回坡底選煤廠重介分選過程智能化系統(tǒng)設(shè)計

段福山，董林義，楊 周，李 勇，楊 斌

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000)

回坡底煤礦選煤廠是與回坡底礦井配套的礦井型選煤廠，設(shè)計入洗能力185萬t/年，重介環(huán)節(jié)采用三產(chǎn)品無壓重介旋流器分選工藝流程，分選過程主要存在問題有：正常生產(chǎn)過程中，密控系統(tǒng)補水和分流只能實現(xiàn)集控手動控制，分流開度過大、時間過長，造成密度波動強、合介桶位不穩(wěn)定，同時也影響磁選機回收磁鐵粉，介耗大，集控人員勞動強度大，使重介分選過程質(zhì)量失控。

重介分選過程關(guān)鍵控制變量為補水量和分流量，尤其是分流操作對重介分選過程中懸浮液密度的影響較大。在分流閥開度較大的狀態(tài)下，大部分的介質(zhì)通過磁選機回收后返回到合格介質(zhì)桶中，使桶內(nèi)懸浮液密度增大，為了平衡入料處懸浮液密度，此時補水閥開度也將增大，使密度降低，同時合介桶桶位升高，為了不使合介桶溢出，又需要將分流閥開度大幅度減小。使得整個系統(tǒng)處于一個參數(shù)之間強耦合的動態(tài)平衡中[1]，同時分流控制系統(tǒng)是一個滯后性較強的系統(tǒng)，分流閥開度對于懸浮液密度的影響要經(jīng)過較長的時間才能夠反應(yīng)過來，因此建立合適的數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測是分流控制的關(guān)鍵因素。

目前，采用的自動補水方法為PID控制算法，其控制效果較為理想。自動分流方法應(yīng)與自動補水配合，有模糊控制、粒子群算法、最小二乘支持向量機等[2-5]，但在控制方式上還存在計算與控制相分離、控制響應(yīng)時間較長等問題。整個控制系統(tǒng)較為繁瑣，維護(hù)難度大，軟件間過多的通訊也使得控制實時性得不到保證。因此，設(shè)計一個相對快捷、可移植性強、計算和控制于一體的控制系統(tǒng)對于重介分流控制工藝很有必要。

1 重介過程關(guān)鍵參量耦合特性分析

1.1 煤泥含量、磁性物含量的作用與耦合特性

懸浮液由水、加重劑和煤泥3種物質(zhì)所組成。磁鐵粉含量可采用磁性物含量儀進(jìn)行測試獲得，密度計可測出懸浮液密度，煤泥含量與密度和磁性物含量的數(shù)學(xué)關(guān)系通過建?？梢垣@得。重介懸浮液在分選過程中不僅需要密度穩(wěn)定，更需要煤泥含量穩(wěn)定，這是保證重介分選設(shè)備分選精度和分選產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的雙重條件。

不同分選密度，在同等固體體積濃度下，分選密度越高，懸浮液煤泥含量變化的范圍越小。以固體體積濃度不高于30%為例，懸浮液密度為1.45 g/cm3時煤泥含量為0～48%，而當(dāng)懸浮液密度為1.60 g/cm3時，煤泥含量為0～36%，急劇降低了12%.

控制重介懸浮液的磁性物含量或煤泥的方法是通過調(diào)整分流閥開度實現(xiàn)的，這是分流閥動作的第一個因素。同時可以看出，通過調(diào)整分流，在提高磁性物含量、降低煤泥含量的同時，重介懸浮液密度也增加了，可見分流實現(xiàn)降低煤泥含量的同時和密度控制具有耦合特性。

1.2 合介桶液位在密度控制中的作用與耦合特性

在正常重介選煤生產(chǎn)過程中，合介桶內(nèi)液面，應(yīng)該保持在合介桶位的中間部位。也就是說，對合介桶的液位應(yīng)有高低限位。當(dāng)懸浮液密度達(dá)到規(guī)定值的要求時，一般情況下合格介質(zhì)桶內(nèi)液面的高低取決于系統(tǒng)中磁鐵礦粉的總量。

