基于傳感器檢測技術(shù)的選煤廠煤流協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計

寇金成

(西山煤電集團 屯蘭選煤廠，山西 古交 030206)

0 引言

選煤廠煤流控制系統(tǒng)主要存在的問題有自動化程度低、安全可靠性差、經(jīng)濟性差、不利于系統(tǒng)擴展等，難以滿足煤流控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行的需求，且電能浪費嚴(yán)重，運行成本增加[1]。為此，諸多學(xué)者針對選煤廠煤流控制展開研究，如任繼業(yè)[2]針對主井帶式輸送機存在的兩個盤區(qū)同時出煤時短時煤量過大，導(dǎo)致不均載系數(shù)偏離，整體運載能力受限，產(chǎn)生局部溢煤的問題，基于TCP/IP通信技術(shù)，優(yōu)化主井帶式輸送機煤流控制系統(tǒng)，采集煤流控制系統(tǒng)各傳感器數(shù)據(jù)，計算并預(yù)測實時煤流量，協(xié)同調(diào)度盤區(qū)放煤量，使得不均衡系數(shù)由1.92下降至1.7，單位時間內(nèi)的煤流量約為2 820 t/h，充分挖掘了帶式輸送機輸煤能力。王勇等[3]針對輕小型帶式輸送機存在的長時間空轉(zhuǎn)、消耗電能嚴(yán)重的問題，以CTM8251 AT模塊為基礎(chǔ)，提出基于CAN總線設(shè)計的煤流節(jié)能智能控制裝置并于膠帶保護控制系統(tǒng)協(xié)同工作，減少帶式輸送機群空轉(zhuǎn)，達(dá)到減人、節(jié)能、增效的目的。荀家寶等[4]利用西門子CPU315-2PN/DP控制器和力控組態(tài)軟件實現(xiàn)選煤廠煤流的實時控制和遠(yuǎn)程控制，并實現(xiàn)在上位機遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障信息記錄/查詢/存儲等功能，提高了選煤廠智能化水平，降低了工人的勞動強度，但對于煤量與帶式輸送機帶速的匹配研究較少。黃友鶴等[5]以主煤流運輸系統(tǒng)為研究對象，建立煤流量與帶速之間的關(guān)系模型，基于DMC-PID串級控制方法實現(xiàn)煤流量與帶速的協(xié)同、匹配運行，并完成系統(tǒng)仿真，與傳統(tǒng)PID串級控制算法比較，表明控制效果較好，未說明該方案的實際使用效果。根據(jù)選煤廠帶式輸送機運行環(huán)境的復(fù)雜性以及煤流量的時變性特點，設(shè)計基于速度傳感器、超聲波傳感器的煤流量檢測技術(shù)，并采用滑動時間窗算法對帶式輸送機承載的總煤量進(jìn)行計算，進(jìn)而協(xié)同調(diào)節(jié)帶式輸送機的帶速。

1 總體設(shè)計

選煤廠帶式輸送機煤流協(xié)同控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺、PLC控制器、分布式I/O以及傳感器組組成。在帶式輸送機機身合適位置安裝速度傳感器和超聲波傳感器，用于實時監(jiān)測帶式輸送機帶速以及帶式輸送機承載的煤量。分布式I/O按照設(shè)定頻率采集傳感器輸出的4～20 mA電流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以CAN總線方式發(fā)送給PLC控制器。PLC控制器對接收到傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)分析、計算后，完成煤量與帶速的協(xié)同控制，保證帶式輸送機帶速與承載的煤量匹配，達(dá)到“降速緩慢，增速迅速”的目標(biāo)。

