重介淺槽分選自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：介紹了重介淺槽分選自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制算法、功能及特點，并分析了該系統(tǒng)在五龍礦選煤廠重介淺槽分選工藝中的應(yīng)用情況。實踐應(yīng)用表明：重介淺槽分選自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，易于維護(hù)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：重介淺槽分選；自動控制系統(tǒng)；密度控制；模糊算法

五龍煤礦選煤廠于1957年6月建成投產(chǎn)，采用篩分--手選工藝，年原煤處理能力為150萬噸。經(jīng)過多次擴(kuò)能改造和工藝完善后，生產(chǎn)能力達(dá)到300萬t/a。隨著煤層賦存條件的變化及綜采技術(shù)的應(yīng)用，入洗原煤煤質(zhì)變差，原煤矸石含量越來越大，原煤生產(chǎn)系統(tǒng)存在的問題越來越突出，尤其是準(zhǔn)備車間的篩分破碎工藝已無法滿足正常的排矸要求，排矸效率低，帶煤損失嚴(yán)重，制約了礦井與選煤廠的生產(chǎn)。為了適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的需求和煤質(zhì)與市場的變化，五龍礦選煤廠在充分調(diào)研、論證的基礎(chǔ)上，對原煤車間進(jìn)行技術(shù)改造，采用了粗煤泥分選和XZQ1635型重介質(zhì)淺槽排矸工藝，并對其系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，從而使原煤分選過程全面實現(xiàn)自動化，達(dá)到提質(zhì)增收的目的。

1.重介淺槽自動控制系統(tǒng)

1.1硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)重介淺槽分選工藝的要求，考慮到數(shù)字量、模擬量處理量大，電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、閥門操作頻繁，大功率變頻器控制要求高，供電電源受變頻諧波干擾，順控程序復(fù)雜且需要靈活調(diào)整等因素，選用西門子公司S7-300系列模塊化PLC和ET200M 分布式I/O構(gòu)建控制系統(tǒng)。其中，CPU為315-2DP， I/O模塊按帶電熱拔插設(shè)計，每個I/O模塊均安裝在熱插拔底板模塊上，更換任意一個I/O模塊時都不會影響其他模塊的正常工作。CPU、分布式I/O模塊設(shè)置在配電室的威圖柜內(nèi)，PLC接地需單獨做儀表接地極，與電氣地完全隔離。機(jī)柜中的PLC系統(tǒng)直流電源采用1+1冗余設(shè)計，直流電源允許并聯(lián)使用，而且不必停機(jī)即可更換。PLC系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一由長延時的在線式UPS供電，現(xiàn)場的一次儀表信號通過信號隔離器接人相應(yīng)的模擬量模塊通道，AO模擬量輸出信號經(jīng)信號隔離器隔離后控制變頻器、電動調(diào)節(jié)閥門、電動執(zhí)行器等現(xiàn)場控制設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備的工作、故障狀態(tài)DI信號經(jīng)中間繼電器隔離后接入數(shù)字量模塊通道，DO信號經(jīng)輸出繼電器控制設(shè)備啟停。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三層結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控管理級（上位機(jī)）、過程控制級（PLC控制器）和現(xiàn)場控制級（現(xiàn)場設(shè)備）。第一層監(jiān)控級采用工程師站和操作員站結(jié)構(gòu)，工程師站/操作員站配置兩套DELL工業(yè)計算機(jī)，采用西門子公司組態(tài)軟件WinCC6.2SP2RT/RC1024實現(xiàn)對淺槽重介選煤過程的實時監(jiān)控。通過計算機(jī)內(nèi)以太網(wǎng)卡和SCALANCE X204-2與CPU315-2DP進(jìn)行TCP/IP以太網(wǎng)通訊， 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)預(yù)留兩個光纖接口，以便于與廠級管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊。第二層是過程控制級， CPU通過ET200M對密度、液位、壓力、磁選尾礦中磁性物含量、頻率、流量、閥位等參數(shù)實時采集，并利用PR0FIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊至工程師站/操作員站的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲和處理。第三層是現(xiàn)場控制級，一方面將設(shè)備電動機(jī)變頻頻率、工作電流、密度、液位等數(shù)據(jù)通訊到主站PLC的寄存器中，另一方面將主站對設(shè)備頻率、壓力、開度、液位、接觸器吸合與斷開的控制數(shù)據(jù)發(fā)到目標(biāo)裝置。

