煤泥干燥生产线控制系统设计

王海群，张 玮，曹晓华，王建民

（河北理工大学 计控学院，唐山 063009）

0 引言

我国煤产量越来越大，要求处理的煤泥也越来越多，滚筒干燥机的干燥煤泥技术得到了广泛的应用。但传统煤泥干燥系统的设备及其自动控制水平，使得它有干燥效果差和干燥温度高低不稳定的特点，影响了煤泥干燥的效率和产品的质量。因此需要设计新煤泥干燥系统，来提高煤泥干燥的自动化控制水平和改善控制效果。

1 煤泥干燥生产线系统概述

在煤泥干燥过程中，影响煤泥干燥质量的主要因素为滚筒干燥机的出口温度。由于煤泥的含水量，随不同批次的煤泥有所不同；煤泥物料的给进量也是有所波动的；而且煤泥干燥的环境温度和系统压力也将影响到煤泥干燥，所以滚筒干燥机的出口温度是一个复杂被控对象。它将随着干燥环境的变化而变化，即系统是一个时变系统，要准确的掌握它的运行状态很困难，很难实现它的自动控制。在传统的煤泥干燥过程中，大多数使用人工调节直接式燃煤加热器来控制温度。其调节过程十分粗糙，使送风温度不稳定且难以控制；同时加热器的助燃风机处于全速运行状态，燃料也不能合理、充分地燃烧，造成能源严重浪费。

为了使得煤泥干燥能自动控制温度，就必须设计出新型加热器及其控制系统。由于加热器燃烧瓦斯废气比燃烧煤更加容易控制，即使用智能控制器调节燃气阀门的开度就能实现煤泥干燥温度的自动控制，所以设计的新型加热器采用气体燃料。这样使得加热器具有了结构简单，体积小，稳定性强和热效应高等优点，如图1所示。设计选用BP神经网络PID控制器控制滚筒干燥机的出口温度。为了实现煤泥干燥系统的集中自动控制，在传统煤泥干燥自动控制的不集中、控制设备的多样性的基础上，设计把所有设备的控制都完整的融入到唯一的煤泥干燥自动控制系统中，以此形成新煤泥干燥生产线的集中自动控制，并使用西门子S7-400PLC来实现。具体新的生产线系统结构如图2所示。

图1 新型加热器的结构

干燥集中控制系统要对13台流程设备进行控制。这些设备包括：振动给料机、来料胶带机、破碎机、上料胶带机、加热器、给料机、干燥机、旋风除尘器、袋除尘器、空压机、引风机、清水泵、出料胶带机。其中加热器为新型加热器，它主要包括鼓风机、点火装置执行器、调温装置执行器和各种阀门执行器等设备。同时系统要对各种模拟量进行监控，这里主要包括布袋入口压力、排料出口压力、引风风门开度、短路烟道开度、加热器出口温度、干燥入口温度、排料出口温度和布袋入口温度。

图2 新干燥生产线控制系统

2 煤泥干燥系统的控制要求

据新干燥生产线系统的结构，控制要求如下：

1）两种控制方式：就地和集中。控制方式由操作员在上位机上进行选择。2）对系统的所有设备进行集中连锁控制，对整个煤泥干燥设备的运行信号进行监控，同时也要对整个系统的模拟量进行实时监视。3）集中优先原则。仅在就地方式下，工程人员可以在现场的电控箱启/停设备。一旦操作员在集控室选择了集中控制模式，位于设备现场的电控箱的“启动”按钮失效。在集中模式下，如果出现紧急情况，工程人员在现场可以停止设备的运行。4）试车功能。在集中解锁模式下，提供了在集控室进行试车调试的功能。5）集中控制设备逆煤流启动、顺煤流停止。6）所有设备具有紧急停车功能，集中控制室的急停按钮将停止所有设备。7）事故处理和记录功能，实时显示故障点和故障原因。8）实现滚筒干燥机出口温度的BP神经网络PID控制。

3 系统硬件设计

据煤泥干燥系统控制要求，设计选用西门子的CPU414-2 DP，其装配有功能强大的处理器，使指令执行时间仅为每个二进制指令 0.04 微秒，易于提高神经网络的学习速度，可快速响应控制煤泥干燥的温度。

