重介質選煤過程自動測控系統(tǒng)的應用研究

白晉杰

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036600）

引言

在重介質選煤過程中，重介質懸浮液密度、煤泥含量和合格介質桶液位是保證精煤質量的重要工藝參數。作為一個多參數強耦合、時變，平線性、大滯后的復雜分選控制過程，傳統(tǒng)人工操作系統(tǒng)難以實現穩(wěn)定。為穩(wěn)定產品質量和提高精煤產率，唐山研究院以傳統(tǒng)PID 控制算法為基礎，以專家經驗控制為主線，以前饋控制及模糊控制理論建模為輔助構建多模態(tài)控制方法，對過程參數進行及時準確的修正，自動實現過程控制系統(tǒng)的決策方案。

1 重介質選煤自動測控系統(tǒng)硬件構成

1.1 重介質選煤過程自動測控的系統(tǒng)組成

控制回路采用雙控閉鎖設計理念，由集控室工業(yè)控制智能控制系統(tǒng)和現場手動操作共同實現。針對重介系統(tǒng)工藝參數的采集與處理，分別采用基于遠程I/O 模塊的“經濟型”解次方案和基于PLC 的“優(yōu)化型”解決方案，為重介質分選過程提供精確靈敏的工藝控制平臺[1-3]。

1.1.1 “經濟型”控制平臺的集成

“經濟型”控制方案以ADAM-400 系列模塊為平臺，工藝參數采集采用16 位、8 通道的ADAM-4017 模擬量輸入模塊?？刂茀递敵霾捎脝瓮ǖ离妷夯螂娏鬏敵龅腁DAM-4021 模擬量輸出模塊，接收到主機的請求信號后，模塊將數據通過RS-485 網絡按照所需的工程格式發(fā)出，驅動執(zhí)行機構進行工藝參數調節(jié)。

針對中小型選煤廠的單一工藝控制系統(tǒng)，ADAM-4000 系列模塊建立的重介質選煤過程自動測控系統(tǒng)既可以作為一套獨立系統(tǒng)進行工作，同時也可進行集中統(tǒng)一的遠程控制。該系統(tǒng)結構清晰，配置靈活，可維護性強，其特點是成本低廉。

1.1.2 “優(yōu)化型”控制平臺的集成

“優(yōu)化型”控制方案以SIMATIC S7-1200 系列模塊化控制器為臺。S7-1200 控制器設計緊湊、組態(tài)靈活、指令集功能強大且成本低廉，是控制小型應用的完美解決方案。

CPU 將微處理器，集成電源、輸入和輸出電路、內置PROFINET、高速運動控制I/O 和板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中，形成功能強大的控制器。下載用戶程序后，CPU 將包含監(jiān)控應用中的設備所需的邏輯，并根據用戶程序邏輯監(jiān)視輸入與更改輸出。

PROFINET 基丁工業(yè)以太網技術，使用TCP/IP和標準協(xié)議，借助PROFINET 網絡，CPU 可以與HMI面板或其他CPU 通信，方便與其他主干工控系統(tǒng)進行連接，增強了系統(tǒng)的可拓展性，靈活性和穩(wěn)定性。

1.2 檢測儀表與執(zhí)行機構

測量元件和執(zhí)行元件是自動調節(jié)系統(tǒng)的兩個主要環(huán)節(jié)。重介質選煤生產過程需要自動調節(jié)的工藝參數較多，且與介質和煤泥水有關，作為不均勻混合體具有成分復雜、無規(guī)律、不均勻和易沉降等特點。固此，系統(tǒng)調節(jié)繁瑣，要求自動測控系統(tǒng)所選用的測量儀表和執(zhí)行器，不僅要適應選煤廠比較惡劣的工況環(huán)境，還要具有結構簡單、工作可靠、堅固耐用、使用方便、通用性強，便于維護和管理的特點。

1.2.1 檢測儀表

重介質選煤過程自動測控系統(tǒng)的檢測儀表主要由密度計、磁性物含量儀、運傳壓力表和液位計組成。其中，由唐山研究院研發(fā)的無輻射、智能、在線壓差密度計和磁件物含量儀，具有無輻射威脅、安裝方便、操作簡單、測量精確和易于維護等優(yōu)勢，可有效降低工人的勞動強度和企業(yè)的維護成本。

