基于iFix的选煤厂监控系统研究与设计

第一章 绪论
1.1课题的背景
1.1.1我国煤炭资源现状
能源是国民经济发展和人类赖以生存的物质基础。我国煤炭资源丰富品种齐全，分布面积广。根据第三次全国煤炭资源预测评价，全国煤炭资源总量5.57万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一，约占世界的37%。探明储量达到10202亿吨，其中可开采储量1891亿吨，占18%。煤炭在我国能源结构中占了很大比重，其生产量和消费量一直占能源的70%左右[1]（表1-1所示），每年生产和消费煤炭都在几十亿吨以上。根据国家煤矿安全监察局对全国煤矿的统计，2010年全国煤炭产量32.4亿吨，比2005年增加8.9亿吨。我国的石油、天然气资源相对不足，其储量只可供开采几十年；水力资源虽然丰富，但集中在西南地区，而且开发利用需要的投资很大，开发率也不足15％；核能、太阳能、风能、生物能的开发利用则刚刚起步，暂不会对我国的能源结构产生很大的影响。因此，在未来相当长的时期内我国仍将是以煤炭为主的能源结构，仍然是煤炭的生产和消费大国，煤炭的基础能源地位不会改变。我国大量的生产和消费煤炭，无论对区域环境，还是对全球气候都造成很大影响，因此国家鼓励和提倡发展洁净煤技术[2-4]。

1.1.2选煤的必要性
选煤是通过物理、化学等方法降低原煤中的灰分、硫分和矸石等杂质的含量。近几年来，随着“科学发展观”逐渐深入人心，人们低碳环保、节能减排的意识增强和市场需求的变化，选煤的重要性越来越显著，使得中国选煤业和选煤技术得到了较快的发展。煤炭的洗选加工是从源头上提高商品煤质量，是洁净煤技术的基础，也是煤炭深加工（制水煤浆、焦化、气化、液化）和洁净、高效利用的前提。原煤经过洗选，可以降低60%～70%的灰分和脱除50%～70%的黄铁矿，由于灰分的发热量低，灰分中一些矿物质的熔化还需要吸收大量的热，灰分过多还会导致燃炉排渣困难，燃烧后的固体颗粒随烟气排入大气中会严重污染环境，提高煤炭的洁净度势在必行。
我国煤炭资源的特点是：难选煤多，高灰、高硫煤比重大，我国煤炭的生产和利用是大气污染、酸雨等区域性环境问题的主要影响因素。其次，我国煤炭资源在地理分布上表现为极不均衡，具有东少西多、南少北多的特点，煤炭资源大部分分布在西北地区，其中晋、陕、蒙3省(区)的预测煤炭资源量为2.18万亿吨，占全国煤炭资源总量的83.9%，而70％的煤炭消耗在东南及沿海，造成60％的煤炭需要运输，占铁路货运量的40％。未经选选的煤炭中含有大量的矸石，在运输中等于让火车带着大量矸石去“旅行”，造成极大的人力、物力的浪费。综上所述，选煤可以减少燃煤对大气的污染，提高煤炭利用率节约运力，是增加煤炭企业经济效益的有效方法。因此，充分利用先进的选煤技术，提高原煤的入选比例，已经成为中国煤炭工业进行工业结构调整和优化升级、提高煤炭企业经济效益和社会效益，保持煤炭工业可持续发展的必然选择，是综合利用资源、节约能源和环境保护的有效途径。随着国内煤炭生产和消费量的进一步增长，大量使用煤炭所造成的环境问题将更加突出。重视发展选煤业，推进选煤技术是提高煤炭利用率、节能减排、保护环境的关键所在[5]。综上所述[6]：
（1）选煤是合理利用煤炭资源, 保护环境的最经济、有效的技术途径；
（2）选煤是煤炭进一步深加工的基础环节；
（3）选煤可优化产品结构, 获得节能效益；
（4）选煤是减少无效运输的重要途径；
（5）选煤是煤炭行业提高经济效益的重要手段。
1.2国内外选煤厂发展现状
1.2.1我国选煤工业现状
（1）国内入选比例与选煤方法结构现状
我国选煤工业起步较晚，且相对落后，20世纪50年代才开始建立起自己的选煤工业。“八五”期间，原煤入选量的增长速度首次超过原煤增长速度，“九五”和“十五”期间选煤持续快速增长。1982年原煤入选率仅为18%，2004年我国的原煤产量为1916亿吨，正常运行的选煤厂有2000余座，其中中型以上选煤厂394座。选煤设计能力715亿吨/a，实际生产能力610亿吨/a，实际原煤入选率为32%；2005年的原煤产量为1916亿吨，原煤入选量为7103亿吨，入选率为33%；2007年入选比例达到43.6%。尽管如此，但仍不及主要产煤国家在上世纪90年代已经达到的原煤入选率，我国原煤入选比例还是主要产煤国家中最低的。国外各工业发达国家早在20世纪30年代就开始发展选煤工业，到60年代已达到相当规模，需要选选的高灰、高硫原煤早已全部入选，在20世纪90年代，世界原煤平均入选比例达到50%左右，一些国家则明显超过这一比例，如表1-2所示[7]。我国不仅原煤入选比例低，而且发展不平衡。炼焦煤选煤厂占选煤厂总能力的68.2%，动力煤选煤厂占选煤厂总能力的31.8%，动力煤的入选比例仅有14.6%[8]。

