超聲波液位計(jì)基于PLC的選煤廠煤泥水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海自儀公司針對(duì)某礦山選煤廠資源整合、產(chǎn)能下降的企業(yè)現(xiàn)狀，老式的跳汰選煤工藝不能滿足企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，基于西門子系列ＰＬＣ控制器，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主站的監(jiān)測(cè)與通訊、濃縮池底流回收系統(tǒng)從站等控制系統(tǒng)，考慮選煤廠粉塵、振動(dòng)等惡劣工況，設(shè)計(jì)了多項(xiàng)先進(jìn)的傳感器監(jiān)測(cè)方案。

０引言

在選煤廠的各項(xiàng)工藝環(huán)節(jié)中，無論是循環(huán)水的復(fù)用與閉路循環(huán)還是分選效率、洗選質(zhì)量，還是社會(huì)對(duì)企業(yè)的環(huán)?？己?，煤泥水處理都是非常重要的工藝環(huán)節(jié)。提高循環(huán)水質(zhì)量的主要兩個(gè)環(huán)節(jié)為沉降環(huán)節(jié)和底流回收環(huán)節(jié)。本文通過設(shè)計(jì)煤泥水處理控制主站、濃縮池底流回收從站和加藥系統(tǒng)從站，改善了以往人工控制循環(huán)水濁度不穩(wěn)定、藥劑浪費(fèi)等情況，對(duì)于選煤廠具有重要的意義。

１煤泥水處理控制系統(tǒng)主站

系統(tǒng)主站選用西門子公司生產(chǎn)的ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－１２００ＰＬＣ作為主控制器，與其配套的西門子系列的ＰＬＣ軟件編程平臺(tái)為ＴＩＡＰｏｒｔａｌＶ１２，這是西門子公司目前主推的編程平臺(tái)。主站的功能包括各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集和處理、手／自動(dòng)控制、人機(jī)交互界面或上位機(jī)通信等。

系統(tǒng)主站的監(jiān)測(cè)主要有煤泥水流量、濃度和濁度等，本文僅簡(jiǎn)要介紹煤泥水流量與濃度的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。考慮到煤泥水中的煤泥顆粒在流動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生靜電而吸附在傳感器觸頭表面造成污染，因此選用非接觸式的超聲波明渠流量計(jì)ＬＣＭ－２０００，將液體流量大小轉(zhuǎn)換為液位高低，使得測(cè)量不受液體的水質(zhì)、密度、黏度、溫度、腐蝕性、壓力和電導(dǎo)率變化的影響，相比傳統(tǒng)的接觸式流量計(jì)更適合于煤泥水流量的工況。ＬＣＭ－２０００系列明渠流量計(jì)由轉(zhuǎn)換器、傳感器、標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽組成，其安裝示意圖如圖１所示。經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)的帕歇爾槽中的液位高低與液體流量存在映射關(guān)系，在程序中根據(jù)液位高低可查表獲得對(duì)應(yīng)的流量大小。煤泥水處理過程中，主站需要對(duì)煤泥顆粒多少進(jìn)行估計(jì)，從而確定整體工作量。

１．２煤泥水濃度監(jiān)測(cè)

放射性同位素法是一種精準(zhǔn)的濃度測(cè)量方法，但是其存在安全隱患。對(duì)于煤泥水處理系統(tǒng)而言，煤泥水在整個(gè)洗煤廠作業(yè)中處于動(dòng)態(tài)循環(huán)，若放射性同位素設(shè)備發(fā)生泄漏會(huì)蔓延到整個(gè)系統(tǒng)，后果不可控制。經(jīng)過安全性考量，非常終采取了超聲波測(cè)量法，通過向液體發(fā)送超聲波，液體中的顆粒數(shù)量多少會(huì)使超聲波信號(hào)發(fā)生不同程度的衰減，系統(tǒng)根據(jù)接收到的超聲波信號(hào)強(qiáng)弱來判斷液體濃度。

１．３系統(tǒng)主站通訊配置

除了各類物理量的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)主站需要承擔(dān)與底流回收系統(tǒng)、自動(dòng)加藥系統(tǒng)以及集控主站的通訊。底流回收系統(tǒng)從站也采用與主站相同型號(hào)的西門子ＰＬＣ，Ｓ７－１２００系列ＰＬＣ－ＴＯ－ＰＬＣ的通訊通過集成通訊接口ＰＲＯＦＩＮＥＴ實(shí)現(xiàn)。在ＳＴＥＰ７ＢＡＳＩＣ建立主控ＰＬＣ項(xiàng)目與底流ＰＬＣ項(xiàng)目，完成對(duì)二者的命名和編輯通訊地址等設(shè)置后，分別在二者的程序中調(diào)用ＴＳＥＮ－Ｃ和ＴＲＣＶ－Ｃ，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，非常后下載到兩個(gè)ＰＬＣ上，經(jīng)過調(diào)試后即可實(shí)現(xiàn)通訊連接。

２濃縮池底流回收系統(tǒng)

濃縮池底流回收系統(tǒng)的處理流程可簡(jiǎn)要概括為：沉降后的煤泥水經(jīng)底流泵加壓，然后輸送給壓濾系統(tǒng)。相對(duì)于底流泵的控制，壓濾系統(tǒng)比較獨(dú)立，對(duì)各環(huán)節(jié)配合度要求不高，因此本文設(shè)計(jì)的底流回收系統(tǒng)主要是改造升級(jí)原有的底流泵控制系統(tǒng)。