圖1 煤流協(xié)同控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2 傳感器單元設(shè)計

選煤廠煤流協(xié)同控制傳感器檢測裝置構(gòu)成如圖2所示，由PLC控制器、傳感器、分布式I/O以及電源模塊組成。帶式輸送機運行時，速度傳感器GSG150-017可實時檢測帶式輸送機帶速，安裝于帶式輸送機機頭位置，可輸出為4～20 mA電流信號。2個超聲波傳感器CG-015-10可實時檢測位于輸送帶上的煤流高度，安裝于帶式輸送機機頭、機尾正上方位置，可輸出為4～20 mA電流信號，量程為0.2～3 m，分辨率為3 mm，盲區(qū)為0.15～0.4 m。分布式I/O模塊按照一定頻率(可調(diào))采集超聲波傳感器以及速度傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以CAN總線方式發(fā)送給PLC控制器?？刂破鬟x用西門子的CPU-315-2PN/DP，該控制器對接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和邏輯判斷，采用滑動時間窗積分原理計算帶式輸送機承載的煤量?；瑒訒r間窗可綜合考慮滑動出帶式輸送機的煤量以及帶式輸送機新的落煤，使得帶式輸送機承載總煤量實時更新[6-7]。在實時使用時，還需對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)以及煤料密度進(jìn)行矯正。

圖2 煤流控制系統(tǒng)傳感器檢測裝置構(gòu)成

3 煤量計算單元設(shè)計

用于煤量計算超聲波傳感器探頭采用定制的GUC2探頭，該探頭的中心諧振頻率可設(shè)置為25 kHz，可調(diào)精度為(1 kHz，頻帶寬度(-3 dB)為Δf-3 dB≥2 kHz，可發(fā)射波速角為18°，輸出為4～20 mA電流信號[8]。用于選煤廠帶式輸送機承載煤量的超聲波檢測示意如圖3所示，安裝于帶式輸送機正上方，利用發(fā)出的超聲波實現(xiàn)對煤量的實時檢測。

圖3 超聲波傳感器測量

如圖3所示，輸送帶橫截面可近似看作倒立梯形，底部長度為lb，頂部長度為la，高為H，夾角為α，則該倒立梯形的橫截面積S可表示為式(1)[9-10]：

S=(la+lb)×H/2=[lb+(lb+H×tanα×2)]×H/2=H(lb+Htanα)

(1)

令帶式輸送機實時帶速為V，煤料的密度為ρ，則該時刻T的煤流量M可表示為式(2)：

M=S×V×ρ

(2)

時間t內(nèi)，帶式輸送機累計輸送的煤量Ta可表示為式(3)：

(3)

安裝在帶式輸送機機身的速度傳感器以及超聲波傳感器的采樣頻率可根據(jù)實際生產(chǎn)情況進(jìn)行設(shè)置，令:在每一個速度、超聲波采樣時間ti，輸送帶速度為vi，帶式輸送機長度為Li，輸送帶承載的煤料高度為hi，則傳感器數(shù)據(jù)采樣時間ti極小時，帶式輸送機瞬時煤流量可近似表示為式(4)：

Mi=Si×vi×ρ=hi(lb+hitanα)×vi×ρ

(4)

令:原帶式輸送機承載煤量為T0，帶式輸送機總煤量為T，則時間t內(nèi)帶式輸送機總煤量可表示為式(5)：

(5)

4 煤量與帶速協(xié)同控制單元設(shè)計

帶速需根據(jù)煤量的變化實時協(xié)同控制，達(dá)到煤多快運、煤少慢跑的目的。PLC控制器按照設(shè)定頻率對速度傳感器、超聲波傳感器數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后計算總煤量、瞬時煤量，并根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)控制帶式輸送機帶速增速、降速或者不變[11-12]。定義，PLC控制器計算出的時刻T的帶式輸送機運煤量與帶式輸送機滿載運煤量的負(fù)載比為S%，根據(jù)負(fù)載比以及煤量變化趨勢得出需調(diào)節(jié)的輸送帶帶速為VT，當(dāng)前帶速為Vt。按照“降速緩慢，增速迅速”的原則，若VT>Vt，則由PLC控制器直接將目標(biāo)帶速VT寫入變頻器的“給定轉(zhuǎn)速”單元，迅速調(diào)節(jié)帶速以VT運行；若VT

