浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張志偉，范鴻卓

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，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；3.哈爾濱華德學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

目前，我國(guó)大部分選煤廠的浮選生產(chǎn)仍在采用人工手動(dòng)添加浮選藥劑，即浮選操作人員結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)觀察浮選尾礦，在對(duì)其分析判斷的基礎(chǔ)上，依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)添加浮選藥劑。隨著浮選在選煤生產(chǎn)中所占比重的增大，其日益受到選煤工作者的重視，與浮選系統(tǒng)相適應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)也得到了一定的推廣與應(yīng)用[1]，浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)是其中應(yīng)用較多的一種。但目前的浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效率和控制精度尚不能完全滿足需要，生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境污染的控制難度較大。為此，根據(jù)傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，對(duì)浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了探索性地優(yōu)化設(shè)計(jì)，在其中引入了泡沫圖像分析儀和專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以期提高控制效率與控制精度。

1 控制參數(shù)的確定

要實(shí)現(xiàn)浮選生產(chǎn)的自動(dòng)化且保證控制精度和控制效率，在浮選工藝確定的條件下，首先要對(duì)影響工藝指標(biāo)的因素進(jìn)行深入分析。在浮選生產(chǎn)過(guò)程中，影響工藝指標(biāo)的因素包括浮選藥劑制度、操作制度、煤泥水特性等[1]，其中煤泥水特性中的礦漿濃度、藥劑制度中的藥劑用量和配比是與自動(dòng)控制有關(guān)的重要因素，也是浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)需要控制的重要參數(shù)。

1.1 藥劑用量與配比

常用的浮選藥劑為起泡劑和捕收劑，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)煤泥性質(zhì)選擇合適的藥劑，并根據(jù)試驗(yàn)確定藥劑最佳用量與配比。藥劑用量與配比不但與浮選效果有關(guān)， 而且與浮選生產(chǎn)成本有關(guān)。

1.2 礦漿濃度

在浮選生產(chǎn)過(guò)程中，影響浮選效果的主要因素之一就是礦漿濃度，而決定礦漿濃度的因素是礦漿中的干煤泥量。因此，只有確定礦漿中的干煤泥量，才能合理加藥，使藥劑的作用處于最佳狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)浮選效果最佳化[2]。

2 浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在確定可控參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體控制原理如圖1所示。由圖1可以看出，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)、精確控制，需要從四個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

2.1 藥劑乳化與自動(dòng)加藥

在浮選生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)入浮礦漿濃度和礦漿通過(guò)量，將其反饋給計(jì)算機(jī)專家數(shù)據(jù)庫(kù)，由其依據(jù)檢測(cè)參數(shù)、煤質(zhì)數(shù)據(jù)等計(jì)算出所需的藥劑用量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬量模糊PID計(jì)算、調(diào)節(jié)后反饋給加藥裝置，使藥劑按最佳用量添加。此外，為了使藥劑使用效果達(dá)到最佳狀態(tài)，在加藥裝置出料端增設(shè)藥劑射流乳化裝置，通過(guò)裝置的打散功能使藥劑更加分散，同時(shí)其表面積進(jìn)一步增大，與礦漿中煤泥接觸更加充分[3]，且有助于節(jié)約藥劑，可使藥劑用量下降20%～30%。

2.2 礦漿濃度的監(jiān)測(cè)

礦漿濃度的穩(wěn)定程度對(duì)系統(tǒng)的控制平穩(wěn)度有著重要影響，為保證浮選機(jī)內(nèi)礦漿濃度處于穩(wěn)定狀態(tài)，采用濃度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入浮礦漿濃度。在礦漿濃度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)模糊PID控制及時(shí)調(diào)整藥劑用量，以減少階躍，實(shí)現(xiàn)控制的平穩(wěn)過(guò)渡，并依據(jù)變化計(jì)算出PID控制參數(shù)，逐步消除誤差。

2.3 浮選液位的控制

利用超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)浮選液位的變化，并通過(guò)自整定模糊PID控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)給料與排料，以保持浮選液面的穩(wěn)定，從而使其處于浮選效果最佳的狀態(tài)。

2.4 浮選效果的監(jiān)測(cè)

采用相關(guān)儀器監(jiān)測(cè)浮選效果是實(shí)現(xiàn)浮選自動(dòng)化的主要手段，但目前多數(shù)選煤廠仍然憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)浮選效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其可靠性顯然不高。為此，在傳統(tǒng)浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)中引入泡沫圖像分析儀，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)分析浮選槽內(nèi)表層泡沫的特征，進(jìn)而反映出浮選生產(chǎn)的穩(wěn)定性和控制情況，從而為及時(shí)調(diào)整浮選工藝參數(shù)提供量化數(shù)據(jù)，也為優(yōu)化控制、專家系統(tǒng)的模型建立提供數(shù)據(jù)支持。

泡沫圖像分析儀能夠準(zhǔn)確提供泡沫真實(shí)的大小、不同大小泡沫的數(shù)量、不同大小泡沫所占的百分比、泡沫的平均移動(dòng)速度、泡沫的平均生命周期、泡沫的RGB彩色特征向量等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的綜合分析結(jié)果即為浮選最優(yōu)控制的判決條件。將其輸出的具體數(shù)據(jù)直接反饋到控制系統(tǒng)中，可為系統(tǒng)的進(jìn)一步控制提供數(shù)據(jù)支持[4]。

