闫 杰

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿 选煤厂, 山西 古交 030200)

0 引言

在选煤厂的生产过程中，利用煤炭与煤炭中杂质的不同，将原煤筛选成不同质量的煤炭产品，供给其他用户使用。重介选煤是煤炭洗选工艺中较常见的一种选煤方法，原煤首先通过原煤分级筛和破碎机进行筛分得到小块原煤，放在缓冲仓转存，然后控制系统根据需求，不断将缓冲仓内的原煤输送到三产品重介旋流器，经过旋流器后，生产出精、中、矸三种产品，再由离心机脱水后存放在不同的仓内[1]。重介选煤过程中使用的设备包括原煤分级筛、重介旋流器、带式输送机、浮选机、卸料器和给煤机等。在上述设备非正常工作情况下，容易出现振动幅度增加、位移加大等现象，特别是当转子不对中、转子不平衡或者转子弯曲故障时会产生较大的振动，此时，如果能对振动信号及时进行采集与分析，将信号传输到远程监控平台，提示工作人员故障的发生，将会避免故障的进一步扩大，减轻设备损伤。本文结合选煤厂常见故障和安全隐患，设计了一套选煤厂监控系统，对设备状态特征进行提取，实现设备运行状态的实时监控和缓冲仓瓦斯浓度的在线监测。

1 系统整体设计

选煤厂监控系统由现场采集层、数据传输层、监控管理层三个部分组成。现场采集层采集的信号包括选煤厂设备的加速度信号、位移信号和缓冲仓内瓦斯浓度；数据传输层包括RS485总线模块和以太网模块，可以完成现场数据的实时传输；监控管理层基于LabVIEW开发设计，嵌入模糊控制算法，对现场采集的信号进行分析，并在可视化界面中显示故障位置，直观地对选煤厂相关设备的运行状态和缓冲仓瓦斯浓度进行监控。

2 状态监测硬件系统

2.1 主控器选型

S7-300 PLC是由西门子公司生产的一款可编程逻辑控制器，具有性价比高、抗电磁干扰性强、抗振动冲击性能好等特点，被广泛应用于煤矿生产控制领域，可扩展模块上限为32个，网络连接方式包括MPI、PROFIBUS、工业以太网[2]。利用STEP软件进行程序的启动与测试，常用的编程语言包括顺序功能图、梯形图等。

2.2 传感器选型

传感器选取主要考虑的因素有现场环境、测量准确度、供电电压等。在选煤厂的使用中，应选择本质安全型传感器。

2.2.1 加速度传感器

由于本系统中所测的旋流器、浮选机等设备的振动频率快、振动幅度大且现场使用环境恶劣，因此本文选用型号为608A11的加速度传感器。该传感器通常应用于设备振动和冲击的测量，其量程为±50g，测量分辨率为350×10-6g，可以在-55 ℃～+120 ℃的温度范围内正常工作，保证检测灵敏度在110 mV/g以下。该传感器是平面剪切结构的无源、正压电效应的传感器，具有高精度、耐冲击等特性，因其稳定的工作性能被广泛应用于煤矿设备监测中。

2.2.2 位移传感器

位移传感器选用MIRAN(米朗)ML33电涡流位移传感器，主要由探头、前置器、附件三部分组成。该传感器可测量金属导体距探头表面距离，并将距离信号处理成相应的电信号输出，具有较稳定的输出特性，在复杂的工业环境下也能稳定工作。

2.2.3 瓦斯浓度检测传感器

目前，常用的瓦斯浓度检测传感器主要有催化传感器、光纤传感器和红外检测传感器。其中，催化传感器同时采用催化原件和热导元件，可以对4%～100%的瓦斯浓度进行检测，被广泛应用于矿井安全生产中[3-4]。

在本系统中瓦斯检测传感器选型为GJC4甲烷传感器，相比于传统甲烷检测传感器，该传感器具有恒温检测敏感元件，可以保证在高浓度瓦斯的环境中检测元件不被损坏，本身具有显示功能和报警/断电功能，方便现场工作人员查看。其输出信号频率与甲烷浓度具有线性关系，在不同瓦斯浓度下，传感器的测量范围与误差如表1所示。

表1 GJC4甲烷传感器测量范围与误差

2.3 跑偏开关配置

为了防止原煤运输过程中发生物料溢出、倾洒等情况，需要在带式输送机的两侧安装跑偏开关。本系统中，选择跑偏开关型号为KTP1-12-30，该传感器动作角度为12°，极限角度为30°，安装于立辊下方1/3处。当立辊倾斜大于12°时，立即发出一组开关信号；若立辊继续倾斜大于30°，则输出另一组开关信号，两组开关信号可分别用于告警和停机。传感器外壳采用铝合金精密压铸，具有较高强度，满足现场安装需求。

3 系统软件设计

3.1 程序设计

PLC程序通过STEP软件进行编程，采用结构化的程序语言，主要实现各种传感器数据的采集存储、I/O控制、远程数据传输[5]。程序的主要功能是完成传感器的数据采集和数据发送：数据采集对象包括加速度传感器、位移传感器、瓦斯浓度检测传感器；在瓦斯检测传感器采集到现场数据后，需要通过模糊控制算法对煤仓瓦斯浓度进行分析，确定是否需要发出预警信号。数据发送功能主要通过RS485模块和以太网通讯模块来实现。

3.2 模糊控制算法

选煤厂原煤入仓过程中，煤层高度不断增加，阻挡空气流通，加上顶层空气空间变小，使得仓内瓦斯浓度不断上涨，容易引发安全事故，因此，需要不断启停风机来控制仓内瓦斯浓度。在本系统中，为了能根据缓冲仓内瓦斯浓度准确控制煤仓风机的启停，引入模糊控制算法，以增加控制的准确度。

相比PID控制器，模糊控制将语句作为控制变量，方便现场操作人员的调试，工作人员根据现场工作经验，定义系统控制的规则，具有操作灵活方便、简单易学的特点，适用于选煤厂的风机控制。

在选煤厂瓦斯浓度模糊控制过程中，煤仓瓦斯浓度记为C，C0为设置的安全浓度初值，通过对两者进行比较，得到误差差值e和误差变化率ec，将这两个数值输入到模糊控制器中得到模糊控制变量ux，通过叠加、数模转换得到实际控制量k，PLC控制器最终通过调节电机电流达到控制风机转速的目的。

3.3 监控软件设计

设备状态监测系统的主要软件平台在LabVIEW的基础上进行开发，LabVIEW是NI公司研发的核心软件开发平台，它为用户提供了大量的用于信号采集、处理、显示和存储的函数和工具，极大地简化了工业软件系统的开发周期和难度，从而使得LabVIEW在交通、过程控制和医学等很多领域得到了比较广泛的应用[6]。本系统中的上位机LabVIEW软件的主要功能包括在线监测、故障诊断，使选煤厂设备故障可视化。

4 总结

本文在介绍选煤厂生产设备的基础上，对选煤厂监控系统进行研究与设计。选择S7-300 PLC作为主控制器，对加速度传感器、位移传感器、瓦斯浓度检测传感器进行选型，实现了选煤厂关键设备和缓冲仓环境的远程监测。通过模糊控制算法，对原煤存放缓冲仓的风机进行控制，保证瓦斯浓度在安全范围内。利用LabVIEW软件设计上位机显示程序，搭建了选煤厂设备故障在线监测平台，实现了选煤厂设备运行状态的实时监控。