1.2.2 電動執(zhí)行機構

重介質分選過程中執(zhí)行機構的負載阻力變化無常，要求自動調節(jié)系統(tǒng)中采用的執(zhí)行機構具有驅動能力大、結構簡單、堅固耐用且工作可靠的特點。采用角行程電動執(zhí)行器，用于控制加水和分流動作。執(zhí)行器具有電氣和機械雙限位保護功能，可杜絕操作上的失誤，減少事故的發(fā)生。角行程電動執(zhí)行器采用220VAC 供電，單相何服電機，正反調節(jié)靈活，定位準確，動作快速，具有良好的調節(jié)性能。

1.2.3 分流箱

分流箱是重介質選煤過程中自動測控系統(tǒng)的重要執(zhí)行機構，可將懸浮液入料量分成兩部分，即分流和回料。分流量占比可在0～100%范圍可調，主要用于控制高密度懸浮液至合格退液桶的分流量，脫介篩下介質返回合格介質桶的分流量等，實現對懸浮液黏度和合格介質桶液位等參數的控制。

2 重介質選煤自動測控系統(tǒng)軟件功能

2.1 軟件功能的原理

2.1.1 重介質懸浮液密度自動測控原理

在懸浮液密度控制回路中選取補加水為主要控制變量，高密度介質的補加量為輔助變量。測量密度與給定密度同時進入程序的PID 控制器，偏差信號由PID 完成調節(jié)，運算結果經專家智能判斷系統(tǒng)進行校正后，送入執(zhí)行機構，將輸入信號與位置反饋信號進行比較，從而驅動電動執(zhí)行機構工作。

2.1.2 合格介質桶液位自測控原理

控制回路采用開關量控制方法，對合格介質桶液位設定上、下限，當液位高于上限，密度低時，首先考慮分流，為了提高調節(jié)的速度也也可同時補加高密度介質；當液位低于下限，密度也低時，首先考慮加高密度介質；當液位低于下限，密度高時，應補加清水或補加循環(huán)水。

2.2 軟件功能的實現

針對“經濟型”與“優(yōu)化型”兩種硬件平臺，提出由組態(tài)王和SIMATIC WinCC 分別組建各自軟件設計方案。重介質選煤過程控制管理系統(tǒng)包括“密度監(jiān)控系統(tǒng)”“煤泥含量監(jiān)控系統(tǒng)”“液位監(jiān)控系統(tǒng)”“數據報表系統(tǒng)”“趨勢監(jiān)控系統(tǒng)”五個功能模塊，其中密度控制是整個測控系統(tǒng)的核心，各功能模塊之間相互聯(lián)系又分工明確，共同實現以下功能：

1）通過網絡通信與全廠各級監(jiān)控系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件進行連接，實現對關鍵數據、工藝運行參數、各監(jiān)控點情況進行實時測控。

2）實現對重介質選煤密度、煤混含量和關鍵液位的測控，以保證分選精度達到乃至高于生產標準，實現選煤廠建設的最終目標。

3）對采集到的數據進行科學分析，并提供科學的決策。

3 實踐應用案例分析

山西某選煤廠設計生產能力為1.5 Mt/a，在工藝設計時采用的重介浮選工藝，是以無壓給料三產品重介質旋流器為主選設備。為提高重介質分選系統(tǒng)的正常生產和工作效率，該選煤廠經技術分析考察，選擇安裝“經濟型”重介質選煤過程自動測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)與廠內其他控制系統(tǒng)通過OPC 接口進行數據通信，具有良好的擴展性，能夠為生產管理提供可靠的數據來源。

“經濟型”重介質選煤過程自動測控系統(tǒng)在選煤廠投入運行后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的應用能實現對重介質選煤過程的全過程監(jiān)控，工作人員在控制室就可以掌握選煤生產的全部情況，實時掌握工藝過程各工藝參數的變化情況，并通過異常預警對工藝參數進行實時調整，有效提高工作效率，實現了節(jié)能降耗、提高分選效果的目標。