跳汰選煤廠簡化集中控制系統研究設計

林國富

(1.天地(唐山)礦業科技有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

跳汰選煤作為傳統重力選煤的一種，是利用煤和矸石之間存在的密度差異，在脈動的洗水中完成原煤分選的方法。跳汰選煤具有分選效果好，工藝相對簡單成熟，便于運營維護管理，噸煤加工成本相對低廉等優勢[1]，使其在競爭激烈的選煤行業里仍然占有很大的比例，尤其是在易選煤及中等可選煤的分選中表現出了很好的適用性。

采用跳汰選煤工藝的選煤廠中使用的設備通常有給煤機、帶式輸送機、跳汰機、篩分設備、水泵、壓濾機等，要想保證這些設備的有序、協同及高效的運轉，完成原煤的洗選過程，離不開集中控制系統的保駕護航[2-5]。集中控制系統方案是否簡單、完善，運行起來是否穩定、可靠都會對整個選煤廠的有效洗選時間、洗選效率及經濟效益產生重大影響，因此有必要對其進行深入地研究和探討。

隨著控制技術的不斷發展，近些年來跳汰選煤廠使用的設備控制方案主要有三種(按鈕箱、操作臺、PLC)[6-13]，這三種控制方案都能在一定程度上滿足選煤廠的生產需求，但也都存在各自的局限性，且這三者存在一個共性的問題，即都是完全獨立于跳汰機、壓濾機等設備自帶的控制系統，沒有實現整合，因此研究利用跳汰機、壓濾機等設備自帶的控制系統來整合全廠設備的集控，使得設備自帶的控制系統可以兼具集控系統的功能，對于簡化跳汰選煤廠集控系統具有良好的經濟性。

1 存在問題

目前，跳汰選煤廠普遍采用的設備控制方案主要有以下三種：

(1)在每臺設備附近的梁柱上安裝獨立的啟停按鈕箱，設備的啟?？刂仆ㄟ^點擊按鈕箱上的啟動停止按鈕實現[6-7]。

(2)在主選設備跳汰機控制盤柜旁邊安裝一個操作臺，將設備的啟停按鈕、調頻旋鈕及頻率顯示等控制系統硬件安裝于操作臺上，對每臺設備的控制均由跳汰司機一人操作相應的按鈕旋鈕來完成[8-9]。

(3)通過引入上位機加PLC控制，為全廠設備增加一套集中控制系統，上位機負責人與設備之間的信息交互，PLC用于實現底層控制、信號采集[10-13]。

第一種方案的問題在于各個設備的控制點過于分散，全套設備啟停的過程中需要各個崗位工之間的協同配合，有一個環節出現問題都會延長整個啟停過程，縮短有效分選時間。此外，采用該方案的選煤廠設備之間沒有閉鎖關系，生產過程中設備上極容易出現堆煤壓煤的問題；即便通過硬件接線實現了閉鎖關系，線路也極為復雜，一旦出現設備無法啟停等控制問題時，不便于查找問題所在。該方案在早期的選煤廠應用較多，現在已很少單獨使用，通常僅作為第三種方案的補充控制方式。

第三種方案將設備的控制集中至操作臺，由跳汰司機一人按需完成，省去了各個崗位工之間的溝通交流，使崗位工不必分心于設備控制，在一定程度上可以縮短啟停車時間，增加每個生產班的選煤產量，但是控制設備啟停的按鈕距離設備較遠，一旦設備出現故障，跳汰司機不易察覺，無法及時停止設備的運行，有可能導致事故擴大化；采用該方式控制的選煤設備之間一般也沒有閉鎖關系或靠硬件接線實現閉鎖。該方案在山西晉中一帶的選煤廠應用較多。

第三種方案目前應用較為廣泛，其優勢在于設備之間的閉鎖關系可以通過PLC軟件編程來實現，可在一定程度上簡化硬件接線；此外，設備的狀態可以實時地反映在上位機畫面上，一旦設備出現問題可以及時發現并處理，防止事故擴大。該控制方式的問題在于：控制系統較為繁冗復雜，成本較高；投入使用前期，現場人員需要進行相關培訓，使用過程中需要配備專門的集控操作員和具有一定電氣控制專業知識的維護人員。

針對以上方案存在的局限性，筆者在對山東嘉鑫煤業選煤廠設備控制系統進行設計時，將后兩種控制方案結合起來，用一方的優勢彌補另一方的劣勢，提出了一種以跳汰機和壓濾機為控制核心，操作維護簡單，運行穩定可靠的簡化集中控制系統。

