太西选煤厂三分区关键设备集控系统设计学位论文Word格式文档下载.docx
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1绪论
1.1选煤现状
对于我国来说，其选煤工业的起步是比较晚的，二十世纪五十年代才建立起了我国自己的选煤工业。
其中“八五”期间原煤的入选量增长速度第一次超过原煤的增长速度，“九五”及“十五”中间选煤量快速持续增长。
2008年的原煤入选量为11亿吨，其入选率为43%；
2009年我国总生产的原煤为30.50亿吨，而原煤的入选率基本没有增长。
近几年来我国越来越重视选煤行业的发展，在2010年之后选煤厂的数量也在不断的增加，同时很多选煤厂也在大型化方向发展，其发展的突出特点为：
自动化程度更高，设备更可靠，系统更简单，操作人员更少。
到目前为止，各个国家采用的洗煤方法有：
跳汰选煤法，重介选煤法，浮选选煤法和干法选煤等。
由于中国的煤炭资源在地域上分布非常广泛，煤种比较齐全，煤质也有很大差别，所以，在中国各种类型的选煤工艺几乎都得到了广泛应用。
然而，我国相对于其他发达国家而言其选煤技术还是比较落后的，选煤技术还需要进一步的提高。
在以上四种选煤方法中，其跳汰选煤已经有了一百多年的历史了，是很成熟的一种选煤方法了。
跳汰工艺有着生产能力大，工艺流程简单，生产成本低，管理维护方便的优点。
近几年来，随选煤设备的研究和应用，跳汰选煤设备也得到了很大的发展，其主要表现在跳汰机的自身结构变得更加科学合理，自动化水平也有所完善，更重要的是分选效果也有所提高。
当今的跳汰机已经从以前的机械化发展到了自动化，更加提高了选煤效率。
我国对跳汰机的自动控制做了大量的研究工作。
而且取得了很多成果。
自从新中国成立以来，尤其是在改革开放以后，我国在选煤技术方面取得了很大的
进步。
但是从选煤产品的质量及设备的稳定性和耐用性等方面考虑，我们国家与发达国家相比还是存在很大差距，因而，我国仍需要做出很多努力，来完善流程工艺，研究和改善选煤设备，让我国成为一个产煤强国。
1.2集控系统在选煤厂中的应用现状
在上个世纪，随着现代工业规模的不断扩张和工厂自动化的不断提高，开始出现了在工厂进行施加系统控制和调度的要求,可以说，从此就开始了工业自动化系统发展。
经过了长达一世纪的发展,自动化系统已经从当初仅仅几台机械的相互关联逐渐发展到了从原料到成品生成的全过程管理系统。
从工业自动化系统发展的过程中深受启发,选煤厂的控制系统也在不断的发展。
自上世纪80年代起,集中控制系统逐步代替了原来的继电器控制，成为我国选煤厂的生产控制核心。
集中控制系统是选煤厂生产系统的核心部分,它为生产管理人员提供大量的实时现场信息,以利于便于调度指挥，大大缩短系统的启动，停止时间，降低空载损耗，提高生产效率。
在同一时间也可以大大减少站点操作人员，降低工人的劳动强度，而且还具有运营、维护、维修方便等优点......在工业技术和科学技术的不断发展的今天，可编程控制器已逐渐在工业领域中得到了应用，在工业技术及科学技术不断发展的今天，可编程控制器（PLC）已经逐步的应用在了工业现场，很多企业已经有所接受并得到了应用，PLC是一种现代化的工业控制器，是企业走向现代化生产必要工具之一，因为PLC技术较其他的控制技术有着很多优势，比如它的可靠性非常高，控制起来比较灵活，对其的编程简单而又实用，而且它的硬件配备较齐全等。
在现代工业快速发展的情景下，大多数工业控制企业已经对可编程控制器有所应用。
同样，选煤厂若想走向现代化生产的道路，若想实现对整个企业中所有设备的有效集中控制，那么PLC是其实现有效集中控制的前提和基础，同时PLC在选煤厂集中控制系统的应用当中我们还能进一步实现对其的研究与探讨。