如果系统完全采用西门子S7-400来实现，成本很高。为了降低成本，系统的输入和输出模块采用ET200M来实现。选择由一个IM153-x和多个S7-300的 I/O模块组成。同时采用我们熟悉的S7-300技术，也降低了设计难度。即煤泥干燥的集中控制系统使用西门子PLC400系列的CPU，300系列的输入和输出模块进行控制。

系统据硬件设备的输入和输出量来确定模块的数量。其中包括数字量输入43个，数字量输出28个，模拟量输入8个，模拟量输出1个。于是选择的模块具体型号和数量如下：

1）电源：选用PS 405 10A 1块 ；2）CPU模块：选用CPU414-2 DP 1块；3）ET200M机架 1个；4）ET200M电源：PS 307 5A 1块；5）ET200M从站接口模块：IM153-1 1块；6）数字量输入模块：选用SM321 DI32×DC24V 2块；7）数字量输出模块：选用SM322 DO32×DC24V 1块；8）模拟量输入模块：选用SM331 AI8×16Bit 1块；9）模拟量输出模块：选用SM332 AO4×16Bit 1块

系统采用触摸屏MP 377 19'' Touch做为人机界面，是控制中心。它为多功能面板（Multi Panels），是性能非常高的人机界面。它的操作系统为Windows CE 5.0 ，因无硬盘和无风扇运行的设计，可以承受剧烈振动或多尘等PC受限的恶劣工况。它比工控机要更加稳定和节省成本。

4 系统软件设计

煤泥干燥集中控制系统的软件设计如下：

1）13台流程设备的控制

（1）急停逻辑：系统急停时，要求切换到集中模式，所有设备停止；（2）状态转换逻辑：在就地/集中状态之间无扰切换。（3）开车预告逻辑：在所有设备电源正常、未禁启且无其他故障情况下，预告允许；在急停或停车状态下，预告禁止。（4）开车逻辑：出料胶带机→清水泵→引风机→空压机→袋除尘器→旋风除尘器→干燥机→加热器→给料机→上料胶带机→破碎机→来料胶带机→振动给料机。（5）停车逻辑：与开车过程相反，下游设备延时停止。任何设备故障停止时，联锁逻辑有效。（6）温度控制方式的转换逻辑：实现温度的自动和手动控制转换。（7）调试逻辑：能实现设备的单台启动试车和各种预设参数的调试功能。

2）闭锁逻辑

（1）设备启动遵循逆煤流启动，顺煤流停止的原则。（2）在某台设备发生意外停车故障时，联锁停止上游设备。

3）煤泥干燥温度的BP神经网络PID控制

BP神经网络PID控制器的结构，如图3所示。大量MATLAB仿真表明在输入层神经元数M=4，隐层神经元数Q=5时，其控制效果效果较好。

图3 BP神经网络的PID控制器

基于PLC逻辑控制，软件采用分块编程的方法。采用组织块OB1、 15个FC功能和2个FB功能块。

系统采用Winccflexible软件来设计集控室操作员与整个集中控制系统交互的西门子触摸屏界面。它负责监视整个干燥过程的设备运行状态、选择自动或人工控制方式、配置系统模拟量的定标值和显示其当前值和趋势图、捕捉并记录设备启动和运行故障等。

整个Winccflexible程序界面主要由主控制界面、流程监视、工艺参数、集中手动控制、报警记录、趋势图、参数设置等画面组成。

5 结束语

该煤泥干燥生产线集中控制系统已在PLC硬件试验台上模拟实现。其有如下优点：控制过程的高度集中和完整，操作更方便，故障处理更及时，运行稳定、可靠；使用了新型加热器，其燃烧瓦斯气体，节省了煤资源，使煤泥干燥更加环保和高效；人机界面简单清晰，易于监视和操作设备的运行，而且使用的触摸屏技术提高了监控系统的稳定性，降低了成本。因此这种新型煤泥干燥系统具有很高的应用价值和推广价值。

[1] 金国淼.干燥设备[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3] 刘华波,张赟宁.基于SIMATC S7 的高级编程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[4] 廖常初,陈晓东.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京:机械工业出版社,2009.