2 簡化集中控制系統總體設計思路

盡管跳汰選煤廠設備之間聯系密切，啟動停止都需要遵循一定的先后順序，但主要是圍繞著跳汰機、浮選機及壓濾機這三種設備運轉，因此以這三種設備為控制核心，將其他附屬設備的控制集成到這三類設備自帶的控制系統中，形成三個集中控制點。

為實現洗水閉路循環，浮選機及其附屬設備需要與跳汰機同步運行，但浮選機廠家一般不提供獨立控制系統，因此將浮選機及其附屬設備的控制集成到跳汰機廠家自帶的控制系統中。這樣就形成了跳汰機和壓濾機為控制核心的兩個集中控制系統：跳汰集中控制系統負責控制在選煤過程中需要連續運轉的設備，如給煤機、浮選機及篩分設備等；壓濾集中控制系統負責控制在選煤過程中可以間隔一段時間運行的設備，如壓濾入料泵、刮板輸送機等。

3 控制系統硬件接線

3.1 跳汰集中控制系統硬件接線

跳汰集中控制系統硬件接線主要圍繞跳汰機自帶的PLC和觸摸屏展開設計，使二者既可以控制跳汰機又可以控制其他設備。

由于跳汰集中控制系統需要控制的設備較多，而跳汰機這類單機設備所用的都是小型的PLC，其I/O點數較少，盡管可以通過增加擴展模塊增加I/O點數，但可擴充的點數也是有限的，因此在控制系統硬件設計的過程中應盡量簡化硬件線路，節約I/O點數的使用。根據設備啟動方式的不同，具體硬件接線設計如下：對于帶式輸送機、篩分設備等直接啟動的設備，設備附近僅裝設緊急停止按鈕和運行指示燈，不裝設啟動按鈕，而是通過軟件設計實現啟動功能。具體的硬件控制接線原理如圖1所示。

圖1 直接啟動設備硬件接線原理圖

由圖1可知，將斷路器QF、熱繼電器SF的輔助觸點串聯，接觸器KM輔助觸點及緊急停止按鈕SQ的常閉觸點等信號經中間繼電器至PLC的DI模塊，作為程序判斷設備能否正常啟動并保持運行的前提條件，條件具備，收到啟動信號后，PLC的DO模塊輸出使KC線圈通電，接觸器線圈回路接通，主觸點吸合，設備啟動并保持運行。

對于風機、水泵等需要通過變頻器、軟啟動器啟動的非直接啟動設備，除了在設備附近僅裝設緊急停止按鈕和運行指示燈，不裝設啟動按鈕外，采用RS485通訊最大程度地簡化硬件接線[14-15]。具體的硬件控制接線原理如圖2所示。

圖2 非直接啟動設備硬件接線原理圖

由圖2可知，將斷路器QF的輔助觸點與緊急停止按鈕SQ的常閉觸點串聯，經中間繼電器至PLC的DI模塊，作為程序判斷設備能否正常啟動并保持運行的前提條件。程序對變頻器、軟啟動器等電器件的啟?？刂?，頻率的設置與讀取，故障的讀取都采用RS485通訊來實現，通過修改控制參數，使變頻器、軟啟動器等電器件的可編程輸出繼電器的常開點一旦接通，就表示變頻器或軟啟動器處于運行狀態，并通過指示燈告知設備運行狀態。

3.2 壓濾集中控制系統硬件接線

壓濾集中控制系統硬件接線主要圍繞壓濾機設備自帶的PLC和觸摸屏展開設計，使二者既可以控制壓濾機又可以控制其他設備。

壓濾機在工作的過程中需要嚴格遵循預先設定的工序，而在這些工序中，對外部設備的依賴主要體現在：上料工序中需要入料泵運行為其供料；擠壓工序中需要空壓機運行為其提供壓力穩定的壓縮空氣；卸料工序中需要刮板輸送機運行，將其卸下來的物料運走。因此壓濾機廠家在設計壓濾機控制系統時，都預留了這些設備相關的啟停、聯鎖控制輸入輸出節點。

