选煤厂新工艺集控系统设计与实现-开题报告 - 图文

表4

学号：

西 北 工 业 大 学

专业学位研究生论文选题报告表

（工程硕士）

学 院 软件与微电子学院 姓 名 韩少华 工程领域 软件工程 第一导师 第二导师 报告日期 2015年3月26日

研 究 生 院

西 北 工 业 大 学 专业学位论文选题报告要求

一、论文选题

1．论文选题应直接来源于生产实际或者具有明确的应用背景和实用价值，可以是一个完整的工程设计项目或技术改造项目，可以是技术攻关研究课题，也可以是新工艺、新设备、新材料、新产品的研制与开发。

2．论文选题应有一定的技术难度、先进性和工作量，能体现作者综合运用科学理论、方法和技术手段解决工程实际问题的能力。

3．论文形式可以是工程设计、研究论文、技术改造或工程管理。无论是那一种论文形式，论文都应至少有局部深入的理论分析。

4．正式开题之前，工程硕士生在广泛阅读中外文献资料的基础上，深入了解拟选课题的国内外研究动态，把握所选课题的目的、意义和预期结果，明确课题工作的设想、方法和研究路径。

5．工程硕士生所在单位应为工程硕士生的学位论文提供必要的时间和实验条件等方面的保证。

6. 在规定的时间内，由所在学院确定第一导师和聘请校外指导教师（即第二导师）。学生应认真填写论文选题报告表，并向评议小组作选题报告。报告通过后，由指导教师组织论文开题并填写论文选题报告评议表。评议未通过者重新开题，若第二次选题报告未通过者，则按有关规定终止学籍。第二导师应参与指导学位论文工作的全过程。

