煤炭自动装车控制系统设计研究

煤炭自动装车控制系统设计研究

[摘要]针对目前煤炭人工控制装车,自动化水平较低且易造成装载量不合理的现状,设计一套以PLC为控制核心的煤炭自动装车控制系统,并利用工控机作为上层监控核心设备。系统可实现无人干预下的自动装煤,且可实现装载量恒定,有效解决目前装车中超载以及亏载的问题。应用测试表明,系统具有自动化控制、可靠性高、安全经济的优势,可为企业增加可观的经济效益。

[关键词]煤矿;装车;控制系统;自动化;PLC

0引言

煤炭作为我国的基础能源,在我国能源结构中占有举足轻重的位置[1-2]。我国的煤炭资源分布并不均匀,煤炭需要由原产地煤场运输到全国各地加以利用。因此,煤炭的装载运输就成为较为重要的一环[3]。但是,目前煤矿煤场装车主要是人工干预下的半自动化控制,时常造成装载量超载或者亏载的现象,造成很大的人力物力的浪费,给企业带来了很大的经济损失。本文针对这种现状,提出开发一种基于PLC控制并利用上位机进行监控的煤炭自动化装车控制系统。该系统可实现自动控制装车,根据实际情况调整控制装煤流量以及装煤量,有效实现准确装煤,减少工人工作量,同时保障装车工作安全,提升自动化水平,切实为企业增加经济效益。

1总体方案简介

目前煤矿煤炭装车多采用人工控制的半自动化方式,利用称重系统边称重,边人工调整,装车人员依靠经验,时常造成装载量不准确且效率低,因此,自动化定量装煤控制系统成为迫切需求[4]。本文所设计的煤炭自动装车控制系统主要由传感器检测模块、网络通讯模块、控制模块、执行模块以及上位机监控模块组成。该系统简要工作过程为:当运煤车进入煤仓下方稳定后,系统通过重量、位移等传感器模块采集检测车辆信息,反馈给程序控制器,在确认车辆后,启动给煤设备以及输送设备,变频器可根据给煤总量调整给煤机给煤速率,并通过皮带秤对给煤量称重后进入运煤车,检测设备实时监测装煤量以及车厢质量直至达到设定量,系统停止给煤机输送机,实现自动化定量装煤控制。系统整体结构如图1所示。

2系统的整体设计

综合考虑了煤矿的复杂运行环境、煤矿运作对安全性、可靠性的严格要求以及开发成本等多方面因素,选用在工业控制中开发技术已十分成熟的PLC作为煤炭装车自动化控制系统开发的基础,并利用上位机作为监控系统核心设备,实现系统的可视化、在线监测控制功能。控制系统的硬件设备包括PLC、变频器、工控机、通信设备线路等。该系统PLC选用德国西门子公司设计生产的中型S7-300系列,CPU选择功能较为稳定且强大的CPU315-2DP,该系列PLC采用模块化设计,结构紧凑,适用各种工业环境。变频器则选用ABB公司生产制造的ACS800-11型,对给煤机电机工作电源的频率进行转换与调整,以达到对给煤量的变频控制[5]。系统通过变频器与PLC的配合,实现对电机的安全高效控制。系统硬件结构如图2所示。

2.1自动装车控制设计。煤炭自动装车过程中,首先车厢驶入煤仓下部,在轨道衡上停车,位移传感器检测到车厢停止平稳后,系统采集并读取到位移信息,开始动作,启动给煤机以及皮带输送机输送原煤进入原煤缓冲仓,系统控制配料系统配料阀卸煤,通过2台皮带秤配合对煤炭流量进行称重,而后煤炭进入煤炭定量仓,定量仓通过无尘卸料装置实现煤炭装车,避免煤炭扬尘污染环境,系统同时设置有检测装置,可对车厢的煤料位置以及车厢总重量进行监测,系统可以根据车厢煤料高度以及车厢总重量,由PLC给出指令到变频器,再由变频器实现对给煤机电机转速的控制,调节给煤速率,实现自动化定量装煤。目前在实际装煤工作中,依据操作人员经验目测或根据车厢重量控制给煤机给煤量,因此存在装煤不准确,手动操作卸煤容易发生重量冲击的现象,对车厢造成损伤。针对目前存在的不足,并结合变频调速原理,设计了给煤机的调速控制模块,可实现对给煤机转速的连续平稳控制。在控制过程中,根据车厢位移传感器采集的信息以及重量信息,获得煤料的高度、重量信息,经过A/D转换,传递给控制器,控制器通过PID控制与设定量进行比较得出控制信号,经过D/A转化,控制给煤机转速,实现给煤流量的调整,同时协调控制配料阀以及卸料阀,实现安全准确装煤。系统控制原理如图3所示。