近年来，随着科学技术的发展，国内选煤厂集中控制，过程控制和信息管理方面取得了很大的进展，但总的来说，与发达国家还是有一些差距。
从发展的角度看,由于设备技术进步,目前集控系统中所采用的主要控制设备PLC已从简单的逻辑控制发展为兼有逻辑控制、过程控制、浮点运算及数据处理功能的高性能产品,其技术性能完全能满足选煤厂自动化系统的要求。
我们应在做好集控系统的基础上,充分利用控制设备的功能,将选煤厂的主要工艺过程（三大选）控制、单机自动化控制、全厂信息管理网络有机地结合在一起,形成一个高效的、信息流畅的、功能完善的选煤厂自动化控制系统。
在现代化的选煤厂中，生产的集中控制系统是降低损耗，节省能源、提升效率、减少人员的基本保障。
集中控制系统中的设计方案是很关键的，一套设计比较合理、系统稳定、性能可靠的集控系统，再加上正确的操作和及时的维护，对提高选煤厂的生产效率、减少建设投资起着非常重要的作用。
1.3PLC控制系统的构成、设计原则和步骤
PLC控制系统是由硬件部分和软件部分组成的。
对PLC的整个控制系统来说，硬件部分包括符合要求的PLC机型、通信模块、电源模块、输入和输出模块、存储器容量、模拟量的输入及输出模块和一些特殊功能的模块等，还包括合适的PLC外围装置、接口与设备。
而软件部分则有对PLC进行的I/O地址、定时器、内部继电器及计数器等的分配，PLC控制程序的设计和技术文件等。
因为PLC控制系统是用来给工艺流程服务的，因此PLC要能较好地实现工艺流程所提出的控制要求。
设计PLC控制系统时应遵循的原则：
（1）根据所提出的工艺流程，要很好地满足工艺流程的前提下较好的实现控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，PLC系统的硬件费用要尽量小。
（3）由于在控制过程中控制要求会发生变化，因此设计控制系统时须注意PLC的可控制性。
（4）设计时应注意控制系统在使用过程中的维护、经济、安全、可靠。
具体的操作步骤：
（1）控制过程中的要求分析
PLC的控制系统设计之前，需要对工艺过程进行一个细致的分析，要知道控制原理、控制对象和控制要求，只有这样才能明了自己需要完成的各项任务，并且确保更好地完成任务，设计出一个较好的控制系统。
（2）确定输入
根据控制要求来选取合适的输入设备和输出设备，PLC的I/0点数是根据所选用的输入设备和输出设备的类型及数量确定的。
（3）选择合适PLC
PLC的I/0点数确定后，就可以根据I/0点数和控制要求来选择PLC。
包括选择机型、输入/输出模块、存储器容量、智能模块及电源模块。
（4）I/0点数分配
所谓的点数分配其实就是规定PLC的输入/输出模块和I/0端子，并画出I/0的接线原理图。
（5）PLC程序设计
工艺流程是分为若干段的，每一阶段的输入和输出信号控制的设备要确定，和各个阶段间的联系，然后画出程序流程图，再根据流程图进行程序编制。
（6）模拟调试
程序编好后，可以通过电压源和电流源来代替其中的模拟量，进行模拟调试，使得所编的程序满足控制要求。
（7）现场联机调试
在此过程中要找出程序存在的实际问题，然后对其进行修改，使得它满足其控制要求。
（8）整理技术文件
此过程要整理出与程序设计有关的文件，包括I/O接线原理图、设计说明书、程序清单以及使用说明书等。
1.4选煤自动化的意义
选煤厂的自动化对于选煤厂来说是具有重大意义的。
选煤技术的发展初期，由于其技术简陋，致使车间中不得不集中较多工作人员，然而，选煤厂中的恶劣环境，以及各种危险的状况时刻在威胁着车间中工作人员的安全。
而自选煤车间实现了自动化之后，工作人员可以直接在监控室里操作车间里的设备，并且可以实现自动生产。
因此很大程度上减轻了车间中工作人员的工作量，与此同时给企业带来更大的利润空间，提高了企业的效率，减小了管理压力。