圖4 選煤廠煤流協(xié)同控制系統(tǒng)帶速降低/增加邏輯

5 現(xiàn)場試驗

在西山煤電集團屯蘭選煤廠完成現(xiàn)場試驗，該選煤廠的試驗輸送帶寬度為1.2 m，傾角為0°，距地面高度為2.5 m，額定帶速為4 m/s。超聲波傳感器安裝垂直于帶式輸送機尾端和中部，速度傳感器安裝于帶式輸送機首端。帶式輸送機空載時，超聲波傳感器距帶式輸送機的距離為830 mm。表1所示為煤流協(xié)同控制系統(tǒng)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，記錄帶式輸送機在空載、輕載以及重載情況下速度傳感器、超聲波傳感器、帶式輸送機電動機電流以及輸送帶瞬時速度。

表1 屯蘭選煤廠煤流協(xié)同控制系統(tǒng)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)(部分)

表1中誤差產(chǎn)生的主要原因為超聲波安裝高度誤差引起，帶式輸送機自身的振動對傳感器精度影響較小；帶式輸送機帶速恒定時，帶式輸送機電動機電流與煤量大小無關(guān)；所選用的傳感器測量精度滿足系統(tǒng)需求。

圖5所示為設(shè)計并實現(xiàn)的煤流協(xié)同控制系統(tǒng)在西山煤電集團屯蘭選煤廠現(xiàn)場試驗圖片。超聲波傳感器以及速度傳感器的安裝位置尤為重要，在經(jīng)過多次調(diào)試和試驗后，確定超聲波傳感器和速度傳感器的安裝位置，保證帶式輸送機速度和煤料流量的檢測精度和實時性，PLC控制器按照采樣頻率Fset采集煤流速度和煤料流量，完成煤流的協(xié)同控制。

根據(jù)帶式輸送機帶速V與運量Q的關(guān)系V=Q/3.6 qm可知，當(dāng)帶式輸送機承載煤量Q較小時，PLC控制器需降低變頻器的給定轉(zhuǎn)速，使得帶速V降低；當(dāng)帶式輸送機承載煤量Q較大時，PLC控制器需增加變頻器的給定轉(zhuǎn)速，使帶速V升高，以達(dá)到帶速V與煤量Q匹配，有效節(jié)能。以西山煤電屯蘭選煤廠為例，一條帶式輸送機的額定功率為1 250 kW，按日運行20 h計算，不進(jìn)行煤流量協(xié)同控制時，平均耗電量為額定功率的60%計算，年耗電量為547.5萬kW·h，以每度電0.7元計算，年用電費為383.25萬元。采用煤流協(xié)同控制系統(tǒng)后，帶式輸送機空載、輕載時低速運行，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，平均耗電量為的額定功率的30%，年耗電量為276萬kW·h，年用電費為193.2萬元，節(jié)電率為50.41%，節(jié)省電費190.05萬元，節(jié)點效益顯著。另外，采用煤流協(xié)同控制系統(tǒng)后，帶式輸送機帶速一般運行于額定帶速的75%～84%，降低了帶式輸送機各機械部件的機械磨損，延長了各機械部件使用壽命。

6 結(jié)論

1)利用速度傳感器、超聲波傳感器可實現(xiàn)實時檢測帶式輸送機帶速以及載煤量高度的目的，經(jīng)I/O分站采集、PLC控制器分析處理后，利用滑動時間窗算法可計算出帶式輸送機的實時載煤量。

2)根據(jù)帶式輸送機載煤量以及變化趨勢，動態(tài)調(diào)節(jié)帶速，使得帶速與載煤量動態(tài)匹配。

3)現(xiàn)場試驗表明，基于傳感器技術(shù)實現(xiàn)的帶式輸送機煤流協(xié)同控制系統(tǒng)在節(jié)能電能、降低機械損耗等方面效果明顯。