在主要产煤国家,重介质选煤已上升为主导地位。在20世纪80年代，国外基本以跳汰选为主，到90年代，重介质选煤比重已由第二位上升为第一位。在我国，所采用的选煤方法构成结构也在不断变化着。重介选煤技术始于1958年。1985年我国跳汰选占59%，重介选占23%，浮选仍占l4%，其他方法约为4%。2002年底，我国所采用的选煤方法构成为：重介质选煤36.3％，跳汰选煤38.7％，浮选11.6％，其他选煤13.4％。2006年，重介质选煤44％，跳汰选煤40％，浮选9.5％，其他选煤6.5％（见表2）[7]。中国新建选煤厂和老厂技术改造也大都采用重介质旋流器选煤技术。
表1-3 我国选煤技术机构变迁（%）
年份 跳汰选 重介选 浮选 其他
1985 59 23 14 4
1995~1996 59 23 14 4
2006 40 44 9.5 6.5
（2）自动化程度现状
与发达国家相比，我国选煤业的差距还很大，这种差距不仅表现在起步晚、原煤入选率低，还在于选煤装备现代化程度低、可靠性差。若要推动能源产业的可持续发展，实现煤炭行业经济效益、社会效益与环境效益的统一，还应高度重视选煤技术与装备的创新，不断提高煤炭的入选率，推进洁净煤技术产业化。
在我国选煤厂中，虽然选煤厂都实现了一定程度的自动化，但是还存在几个比较突出的问题：①系统兼容性冲突，一般选煤厂在不同领域的自动控制系统是不同时期投入使用的，各类控制系统也是不同厂商开发的，这就出现了不同的控制系统采用不同通信协议，使得不同的控制系统内传递的信息不能兼容，无法实现信息共享，形成了不同的信息孤岛；②系统硬件性能不佳、通用性差。由于过分追求系统的总体成本，使得通信线缆、网络设备在采购时本身质量、性能较差，随着投入使用时间的延续，部分通信线路、网络设备的性能不佳情况凸显，另外部分控制系统部件通用性较差，没有通用的数据接口，采集到的数据只能在专用的仪表中加以显示，影响了系统的可扩展性与通用性；③软件系统功能单一，目前选煤厂投入使用的各类控制系统的软件功能相对单一，功能主要集中在底层信息的收集方面，控制也多是对设备的启停操作，导致全厂自动化水平处于较低水平。
国内选煤自动化起步晚，相对比较落后，而且大多采用国外控制器和监控软件，多种控制器与监控软件之间的网络协议不同，出现不兼容现象，这给维护，售后带来一定困难，而且维护成本相对也比较高。如今，我国选煤厂虽然大都实现了基于PLC的选煤厂集中控制，部分选煤厂信息管理也由于计算机网络的引入实现了部分信息共享。但是，大部分选煤厂的生产监控系统设备管理系统数据采集和工业电视监视等都是各自独立互不通信，形成信息孤岛以致于很难对整厂各种信息资源进行整合统一管理和应用。
1.2.2国外选煤工业自动化现状及其发展趋向
（1）国外选煤方法结构现状
从国外对选煤技术的应用来看，美国等发达国家选煤工艺在20世纪70年代前以跳汰选为主，之后重介质选煤技术逐渐占据主导地位。如美国在20世纪80年代，重介选占31％，跳汰选占49％，到1996年，重介选升到45％，跳汰选下降到35％。近年来美国的重介质选比例已上升为66%，加拿大56%、澳大利亚90%、俄罗斯42%。从近些年表现出来的趋势看，采用物理选煤技术进行煤炭选选的比例最多，而在物理选选技术中，重介选煤技术的采用呈上升趋势。
（2）国外自动化程度现状
国外选煤自动化已达到相当高的程度，英、美、法、日等国的个别选煤厂已实现了全厂自动化，值班员可在集控室控制全厂设备的启动和停车，并通过模拟盘和仪表盘监视各车间的运转状态。有的选煤厂甚至达到了无人值守的水平。之前，国外选煤厂重视主要选选设备的单机自动化。如今，各国都由单机自动化向全厂综合自动化方向过渡和发展，这种发展是与各国选煤厂厂型的不断扩大，生产越来越高度集中，设备大型化，工艺流程不断简化以及对煤质趋于均匀化的客观要求密切相关的。迄今为止，选煤厂已经普遍应用的集中控制装置，工艺参数的过程控制、自动检测与保护报警装置、自动记录及打印制表等几乎全部可以借助于计算机来完成，因此，近年来，计算机在选煤厂的应用得到了世界主要产煤国家的普遍重视，并逐渐成为选煤厂自动化的主攻方向。
