基于PID算法的密控及桶位平衡調(diào)節(jié)在龍固選煤廠的應(yīng)用

武金龍 王煥忠 侯瓚學(xué)

摘要：文章著重介紹數(shù)字PID調(diào)節(jié)器在山東新巨龍能源有限責(zé)任選煤廠重介系統(tǒng)中，結(jié)合北京通尼科技的密度計(jì)傳感器與韓國泰克的氣動(dòng)電控閥、美國進(jìn)口E+H壓力傳感器，進(jìn)行密控及桶位平衡調(diào)節(jié)，從而提高該重介洗選系統(tǒng)的效率，并更好地控制洗選指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：PID調(diào)節(jié)器；合介密度；桶位平衡；靜壓式液位計(jì)；桶位補(bǔ)水閥；重介系統(tǒng)

中圖分類號：TD928 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）31-0172-03

針對選煤廠合介密度及桶位平衡控制自動(dòng)化，龍固選煤廠引入基于數(shù)字PID算法的調(diào)節(jié)。改造范圍包括上位機(jī)、PLC、旋流器入料口壓力表、密度計(jì)、合介泵泵前補(bǔ)水閥、桶位補(bǔ)水閥、靜壓式液

位計(jì)。

1 改造必要性分析

1.1 調(diào)度室方面

改造前龍固選煤廠的重介系統(tǒng)密度及桶位調(diào)節(jié)純粹為手動(dòng)方式，集控員需要時(shí)刻關(guān)注上述參數(shù)指標(biāo)的變化，并適當(dāng)進(jìn)行人工調(diào)節(jié)以控制系統(tǒng)密度穩(wěn)定及桶位平衡，作為調(diào)度中心的集控室還需要兼顧處理各個(gè)崗位反饋的現(xiàn)場問題信息，工作量特別大且非常緊湊。

1.2 生產(chǎn)車間現(xiàn)場

改造前使用的密度計(jì)由于使用時(shí)間過長，儀表老化，傳感器不穩(wěn)定，反饋回的密度值不準(zhǔn)確，現(xiàn)場補(bǔ)水閥等均為電控閥，反應(yīng)速度相比氣動(dòng)閥要慢，在日常頻繁的調(diào)節(jié)過程中且易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致選煤過程中指標(biāo)難以更好地控制，影響生產(chǎn)質(zhì)量?，F(xiàn)場部分壓力表為現(xiàn)場顯示，未引入到集控室，且有個(gè)別壓力表出現(xiàn)故障，示數(shù)不準(zhǔn)確，造成調(diào)度中心不能及時(shí)準(zhǔn)確方便地觀察控制該參數(shù)。

為了科學(xué)有效地提高調(diào)度中心集控室的工作效率，提高密度測量的準(zhǔn)確度，減少現(xiàn)場補(bǔ)水閥的故障發(fā)生率，使選煤廠可以更好地控制各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)，達(dá)到高質(zhì)量高效率的運(yùn)營，本次龍固選煤廠重介系統(tǒng)改造采用基于數(shù)字PID的算法控制密度準(zhǔn)確穩(wěn)定和桶位平衡，更換現(xiàn)場密度計(jì)儀表、安裝新壓力傳感器并傳輸信號到集控室便于觀察控制、安裝氣動(dòng)電控閥替換舊的電液閥門。

2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器在龍固選煤廠重介密度控制及桶位平衡系統(tǒng)中的應(yīng)用

重介選煤密控系統(tǒng)的目的就是使測量密度值跟蹤、趨近直至等于設(shè)定值。由于選煤工藝決定了在正常生產(chǎn)過程中合格介質(zhì)的密度呈上升趨勢，故測控系統(tǒng)是通過補(bǔ)加水來實(shí)現(xiàn)控制合格介質(zhì)密度的。

由于水循環(huán)系統(tǒng)中的損耗，車間重介系統(tǒng)桶位整體趨勢為下降，所以增加補(bǔ)水閥實(shí)現(xiàn)桶位平衡。為了控制密度穩(wěn)定，桶位平衡，龍固選煤廠引入了數(shù)字PID調(diào)節(jié)，分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)下，由人工進(jìn)行操作，自動(dòng)下，則通過數(shù)字PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

數(shù)字PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD×de（t）/dt]

式中積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數(shù)為：G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI×s）+TD×s]

其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)，只要合理地調(diào)節(jié)以上三個(gè)參數(shù)即可科學(xué)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)密度調(diào)節(jié)和桶位平衡。

2.1 密度控制系統(tǒng)

為了確保合格介質(zhì)桶的密度穩(wěn)定到工藝所需的要求，在合格介質(zhì)泵出口管道上安裝放射性同位素密度計(jì)來連續(xù)測量密度值，即過程變量PV，通過密度轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mADC信號送給PLC。在PLC內(nèi)部的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，通過對給定值（SP）與過程變量（PV）之間差值（△=SP-PV）的運(yùn)算，輸出到現(xiàn)場的補(bǔ)水閥去控制介質(zhì)的穩(wěn)定。如下圖所示：

2.1.1系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程。在生產(chǎn)過程中，如果系統(tǒng)受到外來干擾而使運(yùn)行工況發(fā)生偏移時(shí)，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器能進(jìn)行必要的操作來抵消干擾的影響，以使運(yùn)行工況恢復(fù)正常。具體調(diào)節(jié)過程分以下兩種情況：