3 浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)和控制方案，該控制系統(tǒng)基于上位機(jī)、PLC、濃度計(jì)、流量計(jì)、藥劑定量計(jì)量給料泵、液位計(jì)、排料機(jī)構(gòu)、泡沫圖像分析儀等設(shè)備、儀器實(shí)現(xiàn)整體的硬件架構(gòu)[5](圖2)。

圖2 浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)框圖

該控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)多個(gè)模擬量的采集與控制來(lái)實(shí)現(xiàn)浮選工藝參數(shù)的最終控制。首先基于對(duì)入浮礦漿濃度和礦漿通過(guò)量的監(jiān)測(cè)，計(jì)算出干煤泥量，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，依據(jù)最初制定的專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，直接調(diào)用藥劑用量與配比，按照固定參數(shù)進(jìn)行洗選，并根據(jù)系統(tǒng)反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[6]。

在初期控制相對(duì)穩(wěn)定的同時(shí)，引入泡沫分析儀數(shù)據(jù)，由上位機(jī)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與存儲(chǔ)，并將分析結(jié)果反饋到主控PLC和組態(tài)軟件中，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算后得到最終的控制目標(biāo)和控制量；同時(shí)，將計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入專家控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 輔助系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 人機(jī)交互系統(tǒng)通訊的建立

通過(guò) PLC采集、分析數(shù)據(jù)，將采集的對(duì)應(yīng)傳感器的模擬量數(shù)據(jù)直接傳遞給上位機(jī)軟件，并結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)自我控制[7]。組態(tài)軟件與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)互聯(lián)，便于將生產(chǎn)中的最佳控制參數(shù)實(shí)時(shí)錄入專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。PLC與上位機(jī)組態(tài)軟件基于profibus-dp通訊協(xié)議通訊，利用組態(tài)界面軟件設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、明了的人機(jī)交互界面(圖3)，這有利于觀察整個(gè)控制過(guò)程，便于調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和人員操作[8]。

圖3 上位機(jī)人機(jī)交互界面

此外，上位機(jī)還有一個(gè)圖像采集與分析的數(shù)據(jù)處理界面，其主要作用就是采集圖像數(shù)據(jù)，在對(duì)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算出泡沫圖像數(shù)據(jù)特征量。依據(jù)特征量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立泡沫特征參數(shù)與浮選效果之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而實(shí)現(xiàn)浮選過(guò)程的最優(yōu)控制；參考專家數(shù)據(jù)系統(tǒng)的配比，實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，為專家數(shù)據(jù)系統(tǒng)的更新提供進(jìn)一步參考。圖像數(shù)據(jù)分析界面如圖4所示。

4.2 專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建立

為了進(jìn)一步完善控制系統(tǒng)，適應(yīng)不同煤泥的數(shù)質(zhì)量變化需要，有必要建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)調(diào)用的藥劑用量與配比專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。由于該數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)形式單一，建立相對(duì)簡(jiǎn)單，且考慮到與上位機(jī)數(shù)據(jù)的聯(lián)接與同步，故基于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)組建該數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)試驗(yàn)，總結(jié)出針對(duì)整體工藝系統(tǒng)的最佳藥劑配比和單位干煤泥的藥劑用量，并確定不同煤泥在浮選機(jī)不同分室的藥劑配比，同時(shí)使組態(tài)軟件可以直接調(diào)用該數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫連接，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)的有關(guān)數(shù)據(jù)[9-12]。調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行浮選生產(chǎn)后，依據(jù)圖像分析儀分析所得數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步完善專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，確保達(dá)到最終的控制目的。

圖4 泡沫圖像數(shù)據(jù)分析界面

5 技術(shù)特點(diǎn)

5.1 控制方式與監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)化

與目前應(yīng)用的浮選加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)對(duì)整體控制方式和監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，不但有助于保證生產(chǎn)的連續(xù)性，而且有利于提高控制單元的適應(yīng)性，這為防止控制的超調(diào)提供了保障，進(jìn)而使系統(tǒng)控制更精確、更穩(wěn)定。

5.2 圖像分析儀與上位專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在專家數(shù)據(jù)庫(kù)指導(dǎo)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在控制系統(tǒng)中引入泡沫圖像分析儀，實(shí)現(xiàn)了更細(xì)微的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了浮選精煤的精確回收，這不但有利于藥劑的節(jié)約利用，而且提高了整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；此外，人機(jī)操作界面和圖像分析界面的優(yōu)化及遠(yuǎn)程通訊的實(shí)現(xiàn)，也為遠(yuǎn)程監(jiān)控和集團(tuán)化生產(chǎn)的集中控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)語(yǔ)

浮選生產(chǎn)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)過(guò)程，其中包含有很多復(fù)雜的技術(shù)，隨著智能化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，將有更好的控制模式出現(xiàn)并應(yīng)用于浮選生產(chǎn)。從行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，浮選生產(chǎn)自動(dòng)化是浮選技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其在提高選煤企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益中的作用將會(huì)越來(lái)越大。

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