浅析洗煤厂煤炭的回收再利用

第一章 绪论
1.1课题来源
　　本课题来源于宁夏石嘴山大武口洗煤厂金能分厂自动化改造项目。
1.2课题的研究背景及意义
　　能源是国民经济快速发展和人类生活的重要保障。煤炭是我国的主要能源，其生产量和消费量一直占能源的70%左右。我国煤炭资源丰富，而洗选加工相对落后，成品煤的质量较差，利用率低，燃煤引起的污染严重。洗煤是煤炭深加工的一个不可缺少的工序，从矿井中直接开采出来的煤炭叫原煤，原煤在开采过程中混入了许多杂质，而且煤炭的品质也不同，内在灰分小和内在灰分大的煤混杂在一起。洗煤就是将原煤中的杂质剔除，或将优质煤和劣质煤炭进行分门别类的一种工业工艺。洗煤过程后所产生的产品一般分为矸石、中煤、精煤，经过洗煤过程后的成品煤通常叫精煤，通过洗煤，可以降低煤炭运输成本，提高煤炭的利用率[1]。
　　随着我国经济的高速发展，能源消耗迅速的增长，发电，冶金，供暖及其他行业用煤量大幅度增加，造成了巨大的环境污染和能源资源的浪费。为了提高煤炭的利用率和减少对环境的污染，我国推行了“洁净煤技术计划”。选煤是洁净煤技术的基础，它从根本上改善了煤产品的质量，提高了煤炭的利用率和减轻了对环境的污染，同时明显的提高了煤矿企业的经济效益。因此，提高选煤质量是当前煤炭工业的重要任务之一。
　　为了提高选煤质量，洗煤工艺技术在不断改进，经过选煤生产实践，发现重介质选煤的分选精度比其他选煤方法高，可以获得高质量的精煤。因此，对主要生产工艺过程的自动检测和控制有了较高的要求。对于影响分选效果的工艺参数，要求通过检测装置自动地对工艺参数进行检测，并对这些参数进行自动调节。因此，传统的控制系统已经不能够适应先进的洗煤工艺，这就要求控制系统不断的升级，以满足全厂自动化的需求。
　　通常提高选煤质量的方法有两种：一种是通过优化工艺提高质量，此方法经过多年研究基本上已经达到了最优水平，进步的空间非常小；另一种是通过控制工艺参数改善成品煤的质量，此方法可以通过不同的控制算法，实现系统的最优控制。对于控制系统中的重要环节利用冗余的方式，使控制系统连续生产，万一某个子系统出现故障或断线，系统交换模块会切换到冗余系统，以保证成产的正常运行。此方法大大的提高了系统的可靠性，改善了煤炭的利用率，提高了厂家的生产效益。
　　由于洗煤厂生产的特点是设备台数多，生产连续性强，所以实现自动化控制是一个很复杂过程。首先要熟悉洗煤的工艺流程，其次需要知道洗煤设备如何运作，最重要的是要了解被控对象是模拟量控制还是开关量控制，是闭环还是开环控制。这里不仅涉及PLC技术，电力拖动技术，传感器接口技术，控制工程技术，电气控制技术还包括现场总线技术的应用，同时还需要利用软件STEP7进行编程与组态，完成硬件参数的设置。因此实现洗煤厂自动化控制的升级改造是一个艰巨的任务，更是学习知识的好机会。
　　通过对洗煤厂自动化控制系统的设计，本人从中可以学到很多有关理论与实践相结合知识。详细的了解了PLC各模块的用途，以及如何对各模块进行组态，利用软件编程完成模拟量与开关量的控制。同时了解了PLC主站与PROFIBUS-DP从站ET200M之间的通讯。而且很好的将以前所学的降压启动、调速控制等电气知识应用于实践，同时又可以学到新的知识。
1.3课题国内外发展情况
1.3.1国内发展情况
　　近几年来，我国选煤工业迅猛发展，选煤厂数量不断增加，选煤技术进步速度飞快。与其对应的控制系统也在迅速发展。以可编程控制器PLC为核心的现场总线控制系统，广泛应用于洗煤行业中。PLC是工业国家中自动化控制系统的基本电控装置。它采用软件编程实现控制，缓和了工业设计，节约了材料[2]。并具有控制方便、功能强、速度快、可靠性高，又具有较大的灵活性和可扩展性，容易掌握、体积小、价格适宜等特点，因此被应用到机械制造、冶金、化工、电子、食品等领域。据统计，20世纪80年代以来，可编程控制器销售额每年递增30%以上，目前已广泛应用于各种工业控制场合。