2选煤关键流程控制的设计
2.1控制系统的组成
自动控制系统主要是由两大部分组成的：
其中一部分是自动控制装置。
它主要包括测量仪表、控制仪表、变送器以及执行器等等；
另外一部分则是自动控制装置所控制下的各种生产设备，即为被控对象，例如锅炉、换热器、反应器等。
自控系统各部分的作用为：
①被控对象：
自动控制系统当中，工艺变量所需控制的生产设备和机器称为被控对象，简称对象。
②测量元件和变送器：
测量元件是用来测量所控制的工艺参数并将它转化成一种特定信号（电压或电流信号）的仪器，自动控制系统当中起着“眼睛”的作用，所以要求准确、灵敏、及时。
③调节器：
又称为控制器，他是将检测元件和变送器传来的信号和内部所设定的工艺参数值信号进行比较，得出偏差信号；
根据此偏差大小按照一定的运算规律算出其控制信号，然后将此控制信号传给执行器。
④执行器：
它是用来接受调节器传来的信号，然后自动改变阀门开度，来改变输送给被控对象的能量以及物料量。
常用的执行器一般是气动薄膜调节阀。
当采用电动调节器时，还需要在调节阀上加一个电气转换器。
在自动控制系统当中，以上四部分是必不可少的。
除此以外，还有一些辅助装置，如转换装置、给定装置、显示仪表等等。
其中的显示仪表可以是单独存在的仪表，有时也有可能是变送器、测量仪表和调节器中附带的显示部分。
2.2直接数字控制系统
直接数字控制系统，通常直接称为DDC控制器。
DDC系统一般包括中央控制设备（彩色监视器、集中控制电脑、键盘、不间断电源、打印机、通讯接口等）、通讯网络、现场DDC控制器、以及相应的执行器、传感器，调节阀等元件。
2.2.1PID控制概述
一般的自动控制技术都是从反馈的概念入手的。
反馈理论主要包括以下三个要素：
测量、比较和执行。
即测量出所要控制的变量，然后与设定值相比较，再用比较出的误差进行纠正并调节阀门达到控制目的。
这个自动控制的关键要点是：
首先要做出正确的测量，再通过比较后，才能更好地纠正要控制的参数。
PID（比例-积分-微分）控制器已经有70多年历史了，作为最早实用化的控制器。
PID控制器简单易懂，而且在使用过程中对系统模型等先决条件没有很高的要求，所以现在它仍然是应用最为广泛的工业控制器。
2.2.2PID控制用途
PID的用途非常广泛、使用也很灵活，因此已有系列化产品，在使用过程中只需要设定三个参数（KP，Ti和Td）即可。
在一般的情况下，并不是三个单元一定都需要，它可以是一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID的应用范围很广。
虽然一般的工业过程是时变的或是非线性的，但是对其通过简化可以转变成基本线性及动态特性都不随时间而变化的系统，这样PID就可实现其控制了。
其次，PID的参数比较容易整定。
即PID参数KP，Ti和Td可以根据其中的过程动态特性来及时整定。
如果过程的动态特性发生变化，如由负载的变化而引起的系统动态特性的变化，此时PID参数就可以重新整定。
很多通过自身整定参数的PID控制器经常都是工作在自动整定的模式下而不是连续自身整定的模式下。
自动整定一般指的是根据开环状态而确定简单的过程模型从而自动计算出PID参数。
PID在控制非线性、耦合、时变以及参数和结构都不确定的复杂过程时，其工作不会太好。
最关键的是，PID控制器如果不能控制其复杂的过程，参数无论怎么调都没用。
虽然如此，最简单的PID控制器有时反而是最好的控制器。
当今自动化水平已经成为了衡量各行业工业现代化水平的一个重要标志。
控制理论的发展经历了智能控制理论、现代控制理论与经典控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例有模糊全自动洗衣机等等。