7．选题报告应在入学后的两年半内完成。如有不能按期完成者，应及时向学院提出延期报告；

8. 论文研究如果涉及保密内容，必须同时向学校提出保密申请，并及时办理保密手续，过期不予办理。办理时间须在论文计划表中填写清楚。 二、填表注意事项

选题报告会应以学术活动的方式公开进行。本表可以打印或用钢笔认真填写，若不够填写时，可另加附页。

西北工业大学

工程硕士学位论文选题报告表

2015年03月26 日

论文题目 论文类型 (在有关项目下作记号√) 内容包括： 1. 国内外研究动态；（不少于3500字） 2. 课题的理论意义、实用价值和社会经济效益； 3. 课题研究的目标、研究内容和研究方法； 4. 论文工作量的估计，关键技术以及所遇到的困难和问题，拟采取的解决措施。 √ 论文是否涉及保密内容 兖矿东滩选煤厂新工艺集控系统设计与实现 工程设计 研究论文 技术改造 工程管理 1 选题背景 近年来，国内煤炭市场持续低迷、煤炭企业利润大幅下降，用户对煤炭质量要求提高。受东滩煤矿矿井煤质的影响，原东滩选煤厂跳汰选煤工艺很难适应当前煤炭市场的需求，东滩选煤厂邀请国内选煤专家对矿井煤质和现场实际情况进行诊断研究，最终决定将东滩选煤厂跳汰洗煤工艺淘汰，改造为适应当前市场需求和矿井煤质的新技术、新工艺，主要包括：新增两套三产品无压重介旋流器为主选系统、三套TBS粗煤泥分选系统和四套浮选细煤泥处理系统。为确保东滩选煤厂新工艺系统的可靠稳定运行，同时保证东滩选煤厂安全生产，保证产品质量的稳定性和提高精煤产率，实现重介分选系统、TBS系统和浮选系统的自动控制，东滩选煤厂着手进行了相关的工程设计和施工。本论文针对新工艺各系统实际运行情况进行研究分析，利用PLC控制技术，以现代化自动化的先进思想，结合选煤厂已有的自动化控制系统制定出一套适应东滩选煤厂新工艺系统的集控方案，完成设备起停、闭锁等控制要求，并实现各项工艺参数的在线监测和调控，从而实现了选煤厂的自动化控制，完成了数字化选煤厂的改造，提高东滩洗煤厂的生产管理水平。 2 国内外研究动态 2.1 PLC控制技术的发展现状 随着工业技术革命的不断发展，人们对生产过程中的自动化水平要求越来越高，PLC控制技术自1968年美国通用汽车制造公司提出的新型控制器要求，并在1969年美国数字设备公司研制出了世界上第一台可编程序控制器。此后世界各国纷纷引进研制，到了上世纪90年代以后，PLC控制技术在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，并且发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。我国从上世纪70年代开始研制、生产、应用PLC控制技术，尤其在应用方面更为突出，到现阶段已经大量的应用在工业、农业、公共事业、楼宇自动化、水利等各项领域[1]。 目前，全球拥有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主，这与PLC在中国的起步较晚不无关系。然而，国内的PLC厂商在开展业务时也存在有较大的竞争优势，比如成本优势、服务优势、响应速度优势等[2]。 著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱电机（Mitsubishi Electric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。 2.2 PLC技术在选煤生产领域的应用现状 随着PLC控制技术的成熟和在我国应用的推广，国内各选煤厂为了进一步提高生产效率和质量，开始引进先进的PLC控制技术，从而发展选煤厂的集中控制系统，推进选煤厂的发展。选煤厂集控系统主要是围绕原料煤的准备、运输、洗选到最终商品煤的存储、装车、落地等运输的整个过程，通过集控系统来控制整个商品煤生产的全过程，将选煤厂工作流程的每个步骤密切联系在一起，进而提高生产效率和产品质量[3]，确保选煤厂持续适应及满足市场需求，从而实现选煤厂利益最大化。选煤厂对矿井毛煤的洗选加工是一个复杂的过程，工艺流程复杂、管理环节多、数据的统计和分析工作量大。实现数据的采集、传递的快捷、准确，从毛煤到商品煤再到煤泥水等检测数据的及时反馈，成为现代化选煤厂的发展趋势[4]。集控系统不仅能保证选煤系统生产的高效安全性，也为机电检修维护工作留下充裕的时间，保障了设备的正常运行，使选煤系统的运转达到良性循环，同时达到随时能启车、停车、启车后能保证生产平稳、产品质量合格的目的[5]，充分满足市场用户需求。 PLC控制技术在选煤厂集控系统中的应用体系结构大致可分为三个层次，即：现场设备层、PLC控制层和监控层。PLC控制层为核心，实现对下层控制和上层通讯；现场设备层通过开关量和模拟量信号与PLC连接，反馈信号至PLC，同时接受执行PLC指令；监控层向操作员反馈PLC收集的现场各项数据，同时获取操作员指令下发至PLC。其应用结构体系大致可以从以下几个方面体现： （1）开关量控制：开关量控制主要用于现场设备的启停车、设备运行状态、集控和就地操作位置等等；选煤厂现场设备启停车遵循逆煤流启车，顺煤流停车的原则，在采用单机手动控制的选煤厂所有现场设备启动时间约为30分钟，而通过集控系统集中启动设备只需要几分钟[6]，从而减少设备启动时间和空载时间，促使选煤厂生产效率的提高；在控制方式上，选煤厂集控系统设计均采用了集中自动启车、就地单启设备和零位（检修位）禁启设备三种方式，当采用集中自动启车方式时，所有设备由集中控制系统统一安排，按照逆煤流启车、顺煤流停车要求启停及联锁逻辑进行自动控制，当使用就地单启设备方式时，设备只能由岗位人员在岗位上进行手动启停，同时设备上下级不具备联锁关系，当使用零位（检修位）禁启设备方式时，无论是集控还是现场都无法启动设备，此方式用于设备检修维护；而在具体功能实现上，采用了两种不同的方法，一种是将控制方式选择的权限交给集控操作员[6]，另一种是将控制方式选择的权限交给现场操作人员[4]，两种方式均可以达到集控启停车的目的。第一种方式倾向于效率，全厂的设备操作全部由集控室掌控，第二种方式倾向于安全，只有在保证现场设备具备集控操作的情况下，集控室才可以进行集控操作，两种方式各有利弊，在集控系统设计时，控制方式的选择主要还是根据选煤厂管理的要求进行。 （2）模拟量控制：如电机频率、压力、密度、液位、流量等这些都是连续变化的，在选煤厂生产过程中需要对这些物理量进行控制，通常使用PID或模糊算法进行控制；例如在三产品重介旋流器选煤过程中，送入旋流器的重介悬浮液的密度、压力、磁性物含量、煤泥含量以及合格介质桶的液位等参数的控制精度直接影响分选效果、产品质量以及重介选煤工艺稳定连续运行，目前最具代表性的