（1）若給定值（SP）大于過程變量（PV），即△為正值，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器經(jīng)過運(yùn)算后輸出到現(xiàn)場，先關(guān)閉加水閥門，在關(guān)閉加水閥門的過程中，若SP=PV，則調(diào)節(jié)過程結(jié)束，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。如果加水調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉后，給定值（SP）還大于過程變量（PV），則開始打開補(bǔ)水閥（或者說加大該分流箱的開度），直至SP=PV，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

（2）若給定值（SP）小于過程變量（PV），即△為負(fù)值，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器經(jīng)過運(yùn)算后輸出到現(xiàn)場，先關(guān)閉補(bǔ)水閥，在關(guān)閉補(bǔ)水閥的過程中，若SP=PV，則調(diào)節(jié)過程結(jié)束，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)；如果補(bǔ)水閥完全關(guān)閉后，給定值（SP）還小于過程變量（PV），則開始打開加水調(diào)節(jié)閥（或者說加大該閥門的開度），直至SP=PV，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上面，可以將調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)無擾切換，當(dāng)系統(tǒng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行手動(dòng)操作，保證合格介質(zhì)密度的穩(wěn)定，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.1.2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)。通過以上的調(diào)節(jié)過程可以看出：補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥在合理的PID參數(shù)調(diào)節(jié)下，可以保證合格介質(zhì)桶的密度在調(diào)節(jié)過程中處于非常緩慢的變化過程當(dāng)中，不至于出現(xiàn)快速波動(dòng)；被調(diào)參數(shù)：合格介質(zhì)桶的密度；調(diào)節(jié)參數(shù)：閥門開度；調(diào)節(jié)對象：氣動(dòng)電控補(bǔ)水閥。

2.2 液位控制系統(tǒng)

為了確保各桶的液位穩(wěn)定到工藝所需的要求，在桶上安裝靜壓式液位計(jì)來連續(xù)測量桶位值（即過程變量PV），測量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mADC信號送給PLC。在PLC內(nèi)部的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，通過對給定值（SP）與過程變量（PV）之間差值（△=SP-PV）的運(yùn)算，輸出到現(xiàn)場的補(bǔ)水閥。

2.2.1 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程。在生產(chǎn)過程中，如果系統(tǒng)受到外來干擾而使運(yùn)行工況發(fā)生偏移時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能進(jìn)行必要的操作來抵消干擾的影響，以使運(yùn)行工況恢復(fù)正常。具體調(diào)節(jié)過程分以下兩種

情況：

（1）若給定值（SP）大于過程變量（PV），即△為正值，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器經(jīng)過運(yùn)算后輸出到現(xiàn)場，先打開補(bǔ)水閥，在打開執(zhí)行器的過程中，若SP=PV，則調(diào)節(jié)過程結(jié)束，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

（2）若給定值（SP）小于過程變量（PV），即△為負(fù)值，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器經(jīng)過運(yùn)算后輸出到現(xiàn)場，先關(guān)閉補(bǔ)水閥，在關(guān)閉補(bǔ)水閥的過程中，若SP=PV，則調(diào)節(jié)過程結(jié)束，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.2.2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)。通過以上的調(diào)節(jié)過程可以看出：在合理的PID參數(shù)調(diào)節(jié)下，上位機(jī)控制PLC輸出到現(xiàn)場閥門開度的值，有效地控制各桶的液位，使得系統(tǒng)保持平衡；被調(diào)參數(shù)：各桶的液位；調(diào)節(jié)參數(shù)：閥門開度；調(diào)節(jié)對象：氣動(dòng)電控補(bǔ)水閥。

3 本次改造重介選煤密控及桶位平衡系統(tǒng)的特點(diǎn)

GEPLC將現(xiàn)場采集的旋流器入選壓力、氣動(dòng)補(bǔ)水閥開度、合格介質(zhì)密度、桶液位信號采集到PLC的模擬量模塊，再經(jīng)過CPU處理，上傳到上位機(jī)上。上位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，以便于指導(dǎo)生產(chǎn)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的查詢，并控制現(xiàn)場儀表各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)以達(dá)到生產(chǎn)要求。現(xiàn)將本次重介系統(tǒng)改造總結(jié)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)合格介質(zhì)密度的自動(dòng)測量、顯示，并根據(jù)密度的設(shè)定值控制加水閥門的開度以實(shí)現(xiàn)密度值的穩(wěn)定。采用的是北京通尼科技的密度計(jì)傳感器，密度控制精度為設(shè)定值±0.01g/cm?，且數(shù)值準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度高。

（2）實(shí)現(xiàn)重介旋流器入口壓力的自動(dòng)測量、顯示，并通過調(diào)節(jié)旋流器上料泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)旋流器入口壓力的穩(wěn)定控制，測控范圍滿足旋流器分選要求，采用的是美國進(jìn)口E+H壓力表，性能好、耐用性高。

（3）實(shí)現(xiàn)各桶液位的顯示及上、下報(bào)警，采用的是韓國泰克的氣動(dòng)電控閥，反應(yīng)靈敏、耐用、好維護(hù)。

（4）上位機(jī)畫面實(shí)現(xiàn)具有重介系統(tǒng)主要調(diào)節(jié)參數(shù)的趨勢曲線或柱狀圖顯示、報(bào)警等功能，便于調(diào)度中心觀測分析生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

（5）引入了數(shù)字PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)密度和桶位平衡，具有上位機(jī)手動(dòng)及自動(dòng)兩種控制功能，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、科學(xué)性。

（責(zé)任編輯：劉 晶）