浮選藥劑射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張志偉

(1.天地科技股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

浮選藥劑射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張志偉1,2

(1.天地科技股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

為提高浮選藥劑添加的精確度和分散程度，根據(jù)浮選藥劑射流乳化裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝流程需求，確定主要參控環(huán)節(jié)，并結(jié)合實(shí)際控制需要確定控制系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成，選用先進(jìn)的計(jì)算方法和控制模式，設(shè)計(jì)出浮選藥劑射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)。射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不但能夠精確控制藥劑添加量，而且功能較多，對(duì)于節(jié)省浮選藥劑，提高藥劑使用效率有著重要作用。

藥劑乳化；自動(dòng)控制系統(tǒng)；分散程度

就目前國(guó)內(nèi)外的煤泥分選工藝而言，浮選是分選細(xì)煤泥的最佳工藝。浮選效果的好壞是多個(gè)因素影響的結(jié)果，這些因素之間相互聯(lián)系，相互影響，只有實(shí)現(xiàn)最佳組合，才能獲得最好的浮選效果。影響浮選效果的主要因素有煤泥的性質(zhì)、浮選設(shè)備性能、浮選藥劑的種類與配比、浮選工藝流程、藥劑的分散程度等，其中藥劑的分散程度是一個(gè)很重要的因素，直接影響煤泥浮選效果和藥劑使用效率。

目前選煤廠使用的浮選藥劑主要是油性藥劑，采用一般方法很難使其在礦漿中實(shí)現(xiàn)良好的分散。乳化處理是提高浮選藥劑在礦漿中分散程度的有效方法，現(xiàn)場(chǎng)通常借助乳化設(shè)備提高浮選藥劑的分散程度，其中基于循環(huán)水射流的浮選藥劑射流乳化裝置是使用最普遍、最有效的裝置[1-3]。該裝置已在多個(gè)選煤廠得到成功應(yīng)用，但其定量給藥的缺陷易出現(xiàn)藥劑超量使用的現(xiàn)象，同時(shí)由于其缺少配套的藥劑分散裝置，導(dǎo)致藥劑分散效果較差，不但造成藥劑的大量浪費(fèi)，而且影響煤泥浮選效果和后續(xù)的煤泥水處理。因此，亟需研制一套浮選藥劑射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)，以提高浮選藥劑添加的精確度和分散程度。

1 主要參控環(huán)節(jié)的確定

浮選藥劑射流乳化裝置的作用是在高速射流作用下，使藥劑高度分散，形成霧狀氣溶膠，從而增加藥劑與礦漿的接觸面積，實(shí)現(xiàn)藥劑使用效果的最大化。浮選藥劑射流乳化裝置主要由水箱、高壓水泵、壓力表、射流管、藥劑箱、藥劑乳化桶組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 射流乳化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)和工藝流程結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)需求，需要在整個(gè)流程環(huán)節(jié)增設(shè)必要的傳感器和控制設(shè)備，主要需要增加計(jì)量、變頻、監(jiān)測(cè)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤泥浮選效果、藥劑乳化效果的監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的自動(dòng)閉環(huán)控制[3]。

(1)射流水泵的控制。首先為射流水的高壓水泵加裝變頻器，并設(shè)定水泵的最佳射流壓力，根據(jù)壓力傳感器的反饋，實(shí)時(shí)PID調(diào)節(jié)水泵頻率，進(jìn)而調(diào)整水泵水量和射流水壓力。當(dāng)射流水壓力和水量達(dá)到最佳值時(shí)，保持水量、壓力穩(wěn)定，以保證浮選藥劑的乳化效果。

(2)藥劑添加控制。針對(duì)藥劑的添加功能，通過(guò)上位機(jī)專家控制系統(tǒng)直接生成最佳的藥劑配比，根據(jù)處理量確定各種藥劑的添加量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更改給藥量和給藥量的節(jié)約化。