液位過高，說明合格懸浮液的密度變小而不合格，且當(dāng)停止生產(chǎn)時由于管道和分選器中的介質(zhì)回流，會引起介質(zhì)桶溢流，造成介質(zhì)損失，應(yīng)加大分流量，使之濃縮。液位過低，說明磁鐵礦粉總量過少，同時也會使合介輸送到分選器時壓力難以保證，影響正常生產(chǎn)，應(yīng)添加新的磁鐵礦粉或者補加一定的濃介。

在正常生產(chǎn)過程中，合格介質(zhì)桶的液位應(yīng)是比較平穩(wěn)、緩慢的逐漸下降。但是對于異常工況，則表現(xiàn)為合格介質(zhì)桶的液位上升，這表明系統(tǒng)有多余的水補進(jìn)，為了維持正常分選過程，需要通過分流的方式平衡進(jìn)入合格介質(zhì)桶中多余的水量，這就產(chǎn)生了第二個分流閥動作的原因。同時可以看出，通過調(diào)整分流，在降低合介桶液位的同時，密度也增加了，可見分流實現(xiàn)降低液位的同時和密度控制也具有耦合特性。

1.3 自動補水閥的作用與耦合特性

補水閥的PID自動控制方法應(yīng)用效果較為理想，補水閥開度可體現(xiàn)重介懸浮液密度信息。根據(jù)補水閥控制特性，當(dāng)閥位處于較小開度時，表明合格介質(zhì)桶內(nèi)的懸浮液密度已經(jīng)比較低，可考慮提前進(jìn)行分流，以維持合格介質(zhì)桶內(nèi)較高的密度值，維持自動補水的PID控制器的正常動作。反之，當(dāng)自動補水閥閥位處于較大開度時，表明合介桶內(nèi)的密度值處于較高值，此時可減少分流閥的開度，減少系統(tǒng)的補水量，相當(dāng)于預(yù)測控制，提前動作，同時使得系統(tǒng)具有較好的控制環(huán)境。這是第3個分流閥動作的原因。同時可以看出，通過調(diào)整分流，在控制補水閥開度的同時，密度也發(fā)生了變化，可見分流實現(xiàn)預(yù)先控制密度的同時和密度控制也具有耦合特性。

從上述分析可以看出，實現(xiàn)自動分流主要考慮降低煤泥含量、維持合介桶合理液位、調(diào)整自動補水閥開度3個因素，同時這3個因素和密度自動控制具有耦合特性。因此，在自動補水和自動分流之間找到平衡，必須采用解耦技術(shù)。

2 PID補水+ LS-SVM分流重介分選過程智能控制方法

通過對密度控制系統(tǒng)的分析可以看出，密度控制系統(tǒng)是一個多輸入(密度值、磁性物含量給定、桶位和自動補水閥開度給定)和多輸出(自動補水閥和自動分流閥)系統(tǒng)，采用單純的PID控制器無法解決問題。

對于補水閥開度，采用PID控制實現(xiàn)，對于分流閥開度，其開度由磁性物含量、合介桶液位、補水閥開度、重介懸浮液密度等多因素決定，由于各影響因素與分流閥開度之間難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，是一個非線性、強耦合的系統(tǒng)，因此，采用最小二乘支持向量機(LS-SVM)進(jìn)行模型建立。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)框圖

3 基于Spring Boot架構(gòu)的重介分選智能控制系統(tǒng)設(shè)計

重介分選過程智能控制系統(tǒng)整體架構(gòu)由感知層、控制層、應(yīng)用層3部分構(gòu)成。感知層中的傳感器采集桶位、密度、磁性物含量等數(shù)值，控制層中PLC進(jìn)行收集之后通過Modbus TCP通訊將數(shù)據(jù)存儲在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過計算后返回自動分流的開度和補水閥開度兩個返回值，再通過PLC返回給分流閥和補水閥進(jìn)行自動控制。