重介悬浮液控制算法分别是郭西进等人提出的重介选煤工艺多参数模糊控制方法[7]，该方法借助Matlab工具箱里的模糊控制编辑器FIS editor得出液位、密度模糊控制规则表，从而实现重介选煤悬浮液密度、液位等参数的控制，目前该算法在兖矿赵楼选煤厂得到很好的应用，而武金龙等人在基于PID算法的密控及桶位平衡调节在龙固选煤厂的应用中[8]，同样达到了参数控制的目的，并且在山东新巨龙能源有限责任选煤厂重介系统中得到很好的应用。PID算法或各类模糊算法，其目的都是对选煤厂生产工艺参数进行模拟量控制，使其参数运行平稳，而各类算法只是其中的一种手段，除了在软件开发中进行研究调试以外，现场传感器和执行器的选择和安装位置也同样的重要。选煤厂模拟量控制的应用在其他选煤工艺中也得到很大的应用，如周双印等在选煤厂主要工艺环节自动化控制现状中[9]论述的TBS分选、浮选工艺、尾煤煤泥水沉降浓缩自动加药对模拟量控制的应用。本论文将就模拟量控制针对东滩选煤厂实际情况进行重点研究和设计，旨在为东滩选煤厂建立适合现场情况的模拟量控制方式。 （3）数据采集：在选煤厂生产过程中需要采集大量数据进行分析以便指挥后期生产，如电机温度、振动筛激振器温度、皮带秤数据、灰分仪数据、仓位仪数据等，这些数据需要PLC通过4-20mA信号或脉冲信号采集到CPU中进行处理，最终显示到操作员终端上；如皮带秤数据的采集，通过使用仪表本身提供标准的4-20mA信号和吨脉冲的传输方式，接入到选煤厂的PLC系统中，由PLC采集处理计量数据，通过上位组态软件，将数据整理、汇总、统计，使用PLC采集数据不但可以免除购买皮带秤厂家的通讯模块、工控机及专用程序，还避免了以后皮带秤更换厂家带来的兼容性问题，避免了重复投资，同时使得数据处理方面更加灵活、便捷、实用。 （4）联网通讯：选煤厂生产工艺设备中，有部分设备具有单机自动化功能，这时候就需要使用PLC控制技术的通信功能，传统选煤厂集控使用的PLC控制系统，以现场总线构建工业网络，现场总线在早期的集控系统中，由于实现了全数字化技术，极大地简化了现场的布线工作量，并使系统检测和控制单元的分布更加合理，从而在早期的选煤厂集控系统中得到了很大的应用和推广[10]，而目前随着工业自动化和信息化的发展，工业以太网技术已经趋于成熟，并具有全开放、价格低廉、可靠稳定、通信速率高等特点，将工业以太网应用在选煤厂集控中还有以下几个优点[11]： a.以太网具有灵活的扩展功能，在使用中能够针对集控需要进行扩展和改进。 b.以太网全开放的特性使其应用广泛，目前各大PLC厂商的产品都提供有以太网接口，从而保证集控系统与其他第三方系统的互联，对不同厂商的产品进行连接时，接口硬件和通讯工具的费用也随之降低。 c.以太网有着良好的技术容错功能，有效的减少了集控系统的故障率，从而提高选煤厂生产效率。 本论文设计的选煤厂集控系统就是建立在以太网基础上的冗余工业网络，而东滩选煤厂的原煤运输流程和商品煤储装运流程则采用的是西门子的PROFIBUS-DP现场总线网络，现场总线网络和冗余工业以太网络互联通信是本次设计的重点也是关键点。 （5）人机交互：即实时动态监控画面，PLC控制层通过开关量控制、模拟量控制、数据采集、联网通信与现场设备进行交互，最终都要以实时动态监控画面的形式通过工业计算机表现在操作员的桌面上，实时动态监控画面使用上位组态软件实现，国内外常用的组态软件有：IFIX、InTouch、组态王和WINCC[12]- [15]，其主要功能可以归纳为以下几点： a.画面显示：将现场设备以图形的形式表示出来，或用静态变色，或用动态方式表现现场设备的状态，同时显示出PLC采集的各类数据；随着软件技术的发展，目前各类组态软件生成的画面更加美观、形象、实用； b.指令下发：操作员通过计算机键盘和鼠标下达操作指令，组态软件负责传达指令至PLC，再由PLC经过程序处理最终反应的现场设备上；大部分组态软件内置了高级语言脚本，通过对脚本的二次开发与SQL数据库和Excel软件进行数据互传，从而实现复杂报表的自动生成、打印等自定义功能[16]。同时还可以利用脚本功能实现对PLC数据的批量处理。 c.数据存档：数据存档功能主要是将PLC采集的各类开关量和模拟量数据进行存档、查询； d.