(3)藥劑乳化效果與浮選效果監(jiān)測(cè)。對(duì)浮選藥劑乳化效果和浮選效果兩部分進(jìn)行實(shí)時(shí)攝像監(jiān)測(cè)，根據(jù)反饋圖像進(jìn)一步調(diào)節(jié)射流水壓力和水量，使藥劑乳化效果處于最佳狀態(tài)；同時(shí)根據(jù)反饋圖像的監(jiān)測(cè)，優(yōu)化浮選藥劑用量和添加頻率，形成基于專家系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)真正的浮選藥劑乳化與添加的自動(dòng)控制。

2 射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)上位自控的實(shí)現(xiàn)

確定浮選藥劑乳化和相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)硬件后，就需要在硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行上位機(jī)的控制、整體基于PLC硬件的PID控制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2.1 上位機(jī)控制

上位機(jī)的控制主要由兩部分組成，即人/機(jī)交互系統(tǒng)的建立和專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建立[4]。

2.1.1 人/機(jī)交互界面的建立

基于組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)人/機(jī)交互界面(圖2)，通過(guò)組態(tài)王軟件、PLC及整體硬件系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和回路控制，同時(shí)基于組態(tài)王系統(tǒng)建立專家數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)試驗(yàn)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)將對(duì)應(yīng)煤泥的單位濃度加藥量錄入專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)可以直接調(diào)用相關(guān)參數(shù)，并在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)自動(dòng)控制對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，從而保證系統(tǒng)的控制精度和合理性。

圖2 人/機(jī)交互界面

通過(guò)人/機(jī)交互界面可以直接地觀察藥劑乳化效果和起泡效果，及時(shí)根據(jù)圖像反饋調(diào)節(jié)水泵壓力和給藥量的具體參數(shù)，并通過(guò)下位PLC中的PID調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行最終設(shè)定值的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

2.1.2 專家數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

該數(shù)據(jù)庫(kù)為單一數(shù)據(jù)形式的數(shù)據(jù)庫(kù)，直接按照煤質(zhì)情況對(duì)比給藥量來(lái)按照相對(duì)固定的比例建立數(shù)據(jù)庫(kù)。組態(tài)王軟件可直接使用SQL語(yǔ)言編程，直接調(diào)用SQL Server的內(nèi)置數(shù)據(jù)即可?；赟QL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，可直接后臺(tái)運(yùn)行SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，方便上位軟件直接訪問(wèn)，隨時(shí)后臺(tái)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。

SQL作為一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)其具有的數(shù)據(jù)交互作用，人/機(jī)界面可隨時(shí)同步調(diào)用數(shù)據(jù)。根據(jù)對(duì)應(yīng)煤質(zhì)的參數(shù)，直接調(diào)用對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)配比，對(duì)PID控制初期的震蕩和超調(diào)起到充分的抑制作用，保證控制的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性；同時(shí)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，使其在生產(chǎn)中進(jìn)一步得到充實(shí)，為后續(xù)生產(chǎn)提供專家數(shù)據(jù)支持[5]。

2.2 PID控制

對(duì)于不同的浮選藥劑通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)選用不同配比，設(shè)定初期的給藥量，通過(guò)PLC內(nèi)置PID控制模塊進(jìn)行定量控制。為了提高控制精度且實(shí)現(xiàn)無(wú)縫閉環(huán)控制，通過(guò)上位機(jī)和PLC對(duì)反饋值進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算值轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)，輸入給定量給藥泵；PLC模糊PID控制通過(guò)傳遞的數(shù)據(jù)和上位機(jī)的命令來(lái)控制給藥泵的頻率，實(shí)現(xiàn)定量給藥和PID實(shí)時(shí)給藥的雙重控制。通過(guò)PID多次微量調(diào)整給藥量，逐步消除理論值與實(shí)際值之間的振蕩，使實(shí)際給藥量無(wú)限地接近理論給藥量，從而達(dá)到最佳的藥劑使用效果；將反饋數(shù)據(jù)通過(guò)485通訊接口(或模擬量傳輸)傳遞給上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)在計(jì)算機(jī)中通過(guò)邏輯計(jì)算將PID系數(shù)和計(jì)算結(jié)果傳遞給專家數(shù)據(jù)庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)分析后直接錄入，使PLC具有自我學(xué)習(xí)的功能，同時(shí)為以后的控制提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再遇到類似數(shù)據(jù)控制時(shí)可直接調(diào)用，避免反復(fù)控制，且能提高控制精度。