　　我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产；中型PLC已有产品；大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率不超过10%。由于价格便宜，未来有很大的发展优势。
　　21世纪，PLC会有更大的发展，动向主要表现在一下几个方面[3]：
　　向小型化发展。20世纪80年代以后，超小型机和小型机相继问世，并得以迅速发展。就数量而言，小型机和超小型机占了PLC市场的大半份额，目前还远远没有饱和，今后还有更大的发展空间。产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。
　　加强PLC之间的联网能力。近年来，加强PLC之间的联网能力已经成为PLC主要发展趋势。PLC的联网分为两类：一类是PLC之间的联网通信，各制造厂家都有自己的专用联络手段和方法，即数据通道，如Gould、立石、三菱及松下等公司，都能构成分散控制系统和远程I/O系统；另一类是PLC和计算机与其他智能设备之间的联网通讯，PLC生产厂家都在使自己的产品与制造自动化通信协议标准兼容，从而使不同的PLC之间可以互相通信。PLC与计算机的联网能进一步实现全厂自动化，实现计算机辅助制造(CAM)和辅助设计(CAD)；易于实现柔性加工和制造系统。可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
　　更高的处理速度。可编程控制器正向大容量、高速化方向发展[4]，目前已广泛使用16位甚至32位CPU芯片。PLC与外部数据交换的高速化，编程设备处理程序的高速化，使编程工具、监控设备与PLC之间通讯的高速进行，提高了控制系统的整体响应速度。
　　编程语言与编程工具向多样化、标准化和高级化发展。美国生产的PLC在基本控制方面编程语言已标准化，均采用梯形图编程。其他国家也进入标准化阶段。可以预见，梯形图语言将作为中、小型PLC的标准语言而被广泛使用。梯形图编程易于掌握，很受电工和电气技术人员欢迎。但是，它在处理较复杂的运算、通信和打印报表等功能时显得效率低，灵活性差，尤其在通信时显得笨拙，所以在原有梯形图编程语言的基础上有加入高级语言的趋势。
　　发展智能模块。智能输入/输出模块具有CPU、RAM等可以和PLC的CPU并行工作，提高了PLC的速度和效率。各种智能模块在不断地推出，如高速计数器模块、PID回路调节模块、专用的数控模块，使PLC的过程控制、通信等功能大大加强[5]。
　　可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。同时随着信息技术与计算机技术的快速发展，分布式控制系统在工厂自动化和过程控制自动化中的应用速度迅速增长，现场总线技术已成为工业网络通信中的佼佼者。而以网络为主干的自动化分布式控制系统成为行业发展的趋势。
　　国际电工委员会对现场总线的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”[6]。它是用于现场仪表与控制室之间的一种开放式、全分散、智能、双向、多变量多站的通信系统，而PROFUBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域[7]，是当前工业自动化的热点之一。PROFUBUS已被纳入现场总线的国际标准。通过标准的现场总线通信接口，现场的I/O信号、传感器及变送器设备可以直接连接到PROFUBUS现场总线上，现场总线控制系统通过一根电缆传递所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大的降低了布线成本，提高了通信的可靠性。
　　我国的现场总线技术处于初级发展阶段，1997年7月Profibus International在中国建立了Profibus中国用户协会CPO[8]。国内企业大多采用国外现场总线标准。目前，对现场级通信网络，PROFUBUS是主要的解决方案。它直接连接现场设备，并能够满足控制信号传递时，对网络确定性和实时性的高要求。由于其简单耐用，价格便宜，支持冗余，通信速率和测量准确性高，对硬件与安装空间要求少，高的可靠性和安全性，可双向通讯和极高的信息容量等诸多优势，成为了国际公认的标准，广泛应用于各行各业。而控制器和控制室间的数据通信通过工业以太网来实现。