2.2状态监控设计。利用上位机对系统工作状态进行监控。状态监控包括对运行现场、控制过程以及系统设备安全情况的监测与报警,有效保障生产安全。运行现场监测利用视频对系统运行情况、装载情况进行监测;系统设备的监测包括对给煤机电机、皮带输送机电机温度与电流监测、变频器故障信号监测;控制过程监测则包括对运行过程中电动机等电气设备转速、电流、功率执行情况,各辅助设备包括配料系统阀门、卸料系统参数的监测。状态监测主要通过传感器,检测设备测点位置的温度和电流等相应信号模数转换后,经过数据预处理模块处理,由通讯模块传输到控制器,监测模块判断设备的运行状况,同时将监测情况在线显示。

3网络通信

PLC作为煤炭装车自动化控制系统的核心,利用现场总线技术实现与其他设备之间的连接与通讯。PLC与变频器通过PROFIBUS-DP完成连接并实现主从通信。系统状态监测模块对监测点模拟量信号进行检测、采集,由通讯扩展模块送至PLC控制器进行数据预处理、运算,判断状态正常与否,在异常情况下启动声光报警。上位机通过以太网通信协议实现与PLC连接通讯。

4软件程序设计

PLC作为煤炭装车自动控制系统的核心设备,利用西门子公司的STEP7开发工具对其进行开发,采用工程技术人员较易掌握的LAD(梯形图)进行程序编写,通过PLC通讯模块,实现对装车设备运行过程中产生的模拟量、数字量状态参数进行组态,实现数据接收,而后进行转换处理、运算,并给出控制指令。利用较为节能高效的变频技术完成对电机的平稳控制以及速度调整。在STEP7中完成对软件程序的测试与调整工作。上位机监控系统利用工控机作为核心设备,选用国产组态王(kingview)软件,实现对设备组态。组态王软件专门用来开发监控系统,在工业控制领域应用广泛,系统功能强大,成本较低,结构简单,根据实际生产需要完成了系统监测界面的图形化设计、数据库构建、动画连接,同时进行了测试与调试。控制系统主程序软件流程如图4所示。

5结语

本文设计了一种针对煤炭生产企业装车的自动化控制系统,完成了对系统整体方案设计以及具体实现过程的介绍。系统可实现对煤炭装车的自动控制、定量装煤、变频节能调速等功能,工作人员可实时在线监控煤炭装车过程。同时,系统自带报警功能,在系统发生故障时,可实现预警作用。对系统进行了测试,测试结果表明,该系统功能稳定,预期效果良好。预计该系统的应用,可大大提高煤矿装车的自动化程度,保障煤矿的安全经济稳定运行,同时可以减少煤尘污染,保护煤矿的财产安全与工人的生命健康,提高企业的经济效益。

[参考文献]

[1]孙德利.火车自动装车控制系统的设计[J].石油化工自动化,2008(2):77-78.

[2]刘学东.选煤厂自动装车系统控制过程分析[J].选煤技术,2008(6):55-57.

[3]刘学东.基于PLC的装车自动化系统开发及总体设计[J].唐山学院学报,2008(6):47-48.

[4]郭欣.全自动矿山铁路装车系统的设计与开发[J].煤炭科学技术,2010(10):96-100.

[5]刘屹,石博强,谭章禄.基于物联网的煤炭智能装车系统设计[J].煤炭技术,2015(7):232-234.

作者:宋志宏 单位:大同煤矿集团有限责任公司