在該環(huán)節(jié)PID調(diào)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用，調(diào)節(jié)PID的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，兼顧其帶載能力和抗干擾能力；并且PLC模糊PID控制儀采用比例積分控制項(xiàng)，使控制系統(tǒng)增加了一個(gè)零積點(diǎn)，使其成為一階或多階系統(tǒng)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差趨于零[6]。根據(jù)控制對(duì)象的不同，PID控制系數(shù)也隨之發(fā)生變化，控制系數(shù)是通過(guò)PID參數(shù)控制率的計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證得出的，通過(guò)多次驗(yàn)證，最終使PID控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定、精確控制的目的。

3 射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 精確控制藥劑添加量

該系統(tǒng)在藥劑乳化的基礎(chǔ)上加入了自我調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了藥劑乳化系統(tǒng)的整體控制；同時(shí)，上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)自我學(xué)習(xí)功能，可為生產(chǎn)提供更多、更具體的數(shù)據(jù)參考；此外，專家數(shù)據(jù)庫(kù)的使用和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步，減少了自動(dòng)控制的調(diào)節(jié)擾動(dòng)和超調(diào)[7-8]。

射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠使藥劑添加量得到精確控制，也能提高工藝系統(tǒng)的可靠性和可控性，為長(zhǎng)期的連續(xù)生產(chǎn)提供有力保障。從多次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該控制系統(tǒng)投入使用后，可節(jié)省10%的藥劑用量。

3.2 功能多樣化

通過(guò)加入浮選效果、乳化效果監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠更直觀的展現(xiàn)系統(tǒng)使用效果，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，有效解決需要人工現(xiàn)場(chǎng)值守的問(wèn)題，對(duì)于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、增強(qiáng)勞動(dòng)防護(hù)、節(jié)約人工費(fèi)用起到關(guān)鍵性的作用。

該系統(tǒng)具有對(duì)應(yīng)煤質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可隨時(shí)查詢、調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考；數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸，為遠(yuǎn)程監(jiān)控和集團(tuán)化生產(chǎn)起到關(guān)鍵的對(duì)接作用，為未來(lái)的移動(dòng)數(shù)據(jù)互聯(lián)和異地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)查詢提供了可升級(jí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

浮選藥劑射流乳化裝置在選煤行業(yè)的應(yīng)用，使煤泥浮選實(shí)現(xiàn)了高效化和高產(chǎn)化；射流乳化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，不但節(jié)省了浮選藥劑，而且提高了藥劑使用效率，為不可再生石化資源的高效利用和礦區(qū)環(huán)境的保護(hù)起到十分重要的作用。

[1] 宋艷欣,王世國(guó).FZR型浮選藥劑自動(dòng)乳化及加藥系統(tǒng)[J]. 選煤技術(shù)，2002(4):43-44.

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Design of automatic control system for jet emulsification device of flotation reagent

ZHANG Zhi-wei1,2

(1. Tangshan Branch of Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2. Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012, China)

To add flotation reagent accurately and make them disperse availably, based on structural features and technological process of jet emulsification device of flotation reagent, major control points of the system are determined; and then according to actual operation, determined software and hardware, automatic control system for then jet emulsification device of flotation reagent is designed by advanced computing method and control mode. The application shows that the multifunctional system can control accurately and save dosage of added reagent.

reagent emulsification; automatic control system; dispersion degree

TD948.9

A

1001-3571(2015)04-0072-03

2015-02-17

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.020

張志偉(1981—)，男，河北省唐山市人，工程師，從事電氣工程及其自動(dòng)化方面的研究。

E-mail:delas911@163.com Tel：0315-7759415