　　工业以太网(Industrial Ethernet)是为工业应用专门设计的，它遵循国际标准IEEE802.3(Ethernet)的开放式、多供应商的高性能的区域和单元网络。一般用于对时间要求不太严格、需要传送大量数据的通信场合[9]。它可以满足控制器与PC机之间数据传输量大，传输距离较远，传输速率较快，适应恶劣环境和抗干扰的工业场合。我国的工业以太网发展同样处于初级阶段，近几年才得到工控专家的关注。目前只处于应用模式，在国家“863” 计划的支持下，国内许多大学开展了研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通信的关键技术，并取得了一定的成果。基于现场总线和工业以太网技术，国内洗煤厂逐步向无人值守的智能化发展，国内已经有些洗煤企业应用了此系统。

结论与展望
7.1结论
　　洗煤厂利用西门子S7-400PLC、ET200M、工业以太网及PROFIBUS现场总线对重介质洗选控制系统改造后，不仅能够直观的显示整个生产线的运行情况，对出现的故障报警显示，还能完成生产调度、数据管理和报表打印功能。系统还实现了对悬浮液密度和合格介质桶液位的PID自动控制；旋流器入口压力监测与报警；捕收剂和起泡剂的流量监测及给定值、阀门开度的设置。使得整个生产线实现自动控制。为了生产的连续性，对重要的环节采用了冗余控制方式增加系统可靠性。控制系统的硬件部分主要实现数据的采集和控制功能，ET200M的I/O输入模块采集现场信号，通过PROFIBUS现场总线送至PLC控制器处理，处理结果通过I/O的输出模块送入驱动装置，实现设备的控制。工业以太网将采集的数据和处理结果送入上位机显示。整个系统能够实现集中显示、集中控制和集中管理。
　　使用结果表明，利用电磁阀和传感器使得液位和密度的波动值控制在±0.5%，灰分在±0.3%。
主选精煤产率由之前的37.28%提高至38.82%，最终精煤的产率由之前的57.63%提高到58.98%。生产效率和产品质量得到了大大提高，解决了以往手动控制和自动控制混合生产的不兼容问题，降低了操作者的劳动强度，改善了工作环境。系统在改造之前每个班组需要8人左右，改造后只需3人即可完成生产，实现了全厂集中自动化控制。整个控制系统运行稳定，维护方便，故障率较改造前明显降低。而且改造后工作人员也不用在现场频繁走动，只需在上位机前操作即可，增加了生产的安全性。
7.2不足之处
　　任何控制系统不可能一次性实现最优控制，总是存在各种不足之处。投入运行后需要不断的发现问题，解决问题，使得控制系统功能不断的优化。由于洗煤厂生产连续性强，设备点数较多，控制系统庞大且复杂。因此，系统的控制功能并不完备，设计的很多环节没有实现最优控制。而且论文的撰写不可能面面俱到，主要对洗煤的工艺流程、参数检测、控制系统的硬件和网络设计、程序及硬件接线设计和仿真调试进行介绍，不能完全的说明控制系统的各个功能。主要的不足表现在以下几个方面：
　　系统的硬件和功能不全面。
　　虽然洗煤设备的功能相似，编程方法一样，但是其中还是有一些细微的差别，没有做具体介绍。
　　系统调试是个复杂的过程，存在各种各样的问题，不能够详细的对调试过程进行介绍。
7.3展望
　　随着自动化生产水平的提高，不可再生能源保护和利用的不断加强，洗煤厂煤炭的回收再利用显得尤为重要。这不仅要求高的生产工艺，控制系统也需要不断的改善，只有两者合理配合才能满足生产需求。而洗煤厂的自动化控制逐渐向“无人值守”发展，这就要求控制系统具有超高的可靠性和稳定性。需要不断的对控制系统的硬件设备进行优化，使其具有高的抗干扰能力和处理能力。
　　针对大武口洗煤厂还可以从以下几个方面进行改进。
　　控制系统的抗干扰能力
　　浮选系统中浮选剂的添加实现自动控制。