自动控制系统可分为闭环控制系统和开环控制系统。
控制系统一般包括传感器，变送器，控制器，执行机构和输入输出接口。
控制器通过输出接口和执行机构输出，然后加载到系统中来加以控制；
控制系统的被控量由传感器、变送器，通过输入接口到控制器中。
不同的控制系统，传感器，变送器，执行机构是不一样的。
如在压力控制系统中需要采用压力传感器。
目前，PID控制和控制器或智能PID控制器（仪表）有很多，并且产品已广泛应用于工程，其中的PID控制器的参数的自动调整是通过自校正、自适应或智能化调整算法来实现。
2.2.3PID算法中参数的整定
PID控制器中的参数整定将是控制系统设计中的核心内容。
PID控制器的积分时间，比例系数及微分时间的大小时由被控对象的特性确定的。
PID控制器当中参数整定的方法有很多，大概的可以说成两大类：
第一种为理论计算整定法。
通过这种方法，是通过工程实践获得的其数据必须通过修改和调整才能使用。
二是工程整定方法，此方法主要就是基于工程经验直接在试验中得出的，这种方法简单、易于掌握，所以在实际应用中是非常广泛的。
以上说的PID控制器参数的工程整定法主要有以下几种：
临界比例法、衰减法和反应曲线法。
这些方法各有其特点，但他们都有一个共同点，那就是要通过测试给出一个参数，然后根据经验公式进行对此参数的整定。
不管用哪种方法来获得控制器的工程参数，都需要在最后的完善和实际操作中做一定的调整。
这几种方法各有各的特点，但它们有个共同点就是都要通过试验得出一参数，然后再根据工程经验公式进行整定此参数。
在工程整定法中无论用哪一种方法得到控制器的参数，在最后都需要实际运行的调整与完善。
目前通常采用的是临界比例法。
用这种方法去整定PID调节器的参数是实用而又方便的。
其具体的步骤是：
1、等到系统稳定之后，缓慢减小调节器的比例度δ（即1/P），而且每次减小比例度δ之后，等到被调节量回到平衡状态之后，再通过手动加一个5%~15%的阶跃扰动，此时观察其被调量变化的过程。
如果被调量是逐渐衰减的振荡曲线，那么应该继续调节减小比例度δ，直至输出响应曲线的振荡为等幅振荡时为止。
比例度也不能过小，如果比例度调节的太小了，则响应曲线会出现发散振荡的情况，此时应该适当的增大比例度，让它变到等幅振荡。
图2-1是临界比例法的实验方块图。
图2-1
2、在图2-2中，如果被调量在作等幅振荡，那么这时的比例度δ即为临界比例度，用δk来表示，此时的振荡周期就是相应的临界周期Tk。
根据这个情况，可以按照下表来确定PID调节器的δ、Ti和Td等三个参数。
图2-2
表一、用临界比例度δk整定PID调节器的参数
3、特别要指出的是，表格中的这些调节器的参数是一个初步大概的设计，因为这些参数都是通过大量实验而得到的结论。
如果想要得到更加好的动态过程，那么需要在表格中这些参数的基础上适当调整δ、Ti（或Td）。
2.3设备启停设计
选煤厂中几个关键设备的启动和停车都要按照一定的顺序进行，与此同时在设备启动和运行过程中还需要实时监控这些设备的运行状态。
这些设备的启动和停车都是通过西门子PLC控制实现的，同时还需要在运转过程中通过智能模块得到设备的一些重要参数（比如功率，电流，转速等），然后及时显示在上位机中，并且在非正常运转情况下要实现自动报警。
根据太西选煤厂三分区的工艺流程图（图2-3）结合选煤厂逆煤流启车、顺煤流停车的基本思路，制定启停顺序如下：
图2-3
2.3.1关键设备逆序启动
需要按一定顺序启动的关键设备有，原煤给料，跳汰机，斗提机，精煤脱水筛，离心机，块精煤分级筛，煤泥桶，一二级振动弧形筛，离心脱水机。
而且每个设备启动后延时五秒再启动下一个设备，其中的启动顺序为：
