1  引言

    在焦碳生產(chǎn)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(tǒng)的可靠性將直接影響焦碳產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，通過提高焦化配煤系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準確性來提高焦碳的質(zhì)量具有非常重要的社會效益和經(jīng)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(jīng)過多年使用，已老化嚴重，該設備有如下缺陷:
系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(diào)速性能差，設備運行可靠性差，現(xiàn)場維護工作量大;崗位工人的勞動強度大，環(huán)境差，無自動配料功能。

    因此，必須對配煤系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)動控制，確保系統(tǒng)配煤誤差<2%。

2  系統(tǒng)結構

    在系統(tǒng)中我們將采用PLC可編程控制器加上核子秤配料系統(tǒng)，并在系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可分為物料計量、微機操作、控制、變頻調(diào)速四大部分。

2.1  控制系統(tǒng)組成
    PLC可編程控制器采用MODICON公司的產(chǎn)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(shù)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)原理圖

⑴ 各種配煤操作界面、數(shù)據(jù)顯示及打印管理，用戶可方便的在上位機上進行各種數(shù)據(jù)的修改操作，運行數(shù)據(jù)的圖形顯示及打印各種報表;
⑵ 通過網(wǎng)卡與控制部分的配料模塊和開關量控制模塊相聯(lián)，能夠下載計量、控制、系統(tǒng)參數(shù)，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(tài)和參數(shù)。

2.3  控制系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(diào)節(jié)算法，無振蕩，無超調(diào)。各模塊功能如下:
⑴ 開關量輸入模塊
    該模塊能實現(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)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(zhuǎn)換成4~20mA模擬量信號，發(fā)送給變頻調(diào)速器，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)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(tǒng)在上位機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)除打印報表功能無法實現(xiàn)外，其它控制部分均能正常工作，對整個配料系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)驗，就能及時方便地確保整個自動配煤系統(tǒng)連續(xù)可靠的運行。

[NextPage]

2.4  報警功能
    當系統(tǒng)各測量單元出現(xiàn)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(tǒng)出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)學摸型，它是根據(jù)配煤總量和各種煤所占的比例，及所含有的水份等參數(shù)，結合配比專家知識和現(xiàn)場經(jīng)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(diào)節(jié)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(jīng)變送器放大，并轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號，送至可編程控制器的A/D轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)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(diào)節(jié)運算，其控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換接口送至變頻調(diào)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(zhuǎn)速，調(diào)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(zhuǎn)速，圓盤轉(zhuǎn)速與下煤量成正比。

3.3  控制規(guī)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(xiàn)快速跟蹤調(diào)節(jié);
(2) 若控制誤差及其變化率均在允許范圍內(nèi)，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(tǒng)實現(xiàn)的功能

4.1  PLC實現(xiàn)的功能
    實現(xiàn)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(xiàn)配料自動控制。
4.2  上位機功能
    它能與PLC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)、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(tǒng)畫面監(jiān)視;圓盤運行情況監(jiān)視;故障顯示及報警;可作為PLC的編程器使用;根據(jù)配料模型實現(xiàn)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(chǎn)數(shù)據(jù)曲線,分析生產(chǎn)情況;生產(chǎn)報表;從動態(tài)數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù),生成各種報表,進行打印。

5  核子秤計量部分

    根據(jù)焦化廠備煤車間現(xiàn)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(tǒng)的電子皮帶秤相比具有許多優(yōu)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(wěn)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(huán)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(wěn)定地放射出g射線，在支架構成的平面內(nèi)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(fā)出的g射線為一常數(shù)，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(jù)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(jīng)過運算處理直接送入PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)需將核子秤的測量信號0~5V，或者是頻率信號加以轉(zhuǎn)換，然后進行相應的運算處理，才能得出秤重值，它的主要優(yōu)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(zhuǎn)水平不生產(chǎn)任何影響，不改變其結構;
(2) 每臺核子秤的每次配煤精度優(yōu)于1%;
(3) 本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)了14臺圓盤配煤機的啟停、聯(lián)鎖保護、稱量及調(diào)節(jié)的自動控制，實現(xiàn)配煤生產(chǎn)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(jù)核子秤測量的值手動調(diào)節(jié)圓盤轉(zhuǎn)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(chǎn)進行順利。
該系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中取得良好的經(jīng)濟和社會效益，能夠滿足各項經(jīng)濟技術指標，滿足控制精度要求，具有廣闊的應用前景。