２．１濃縮池底流回收系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)過研究與討論，確定了底流泵控制邏輯的控制目標(biāo)，一方面能夠保證物料的持續(xù)輸送，另一方面盡量減少底流泵的啟停，以延長(zhǎng)其工作壽命。攪拌桶內(nèi)的液位是底流回收系統(tǒng)的一個(gè)重要信號(hào)，只有準(zhǔn)確地測(cè)量才能進(jìn)一步控制攪拌桶閥門、底流泵啟停和壓濾機(jī)打料時(shí)機(jī)。傳統(tǒng)的液位測(cè)量控制器例如浮球液位控制器，在液體性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)需要調(diào)節(jié)浮球的參數(shù)，因此選擇了非接觸式的超聲波液位計(jì)。如圖２所示，在攪拌桶頂端安裝超聲波發(fā)生與接收器，根據(jù)發(fā)出與接收到的時(shí)間ｔ，即可計(jì)算出桶內(nèi)液面高度Ｌ：Ｌ＝Ｈ－ｖｔ／２．（１）其中：Ｈ為液位計(jì)的安裝高度；ｖ為聲音傳播的速度，取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，１５℃時(shí)的聲速為３４０ｍ／ｓ。選用的超聲波液位計(jì)的傳輸信號(hào)為電流信號(hào)，經(jīng)過設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)，攪拌桶的液位對(duì)應(yīng)到４ｍＡ～２０ｍＡ的電流信號(hào)，４ｍＡ對(duì)應(yīng)零液位，２０ｍＡ對(duì)應(yīng)滿液位。經(jīng)過ＰＬＣ控制器的轉(zhuǎn)換，得到實(shí)際桶內(nèi)的液面高度，模擬信號(hào)在可編程邏輯器件的ＩＯ設(shè)備輸入點(diǎn)。

除了分體式超聲波液位計(jì)，底流入料閥門也需要重新設(shè)計(jì)，攪拌桶內(nèi)的液位較高才能停泵，因此閥門必須選擇電動(dòng)閥門，并且具有遠(yuǎn)程控制模式，經(jīng)過各種閥門的選型，本文采用Ｚ９７３Ｘ／Ｈ－６刀閘閥門，配合Ｚ３０－１８Ｗ－Ｚ型電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，可以顯示閥門的開度，將開度傳輸至ＰＬＣ進(jìn)行組態(tài)顯示，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化，能夠顯著提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

２．２濃縮池底流回收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在壓濾系統(tǒng)的從站底流回收控制子程序模塊中，除上電復(fù)位、系統(tǒng)初始化子程序外，主要包括底流儲(chǔ)料桶液位傳感器信號(hào)的采集與處理程序、與主站ＴＣＰ協(xié)議通信子程序、底流泵和底流閥控制子程序、底流泵和底流閥運(yùn)行指示子程序等。３自動(dòng)加藥系統(tǒng)自動(dòng)加藥系統(tǒng)從站的功能有：攪拌桶和物料桶的液位信號(hào)采集與處理、變頻器控制、人機(jī)交互等。從功能上分，自動(dòng)加藥系統(tǒng)可以分為自動(dòng)制備設(shè)備和加藥添加設(shè)備，這些設(shè)備主要是為了提高煤泥顆粒的沉降速度，提高洗煤的回收效率。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)了一個(gè)觸摸屏，實(shí)現(xiàn)除電源操作以外的所有操作，對(duì)自動(dòng)加藥系統(tǒng)信息量進(jìn)行編址，并且與組態(tài)畫面的圖標(biāo)建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

通過手動(dòng)添加粉狀藥劑到喂料機(jī)，然后通過一個(gè)特制的篦子進(jìn)行簡(jiǎn)單過濾，自動(dòng)加藥系統(tǒng)運(yùn)行，然后進(jìn)水閥門開始注水至事先預(yù)定的液位，接著風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，通過送藥管子輸送到攪拌桶中，在整個(gè)投藥過程中，粉狀的藥劑間歇性向溶液中添加，通過攪拌電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)消除結(jié)塊的藥劑，到達(dá)預(yù)定時(shí)間后，轉(zhuǎn)牌閥門打開，藥劑通過螺桿泵進(jìn)行添加。在“自動(dòng)”模式下，自動(dòng)加藥系統(tǒng)具有程序記憶功能，受斷電影響后還能繼續(xù)斷電之前的工步，一旦設(shè)備在加藥過程中產(chǎn)生了某種故障，不能通過斷電來停止流程。這樣設(shè)計(jì)的好處是能夠加快藥劑溶液的制備效率。濃縮池絮凝劑自動(dòng)加藥工作流程為：程序開始準(zhǔn)備→加藥和攪拌→加水→攪拌→制備結(jié)束，對(duì)轉(zhuǎn)牌進(jìn)行判斷→轉(zhuǎn)牌→加藥結(jié)束。４結(jié)語(yǔ)現(xiàn)階段我國(guó)很多礦井已經(jīng)開發(fā)多年，處于末采階段，原先的跳汰選煤已經(jīng)顯露出控制落后、資源浪費(fèi)等弊端。通過應(yīng)用西門子Ｓ７系列ＰＬＣ和ＦＯＲＣＥＣＯＮＴＲＯＬ等先進(jìn)控制技術(shù)，并且在濃度計(jì)、流量計(jì)等改造中應(yīng)用先進(jìn)的超聲波傳感器，經(jīng)過設(shè)計(jì)升級(jí)的煤泥水處理控制系統(tǒng)具有靈活性、魯棒性等優(yōu)勢(shì)，明顯降低了企業(yè)的運(yùn)行成本，上海自儀公司提升了生產(chǎn)效率，對(duì)其他選煤廠的升級(jí)改造具有借鑒意義。