国外各工业发达国家早在20世纪30年代就开始发展选煤工业选煤自动化已达到相当高的程度有的选煤厂甚至达到了无人值守的水平。之前国外选煤厂重视主要选选设备的单机自动化。如今各国都由单机自动化向全厂综合自动化方向过渡和发展这种发展是与各国选煤厂厂型的不断扩大生产越来越高度集中设备大型化工艺流程不断简化以及对煤质趋于均匀化的客观要求密切相关的。迄今为止选煤厂已经普遍应用的集中控制装置工艺参数的过程控制、自动检测与保护报警装置、自动记录及打印制表等几乎全部可以借助于计算机来完成因此近年来计算机在选煤厂的应用得到了世界主要产煤国家的普遍重视并逐渐成为选煤厂自动化的主攻方向。
1.3课题的来源及研究意义
1.3.1课题来源
本课题来源于大武口选煤厂金能分厂，此选煤厂用于矿井原煤的选选加工，入选煤种以1／3焦煤为主，于2006年8月开工建设。金能分厂工程分两期实施：一期为处理能力600万吨／年的动力选矸系统，于2007年底投产生产；二期为入选能力400万吨／年的1／3焦精煤系统，于2009年2月投产生产。该厂工艺流程为：原煤破碎成0—50mm粒度后进入二期主选车间，经筛缝为1mm的脱泥筛，脱泥后1—50mm的采用无压三产品中介旋流器分选，0.2—1.0mm采用TBS分选，0—0.2mm煤泥采用浮选。浮选精煤采用加压过滤回收浮选尾煤采用浓缩+压滤工艺回收[9]。
大武口选煤厂金能分厂自动控制系统一期和二期相对独立，分别使用西门子S7-400PLC作为主控制器，通过Profibus-DP连接西门子分布式I/O模块ET200采集现场数据。AB公司的E3智能过热继电器、变频器和软启动器通过DeviceNet网络相连，再经过DNB/Profibus网关连入控制系统。本控制系统通过EtherNet使两期的控制系统通讯形成全厂统一的控制网络；西门子公司的WinCC作为组态软件。由于设备种类多而且厂家不同可能存在不兼容问题，在使用过程中出现画面滞后死机通讯故障等问题，严重影响了正常生产。
开发出一套实用性强，运行稳定，兼容性好，界面友好的监控软件，对企业的正常生产变得尤为重要。
1.3.2课题的研究意义
选煤厂是一种典型的过程型企业，生产工艺环节多而且复杂，设备之间有一定的连锁关系，在生产过程中必须按照特定的工艺规程进行运转，以确保安全高效生产使用高度机械化、连续作业的生产线，也是一种典型的工业自动化控制系统。选煤厂。在生产过程中，需要监视设备运行状态并通过传感器对各种工艺参数及时检测，使其稳定在规定的范围内[10]。因此这样一个复杂的生产过程，由于出现网络通讯故障，不兼容等现象，一台设备与主网脱节将导致整个过程停车，严重影响了企业的正常生产并制约了企业的发展。
近年来随着计算机、控制器、通信等相关领域技术特别是网络技术及现场总线技术的迅速发展，使工业控制的应用范围进一步扩大，工业过程控制的概念也发生了很大的变化。过去的控制工作主要是面向生产过程，而现在工业自动化的明确目标是在整个企业甚至是整个行业内获取并传输过程控制信息，逐步形成管理与控制一体化。
本论文针对宁夏某选煤厂的生产控制综合管理系统进行研究，以解决选煤厂当前面临的管理落后、以及生产和管理脱节的问题。
（1）解决了选煤厂遇到的自动化控制系统方面的问题，让企业的自动化系统能够正常运行。
（2）可以把所学的理论知识很好的应用到工程实际中，为我们提供了一个很好的锻炼的机会，为以后的工作打下了扎实的基础。
（3）增加了学校跟企业合作的机会，我们可以把学的的理论与实践很好的结合，提高我们自身的水平，同时企业自己解决不了的问题，高校可以帮助解决，更加体现了高校为促进地方经济发展所做的贡献。
1.4本文的主要研究内容
本文以宁夏大武口选煤厂金能分厂为依托，通过对选煤厂原煤系统、主选系统（包括重介系统，浮选系统和压滤系统）、装车系统的深入了解学习，研究了选煤厂整个工艺过程控制系统，该系统以西门子S7-300/400为核心控制器，上位机监控软件采用Intellution公司的iFIX，实现对整个生产现场的实时监控与调节。实践表明，该监控系统可以胜任选煤厂整个系统的监控，运行可靠，操作方便，人机界面友好，具有相当的推广意义和价值。