示及打印各種報表;
⑵ 通過網卡與控制部分的配料模塊和開關量控制模塊相聯，能夠下載計量、控制、系統參數，以及核子秤命令、精度測試命令等，同時能夠上傳各模塊當前狀態和參數。
2.3 控制系統功能
控制部分是由開關量控制模塊和配料控制模塊組成，核子秤內部控制模塊之間的信號傳輸采用差分頻率信號傳輸技術，具有極強的抗干擾能力和遠傳能力，從而保證了系統信道的可靠性和準確性，在反饋控制上采用新型的人工智能PID調節算法，無振蕩，無超調。各模塊功能如下:
⑴ 開關量輸入模塊
該模塊能實現系統總流量、配比、水分的選擇，各種皮帶啟停信號的輸入和配料模塊啟停信號輸出，控制信號及大屏顯示接口，連鎖及配料控制和上位機的通訊，并留有備用選擇器。
⑵ 配料控制模塊
配料控制模塊能實現信號的采集、計算并與給定流量比較將誤差量按照控制算法進行計算，轉換成4~20mA模擬量信號，發送給變頻調速器，調節電機轉速從而改變當前下料量，確保精度。
從控制方案實施可見:最新配料系統在上位機系統出現故障時，系統除打印報表功能無法實現外，其它控制部分均能正常工作，對整個配料系統無影響。由于在設計時將控制分散到控制模塊而將管理集中在工控上位機中，因此系統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，在硬件設計中考慮了配料控制模塊的可維護性，用戶只需要較少的微機及控制理論知識、維護經驗，就能及時方便地確保整個自動配煤系統連續可靠的運行。
2.4 報警功能
當系統各測量單元出現故障時，工藝流程主畫面將以警示色提醒用戶，按下相關鍵后，可由CRT顯示故障代碼;當系統出現空倉或圓盤給料機堵料而無法下料時，工藝流程畫面也以警示色提醒用戶，同時出現聲音報警，提醒用戶及時處理。
2.5 其他功能
能對變頻器進行自動/手動切換及機旁自動/手動選擇。
3 控制原理
3.1 配比控制
由于給煤量的大小取決于多種工藝參數和檢測結果，所以給煤任務來自于上位機的配比計算，計算機采用配比數學摸型，它是根據配煤總量和各種煤所占的比例，及所含有的水份等參數，結合配比專家知識和現場經驗，計算各種煤的流量設定值，作為進行指導和校正的手段。這里可輸入各種煤的成份，檢驗結果等信息，制定配煤方案，下達配煤命令。
3.2 自動調節過程
它是通過取消小皮帶，并在集料皮帶下直接安裝核子秤，可實時取得各種給煤流量反饋值的電壓信號(0~30mV)，經變送器放大，并轉換為4~20mA的電流信號，送至可編程控制器的A/D轉換接口，經采樣后，與上位機設定的各種配煤給定值進行比較，然后進行調節運算，其控制量經D/A轉換接口送至變頻調速器，以此來改變變頻器的輸出值，從而改變圓盤給煤機的轉速，調整給煤量，使之與設定值相等，完成自動配煤過程，下煤量設定值的大小決定了圓盤轉速，圓盤轉速與下煤量成正比。
3.3 控制規則
(1) 若控制誤差的絕對值太大，則增加輸出量，加強控制作用，實現快速跟蹤調節;
(2) 若控制誤差及其變化率均在允許范圍內，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相反(如控制誤差為正，而其值卻在減少)，且誤差變化率相對于誤差較小，則要加強控制作用;
(4) 若控制誤差與其變化率的符號相反，且誤差變化率相對較大，則加入“微分控制”;
(5) 若控制誤差與其變化率符號相反，且二者絕對值相近時，維持原有控制;
(6) 若控制誤差與其變化率符號相同，誤差增大趨勢，則采用“比例、積分、微分”控制，增強控制作用。
4 系統實現的功能
4.1 PLC實現的功能
實現各配煤機的啟動和停止;電機、皮帶的順序控制;配煤流量的瞬時、累計流量的計量;圓盤速度的自動控制,實現配料自動控制。
4.2 上位機功能
它能與PLC之間實現數據、信號傳輸通訊;每個圓盤下煤量設置;每臺秤的稱量值顯示;配煤稱量系統畫面監視;圓盤運行情況監視;故障顯示及報警;可作為PLC的編程器使用;根據配料模型實現配比自動計算功能;歷史趨勢顯示,可查看任意時間段的生產數據曲線,分析生產情況;生產報表;從動態數據庫中提取數據,生成各種報表,進行打印。
5 核子秤計量部分
根據焦化廠備煤車間現有的配煤計量設備PDS-7微機電子皮帶秤已使用十多年，存在著設備老化，可靠性差等若干問題，直接影響著配煤比的精度。因此，這里應采用目前國際上比較流行的核子皮帶秤，核子皮帶秤與傳統的電子皮帶秤相比具有許多優點，其中最主要的是不受皮帶磨損、張力、振動、跑偏、沖擊等因素影響，能長期穩定可靠地工作，最值得一提的是它可在高溫、多塵、強電磁干擾、強腐蝕等惡劣環境下可靠運行。

5.1 核子皮帶秤工作原理簡介
核子皮帶秤的工作原理如圖3所示，放射源在上方穩定地放射出g射線，在支架構成的平面內呈扇形照射至輸送機上，輸送機上的物料吸收一部分g射線，其余的射線照射至g射線探測器上，因射源發出的g射線為一常數，因此探測器探測出的g射線的多少，可反映出輸送機上物料的多少，由此再根據相關的計算公式便可計算出某一時刻輸送機輸送物料的流量。
此方案的特點是核子秤的測量信號沒有經過運算處理直接送入PLC系統，PLC系統需將核子秤的測量信號0~5V，或者是頻率信號加以轉換，然后進行相應的運算處理，才能得出秤重值，它的主要優點是省掉了二次儀表，降低了費用。

圖3 核子皮帶秤的工作原理圖

5.2 技術要求及防護要求
(1) 秤體采用不銹鋼體，秤體的安裝對皮帶傳輸裝置的運轉水平不生產任何影響，不改變其結構;
(2) 每臺核子秤的每次配煤精度優于1%;
(3) 本系統一機帶14臺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、配比等人機對話，自動切換等功能。具有統計配煤量、報表、打印、校準、故障診斷等功能;
(4) 工控機必須設有專用接地極且接地電阻<4W。
6 結束語
本系統實現了14臺圓盤配煤機的啟停、聯鎖保護、稱量及調節的自動控制，實現配煤生產自動化。控制方式采用自動和手動操作兩重方式，在自動方式下，各配煤回路的設定及控制，配煤的在線更改等都由計算機自動完成;在手動方式下，根據核子秤測量的值手動調節圓盤轉速，進行配煤控制、人工啟停設備，在這兩種方式下，都設有主要設備緊急停運按鈕。通過改變變頻器輸入信號方式，可方便地進行手動/自動切換，切換沖擊小，生產進行順利。
該系統在實際生產中取得良好的經濟和社會效益，能夠滿足各項經濟技術指標，滿足控制精度要求，具有廣闊的應用前景。