1.2特點

五龍礦選煤廠淺槽重介自動化系統(tǒng)具有如下特點：

（1）系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、可靠。淺槽重介自動化系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計均采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)、控 制算法及完善、可靠的抗干擾技術(shù)，系統(tǒng)投產(chǎn)后一直運行正常。

（2）系統(tǒng)投資費用低。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，利用ET200M遠(yuǎn)程PLC控制分站與現(xiàn)場電氣設(shè)備接線，PLC威圖柜體與低壓配電柜體并柜安裝，既節(jié)省大量纜線投資，又減少了電氣 安裝的工作量。

（3）系統(tǒng)維護(hù)工作量減少，效率得到提高在集控室操作員站計算機(jī)上就可直觀發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備的故障原因，比如接觸器誤動作、變頻器故障、電動機(jī)綜保故障等，大大縮短了設(shè)備維護(hù)時間，提高了工作效率，將影響生產(chǎn)的時間降至最少。

2.控制算法

2.1 PID閉環(huán)控制算法的實現(xiàn)

系統(tǒng)控制點如密度、液位、壓力、頻率等使用PID閉環(huán)控制算法。工程師站中西門子PLC編程軟件采用的是SIMATIC STEP 7 V5. 4 SP3.1，其中的標(biāo)準(zhǔn)庫（Standard Library）中有一個預(yù)定義的SFB41/FB41，就是實現(xiàn)PID閉環(huán)控制算法的功能塊，可直接調(diào)用，調(diào)用時賦予一個背景數(shù)據(jù)塊 （DB塊）即可。

2.2模糊-PI 雙?？刂破髟O(shè)計

淺槽重介變頻排矸等復(fù)雜多變的被控對象采用 PID控制應(yīng)用效果不理想，應(yīng)尋找更有效的控制方法。模糊控制算法能根據(jù)原煤中矸石含量調(diào)整排矸量，最大限度地提高淺槽重介設(shè)備利用率、降低設(shè)備磨損。

傳統(tǒng)的模糊控制器以系統(tǒng)誤差 e 和誤差變化ec 為輸入語句變量，具有類似常規(guī)的比例微分（Proportional Differential，PD）控制器的特性。由于PD 控制器可以獲得良好的動態(tài)特性，但無法消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。而傳統(tǒng)的比例積分（PI）控制器具有很高的穩(wěn)態(tài)精度，并且具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點。

因此，本系統(tǒng)結(jié)合模糊控制器與 PI控制器的各自優(yōu)點采用了一種模糊-PI雙?？刂破鳌Ｆ溆蒔I控制器和基本模糊控制器組成?；灸：刂破髦饕瓿蓪ο到y(tǒng)的非線性控制；PI控制器主要完成當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于零時，保持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換。PI控制器與模糊控制器相結(jié)合的雙模模糊控制器的原理框圖如圖（1）。

圖中的特征識別主要是針對系統(tǒng)的誤差而言：

a. 當(dāng)|e|

b. 當(dāng)|e|>es時，系統(tǒng)處于PI控制器控制模式，以克服當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于零時，模糊控制器可能產(chǎn)生的震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差。

誤差絕對值的設(shè)定es的選取要適當(dāng)。es太大，基本模糊控制器作用的程度較大，要注意克服系統(tǒng)可能引起的震蕩現(xiàn)象；es太小，基本模糊控制器作用的程度較小，它對系統(tǒng)的非線性控制作用不太明顯。