應(yīng)用層采用了MVC框架實現(xiàn)WEB服務(wù)器開發(fā)，由于傳統(tǒng)的Spring框架配置更為復(fù)雜、部署配置過程更為繁瑣、影響開發(fā)效率，而Spring Boot技術(shù)的出現(xiàn)減少了以往復(fù)雜繁瑣的部署流程，能夠快速便捷的構(gòu)建項目，使用AOP和Ioc技術(shù)實現(xiàn)了組件之間的松耦合性，解決了第三方技術(shù)集成難度大等一系列問題。因此，利用Spring Boot技術(shù)快速便捷完成WEB項目搭建的框架，配合MVC框架實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)模塊和視圖顯示之間的解耦，同時使用Maven工具倉庫管理項目的依賴、編譯、文檔等信息，提供了starter簡化Maven配置，通過項目對象模型(Project Object Model，POM)進(jìn)行項目相關(guān)功能的運作，完成了基于Spring框架的自動配置。Spring Boot還支持項目的熱部署，對于工業(yè)實時控制系統(tǒng)來說，無需停止服務(wù)器便可以對項目進(jìn)行修改，使得該系統(tǒng)在調(diào)試修改過程中最大化地減少對生產(chǎn)的影響，是一種便捷高效的部署方式。

系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2.

圖2 Spring Boot自動分流控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)功能設(shè)計與應(yīng)用

在回坡底選煤廠建立重介分選過程智能控制平臺，功能設(shè)計見圖3.

圖3 重介分選過程智能控制平臺示意圖

重介分選過程智能控制平臺采用高性能服務(wù)器雙機冗余系統(tǒng)，配置UPS不間斷電源，安裝在集控室，用于實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、算法開發(fā)、控制下位、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。該平臺與配電室PLC建立通訊。PLC現(xiàn)場采集現(xiàn)有密度計、液位計、磁性物含量儀、旋流器入料壓力等傳感器數(shù)據(jù)。現(xiàn)場改造分流執(zhí)行機構(gòu)，安裝在脫介篩下合格介質(zhì)管道處。

重介分選過程智能控制平臺Web發(fā)布的遠(yuǎn)程控制界面見圖4.

圖4 重介智能控制平臺Web遠(yuǎn)程控制界面圖

圖4所示W(wǎng)eb發(fā)布界面，可利用計算機Web應(yīng)用打開實現(xiàn)遠(yuǎn)程授權(quán)登錄，隨時隨地對重介分選過程進(jìn)行監(jiān)測、控制，提高重介分選分選過程運行高效性。

回坡底選煤廠重介分選過程智能控制系統(tǒng)通過一段時期的運行，可實現(xiàn)自動分流與自動補水無擾切換，實現(xiàn)了密度高精度控制、桶位穩(wěn)定控制、煤泥含量穩(wěn)定控制。在精煤灰分合格的前提下，精煤產(chǎn)率提高0.2%以上，介耗降低0.2 kg/t原煤以上。

5 結(jié) 論

通過研究重介分選過程智能化控制，分析了重介過程各參量耦合特性，設(shè)計了自動補水與分流控制方法，并建立了感知層、控制層、應(yīng)用層的重介選煤全過程智能控制架構(gòu)與平臺，實現(xiàn)了選煤全過程的智能監(jiān)測、智能控制、智能優(yōu)化、智能遠(yuǎn)程運維等。該研究成果將進(jìn)一步提升現(xiàn)有重介分選過程智能化水平，穩(wěn)定重介懸浮液密度和懸浮液內(nèi)的煤泥含量，提高分選效果、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高精煤回收率，降低介質(zhì)消耗的效果，同時降低工作人員的勞動強度。