如图
二级振动弧形筛
离心脱水机
一级振动筛
块精煤分级筛
离心机
精煤脱水筛
跳汰机
斗提机
泥煤桶
原煤给料
图2-4
2.3.2关键设备顺序停车
需要按一定顺序停止的关键设备有，原煤给料，跳汰机，斗提机，精煤脱水筛，离心机，块精煤分级筛，煤泥桶，一二级振动弧形筛，离心脱水机。
而且每个设备停止后延时五秒再停止下一个设备，其中的停止顺序为：
二级振动筛
图2-5
2.3.3关键设备紧急停车
关键设备在除了正常的启停车之外，有时在一些突发情况下需要紧急停车，所以每一台关键设备上都必须有一个按钮用来紧急停车，同时在监控界面中也必须要有一个紧急停车的按钮以备某些突发情况使用。
2.4跳汰选煤过程的控制设计
跳汰选煤的过程主要可以概括为两部分：
第一是物料的分层；
第二是产品的分离。
分层过程受操作制度和原煤性质随机变化等因素的直接影响,它是分离结果好坏的前提;
分离过程即排料过程,它直接受床层分布好坏、排料方式的合理性、控制系统的精确程度以及重物料层厚度检测的准确度等因素的影响,排料的准确性和适度性对分层过程的改善也有着明显的作用。
准确的排料控制系统以及良好的排料装置能给原煤的分层以反作用，排料的控制精度直接影响到跳汰分选的产品质量、精度和分选效率。
相反，准确排料的前提就是物料要分层清楚。
而对于本设计研究对象中的筛侧空气室跳汰机来说使物料实现分层的设备就是跳汰机的电磁风阀，它的进气期和排气期直接决定着物料的分层效果；
而实现产品分离的装置则为排料控制系统，也就是床层厚度控制系统，所以以下的设计主要是针对这两部分的控制设计。
2.4.1跳汰机排料控制系统的设计
（1）排料控制系统的工作原理
跳汰机的排料控制系统所要达到的一个目的是：
通过对排料量大小的控制，来保持床层厚度的稳定。
其控制原理是：
首先用浮标检测出床层的厚度，再将检测出的信号送到控制器中，而控制器依据实际反馈的床层厚度或者已给定的床层厚度，用控制算法算出其控制量，然后将其控制量信号输送到排料闸板（被控对象）来控制排料量的大小，使得床层厚度保持相对的稳定。
本次设计采用了参数自适应模糊PID控制，这种控制方法的控制数是系统自己根据实际情况整定的，不需要人员自己去设定，其原理是：
通过在线测灰仪检测出现场的灰分，根据检测出的灰分偏差信号e和灰分偏差率信号ec，然后利用模糊规则，对PID的KP、KI和KD3个参数进行在线自整定，从而达到按规定的灰分要求而生产的目的。
参数自整定模糊PID控制器结构如图2-5所示．
图2-6PID控制系统原理框图
（2）本控制系统的控制策略是：
先由灰分仪测得精煤产品的灰分，然后将其信号转换成电信号输出，再经数模转换器转换成数字信号与设定的灰分数字信号相比较，产生灰分偏差信号e，再计算出de/dt，即算出灰分偏差率信号ec；
则产生的灰分偏差信号e和灰分偏差率信号ec就是参数自整定模糊PID控制器输入量。
然后用量化因子将基本论域变换到模糊论域得到E和Ec，再通过模糊控制表得出控制量U；
经过比例因子Kd得出实际的床层希望值与浮标得到的床层信号进行比较后，传送给PLC，再由PLC发出控制信号，控制执行机构调节闸阀的高度，从而控制跳汰机的排料过程，跳汰机排料装置控制系统工作原理图如图2-6所示：
图2-7跳汰机排料装置控制系统工作原理
（3）控制系统的硬件与软件设计
跳汰机排料装置控制系统的硬件组成包括:
控制器（PLC系统）、执行器、执行机构、检测装置（浮标及测灰仪）．
跳汰机排料装置控制系统的软件流程图如图2-7所示．软件流程是：
首先对其进行初始化，然后进行信号采样，选取灰分偏差信号e和灰分偏差率信号ec作为参数自整定模糊
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