模糊控制器設(shè)計所涉及的五個主要步驟為：模糊化、建立模糊推理規(guī)則、確定規(guī)則信度、選擇關(guān)系生成方法和推理合成算法以及反模糊化。

以密度控制為例：其輸入變量為密度誤差和誤差變化率，輸出變量為電流。

隸屬函數(shù)部分定義了密度誤差和誤差變化率2個變量，這兩個語言變量都包括了5個語言值：NM、NS、ZE、PS、PM。2個輸入變量論域范圍相同，都是[-3 3]，所采用的隸屬函數(shù)也相同，并且每個隸屬函數(shù)都選用等腰直角三角形隸屬函數(shù)，密度誤差、誤差變化率和輸出變量量化因子選為10（實際中，輸入、輸出量化因子Ke、Kec以及輸出比例因子Ku可調(diào)），輸入變量的隸屬函數(shù)如圖（2）：

NM=negative medium（負(fù)中）；NS=negative small（負(fù)小）；NE=zero（零）；PS=positive small（正?。籔M=positive medium（正中）。

模糊規(guī)則表的建立：密度誤差（Theta）和誤差變化率（dTheta）作為模糊邏輯系統(tǒng)的輸入變量。電流作為模糊邏輯系統(tǒng)的輸出變量。這樣，Thera、dThera和電流根據(jù) “if a and b，then c”規(guī)則。

PLC編程軟件SIMATIC STEP 7 V5.4標(biāo)準(zhǔn)庫 （Standard Library ）中沒有模糊控制塊，可根據(jù)模糊算法在PLC里自行編寫模糊控制程序。自行編寫的程序功能完善、靈活、精練，測試完成后封裝成功能塊FC塊（Function Block），方便調(diào)用。編寫模糊控制程序需注意如下問題：手動、自動雙向無擾動切換，以保證手動、自動轉(zhuǎn)換過程中對生產(chǎn)工藝參數(shù)無影響；控制輸出值上下限幅在人/機(jī)界面HMI上可調(diào)整，保證設(shè)備運行在安全范圍內(nèi)；輸入量因子Ke、Kec、輸出比例因子Ku等調(diào)節(jié)參數(shù)在人/機(jī)界面HMI上可調(diào)整，符合現(xiàn)場人員的操作習(xí)慣；模糊控制程序要下載到PLC存儲器中，在 定時中斷中調(diào)用，保證系統(tǒng)自動控制功能的穩(wěn)定、精準(zhǔn)、可靠運行。

2.3模擬量濾波程序

由于重介懸浮液密度、液位、壓力、流量、頻率、閥位反饋等模擬量在運行中受到變頻器等非線 性元件的電源諧波和現(xiàn)場EMC等作用，測量值中夾雜一些干擾信號，影響PID、模糊閉環(huán)控制效 果，為此在硬件上采取信號隔離技術(shù)的同時，在軟件上增加模擬量數(shù)字濾波算法。采取的算法是改進(jìn) 的算術(shù)均值濾波法，即每個模擬量在一個采樣周期內(nèi)采樣N次，首先對這N個數(shù)值進(jìn)行排隊，剔除最大值和最小值，然后對剩余數(shù)值取算術(shù)平均值，做為實際的模擬量采集值。由于N次采樣中連續(xù)幾次受干擾的可能性很小，故可有效地消除隨機(jī)干擾的影響。

3.系統(tǒng)功能

3.1主要控制功能

（1）順序控制功能。淺槽重介分選工藝是一個典型的以時間為基礎(chǔ)，以各個環(huán)節(jié)檢測執(zhí)行為條件的順序控制。自動化系統(tǒng)的功能是完成所有設(shè)備順序、步驟、各控制點及安全聯(lián)鎖等一系列相互關(guān)聯(lián)的操作，每一順序中含有不同的操作步驟和控制要點。設(shè)備集中控制程序嚴(yán)格按國標(biāo)GB50359—2005《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》要求編制，并經(jīng)嚴(yán)格測試合格后投入使用。