实时报警：现场设备的各类信号通过PLC的处理分析，对于异常信号则通过上位组态进行报警，报警的表现形式分为两种，一是在画面中显示报警图形通过视觉反应给操作员，二是通过计算机声音输出到音响，通过听觉反应给操作员。同时各类报警记录可以存档并查询。 3 论文的社会经济效益 东滩选煤厂新工艺集控系统的应用实现了智能化、自动化，合理的分配了设备的启动时间，从而减少设备启动时间和空载时间，促使选煤厂生产效率的提高，同时也为机电检修维护工作留下充裕的时间，节省了设备的维护和操作的时间，提高了工作效率，相应地可以减少负责维护和操作人员的数量，从而达到了减员增效的效果，为东滩选煤厂节省了开支，降低了成本。 4 课题研究内容和研究方法 4.1研究内容 （1）兖矿东滩选煤厂新建工艺集控系统的设备集成、系统设计、软件开发、调试； （2）实现新建集控系统采用的冗余工业以太网与原选煤厂集控系统现场总线网络互联通信； （3）单机自动化设备接入到集控系统并实现监控功能； （4）实现重介旋流器密度自动控制； 4.2研究方法 （1）通过与洗煤厂工艺和机电工程师讨论，得出整个集控系统的开发要求，保证整个集控系统的可靠性，可操作性； （2）根据工艺和操作人员的需求，确定集控操作方式； （3）使用德国西门子s7-407H系列CPU构建冗余PLC系统，西门子WINCC组态软件进行上位组态； （4）深入研究西门子PLC工业网络，实现PROFIBUS与工业以太网的数据交换，实现新老系统下的设备相互闭锁及各类数据的采集； 5 论文工作量估计和进度 2014年5月—2014年8月 搜索查阅文献及现场调研 2014年9月—2014年12月 集控系统设计及硬件选型 2014年12月—2015年3月 现场安装及系统程序开发 2015年4月—2015年5月 系统集成及现场调试 2015年5月—2015年7月 撰写论文，提交盲评 本论文估计需参考文献约50个，总字数约4万字，其中关键技术和方法约为3个。 6 参考文献 [1] 张文华. PLC的发展及在工业生产中的应用[J]. 黑龙江科技信息，2014（34）： 59 [2] 顾硕. 谈PLC市场的现状与未来[J]. 自动化博览，2014（08）：34-39 [3] 李艳. 浅析选煤厂集控系统的设计[J].科技创新导报，2014（11）：50 [4] 徐康. PLC在选煤厂中的应用[D].山东济南市：山东大学，2012年 [5] 邱广雷. 斜沟煤矿选煤厂集控操作系统的应用研究[J].洁净煤技术，2014（6）： 83-88 [6] 李彦乐. 选煤厂集中控制系统的研究与设计[D]. 安徽省淮南市：安徽理工大 学，2009年 [7] 郭西进.高警卫.岳广礼，等，重介选煤工艺多参数模糊控制方法研究[J]，工矿 自动化，2012（9）：1-4 [8] 武金龙.王焕忠.侯瓒学.基于PID算法的密控及桶位平衡调节在龙固选煤厂的 应用[J]，中国高新技术企业，2012（Z1）：180-182 [9] 周双印.黄恒.张道国. 选煤厂主要工艺环节自动化控制现状[J]，矿山机械，2015 （1）：9-12 [10] 马世平. 现场总线标准的现状和工业以太网技术[J]. 机电一体化，2007(03)： 6-13 [11] 李继军. 工业以太网在选煤厂集控系统中的应用探讨[J].科技与企业，2013 （17）：124-125 [12] 陈震.郭楠.张杨. iFIX在选煤厂模型集中控制系统中的应用[J]，煤矿机电， 2014（03）：111-113 [13] 宋勇江.巩伟. 组态王在选煤厂绩效考核中的应用[J]，自动化技术与应用， 2014（03）：122-124 [14] 王冠钧.曹新德.杨磊. 基于InTouch的选煤厂监控系统[J]，煤矿机械，2010 （10）：214-216 [15] 蔡先锋. Wincc组态软件在大足选煤厂的应用[J]，选煤技术，2011（01）：61-63 [16] 朱建军. 基于WinCC的配料监控系统复杂报表的实现[J]，化工自动化及仪 表，2013（12）：109-111，120 第一导师 意 见 导师签名： 年 月 日

第二导师 意 见 导师签名： 年 月 日 研究生院 复 核

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