在壓濾集中控制系統硬件接線設計過程中，利用壓濾機自帶控制系統預留的上料按鈕和輸出節點控制入料泵的啟停。由于空壓機通常自帶完整的控制系統，因此不再為其設計其他控制線路，在實際生產中只需點擊一次啟動按鈕后，空壓機即可實現“加載-卸放-加載”的自動運行控制。采用電機“啟動SQ1-保持KM-停止SQ2”控制電路(圖3)控制刮板輸送機的啟停，并將其接觸器的輔助觸點接至壓濾機控制系統中間繼電器KA1中，作為壓濾機拉板卸料的聯鎖信號。

圖3 刮板輸送機控制電路圖

4 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計主要是跳汰集中控制系統觸摸屏畫面設計和PLC軟件程序的編寫。

4.1 觸摸屏畫面設計

觸摸屏屏幕尺寸相對工控機而言較小，畫面空間有限，因此觸摸屏畫面設計總體思路主要體現在以下幾點：

(1)將不同的控制功能分布在不同的畫面空間內，通過點擊按鈕來實現畫面之間的切換。

(2)設備附近不裝設實體啟動按鈕，設備的啟動完全通過操作工與觸摸屏之間的人機交互實現，操作工啟動設備時，點擊觸摸屏上設備圖標的方框，彈出帶有啟動按鈕的小窗口，點擊啟動按鈕后，設備即可啟動。

(3)還可設置自動啟動方式，即在條件具備的前提下，通過點擊一個按鈕，實現所有設備的依次自動啟動。

(4)為某些在選煤過程中可能會停掉不用的設備，設置投入/切除轉換按鈕，使其不至于因為聯鎖關系，影響其他設備的運行。

4.2 PLC軟件編程

在PLC程序編寫過程中，根據硬件接線原理的不同，編寫不同的程序段。

對于帶式輸送機、篩分設備等直接啟動的設備，依據電機“啟動-保持-停止”的控制原理編寫程序框圖，如圖4所示。

圖4 直接啟動設備軟件程序框圖

由圖4可知，手動啟動信號來自與觸摸屏關聯的PLC內部變量；自動啟動時需要觸摸屏關聯的PLC內部變量觸發定時器，定時時間到觸點閉合，啟動設備，運行反饋保持輸出線圈處于通電狀態，保持設備運行，收到停止信號后輸出線圈斷電，設備停止運轉。

對于風機、水泵等需要通過變頻器、軟啟動器啟動的非直接啟動設備，利用PLC軟件內的MSG指令，通過RS485通訊直接對變頻器和軟啟動器內部相應的地址進行數據的讀取和寫入，實現對這些設備的控制。當使用變頻器、軟啟動器的設備較多時，使用定時器累加值，分時段觸發不同設備的MSG指令，確保同時執行的MSG指令條數在PLC的CPU允許的范圍內。

5 應用效果

目前該簡化集中控制系統在山東嘉鑫煤業選煤廠得到了應用，應用結果表明：

(1)采用RS485通訊等方法簡化硬件接線后，控制電纜的用量相較其他方案減少了1/2，一方面有效節約了成本，提高了系統的經濟性；另一方面降低了工人接線的勞動強度，從控制電纜敷設到完成接線僅需3～5 d時間，加快了電氣安裝進度。

(2)現場使用過程中，系統對設備的控制準確、可靠，尤其是對變頻設備頻率的讀寫控制，可實現頻率的0誤差調整。整套系統操作簡單，操作人員易于上手；并且線路簡單，故障率低，即便出現故障，電氣檢修人員很快就能查找到問題所在。

(3)按照工藝需求全廠設備完全可由跳汰和壓濾兩個崗位的工人操作控制，省去了專職的集控操作人員2名，節省的操作工人可專注于打掃崗位衛生、維護設備等工作，減少了停機維護設備的時間，延長了設備的有效運轉時間，增加了每個班次的原煤入選量，為選煤廠創造了良好的經濟效益。

6 結語

以跳汰機和壓濾機兩種設備自帶的控制系統為依托，設計了跳汰選煤廠簡化集中控制系統，解決了選煤廠現有的幾種設備控制系統存在的設備之間無閉鎖關系、系統線路復雜及控制點過于分散等問題。山東嘉鑫煤業選煤廠的實際應用表明，該簡化集中控制系統線路簡單，建設周期短，操作簡單故障率低，有利于選煤廠的減員增效。需改進之處是，壓濾集中控制系統中刮板輸送機等設備的控制未深度集成至壓濾機自帶的控制系統，有待于在今后的研究中改進完善。