（2）重介懸浮液密度控制功能。介質(zhì)密度控制跟蹤精煤產(chǎn)品灰分，灰分高時降低密度，灰分低時提高密度。重介懸浮液密度自動控制是一個以精煤產(chǎn)品預(yù)期灰分下的密度為設(shè)定值，密度實際檢測值為反饋信號，通過調(diào)節(jié)合介與稀介之間分流量，輔助以調(diào)節(jié)合介桶的補水量來實現(xiàn)設(shè)定密度穩(wěn)定的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（3）液位控制功能。合格介質(zhì)桶、磁選尾礦桶設(shè)有液位檢測儀，在PLC控制程序中統(tǒng)一考慮密度和液位的自動控制。當(dāng)重介懸浮液密度達(dá)到要求時，合格介質(zhì)桶液位的高低決定系統(tǒng)中是否補充 磁鐵礦粉。液位過高，合格重介質(zhì)的密度肯定降低，應(yīng)加大分流量進(jìn)行濃縮，此時，密度和液位自動控制的動作一致。

（4）合介泵出口壓力控制功能。合格介質(zhì)泵出口管線上設(shè)有壓力變送器，實時檢測合格介質(zhì)流量的壓力。通過調(diào)節(jié)合介泵的運轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)淺槽重介分選過程中合格介質(zhì)上升流、水平流流量的調(diào)節(jié)，由于合介泵采用變頻調(diào)速技術(shù)，在滿足淺槽重介系統(tǒng)正常生產(chǎn)的前提下達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

3.2系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是一個非常重要的過程，也是不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程。PLC編程軟件SIMATIC STEP 7提供了十分完善的調(diào)試手段，選擇在線監(jiān)控，可十分直觀地觀看程序執(zhí)行情況、網(wǎng)絡(luò)運行情況。由于采用結(jié)構(gòu)化編程，整個自動化系統(tǒng)按工藝流程分為各控制子部分，各個子部分編程為各不相同的系統(tǒng)功能塊（FC塊）。在主程序（OB1） 中可根據(jù)工藝條件調(diào)用各功能塊，分別控制各子部 分的設(shè)備動作，完成系統(tǒng)的工藝需求和控制要求。在出現(xiàn)故障時，通過查詢診斷緩沖區(qū)信息，能很快查明故障原因。可隨時修改功能塊（FC塊）程序，向CPU內(nèi)存下載程序不需CPU停機(jī)即可完成，特別適合中、大型自動化系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)可對 PLC系統(tǒng)采集的密度、壓力、液位、頻率、調(diào)節(jié)閥門開度等模擬量參數(shù)進(jìn)行多次校正，確定設(shè)定參數(shù)，最終達(dá)到最佳效果；系統(tǒng)密度、壓力、液位的控制精度穩(wěn)定在設(shè)定值±0.5%之間，滿足工藝系統(tǒng)要求。

4.應(yīng)用效果

五龍礦選煤廠淺槽重介自動化系統(tǒng)包括設(shè)備集中控制、重介懸浮液密度控制、介質(zhì)桶液位控制、合介泵變頻控制、空壓機(jī)自動控制等。該系統(tǒng)投用后，排矸效率明顯提高，分選密度調(diào)節(jié)范圍寬、精度高、易調(diào)節(jié)，解決了矸石量大制約選煤生產(chǎn)的問題。其配套輔助設(shè)備實現(xiàn)無人值守，減少了操作人員，大幅降低了工人的勞動強度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，洗選能力相應(yīng)提高，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡介：

韓彥春（1983—），女，遼寧阜新人，工程師，碩士研究生，主要從事電力電子、機(jī)電控制等工程設(shè)計方面的研究。