選煤廠重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制系統(tǒng)研究

張 平

（西山煤電集團機電修造園區(qū)，山西 太原030053）

引言

原煤是由煤、矸石等多種礦物質(zhì)組成的混合物，其中煤的密度為1 200～1 700 kg/m3，精煤的密度為1 400～1 500 kg/m3，中 煤 的 密 度 為1 400～1 800 kg/m3，矸石的密度為1 800～2 600 kg/m3。選煤廠重介質(zhì)選煤過程即根據(jù)原煤中各礦物混合物密度的不同，利用密度原理并輔以機械方法和液流原理將精煤、中煤、矸石進行分離[1]。選煤廠重介質(zhì)分選過程應用重介質(zhì)懸浮液，將原煤放入由密度不同的固相和液相組成的重介質(zhì)懸浮液中，密度大于該懸浮液的物料下沉，密度小于該懸浮液的物料上浮，進而將精煤、中煤以及矸石分離。為提高重介質(zhì)分選效率以及控制精度，采用智能化控制方案，實現(xiàn)重介質(zhì)選煤過程懸浮液密度的智能化控制，實現(xiàn)參數(shù)自整定和在線修改[2]。國內(nèi)外相關(guān)專家就選煤廠重介質(zhì)分選過程懸浮液密度控制方法展開一系列研究，如53SU1000型重介質(zhì)選煤自動測控系統(tǒng)，采用PID控制算法，實現(xiàn)重介質(zhì)懸浮液各參數(shù)的動態(tài)平衡；如國內(nèi)研制的“IZK型重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)”，通過控制精煤灰分，實現(xiàn)懸浮液PID參數(shù)自適應，實現(xiàn)精煤灰分在線控制，懸浮液密度控制精度達0.006 kg/L[3]；如利用PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)重介質(zhì)選煤懸浮液密度、黏度、液位等核心參數(shù)的自動回控和自整定，將重介質(zhì)分選過程進行模塊化、過程化模糊控制[4]。在汲取選煤廠重介質(zhì)分選過程懸浮液密度已有控制方案和控制理論的基礎(chǔ)上，契合重介質(zhì)選煤工藝，優(yōu)化組合，提出懸浮液密度智能控制方案，提高控制精度、穩(wěn)定性以及實時性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

選煤廠重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制方案系統(tǒng)設(shè)計框圖見圖1所示，采用雙閉環(huán)智能控制方案實現(xiàn)懸浮液密度智能控制，其中外環(huán)以精煤灰分反饋值與設(shè)定值之間的差值為輸入變量，通過灰分儀測得的精煤灰分為反饋量，經(jīng)控制器、PID模糊控制器處理后實時調(diào)節(jié)懸浮液密度；內(nèi)環(huán)以懸浮液密度反饋值與設(shè)定值之間的差值為輸入變量，通過密度儀測得的懸浮液密度為反饋量，經(jīng)PID模糊控制器邏輯判斷后調(diào)節(jié)懸浮液密度[5-7]；調(diào)節(jié)懸浮液密度的方法可通過智能控制補水閥、分流閥、加介泵實現(xiàn)；在重介質(zhì)分選過程中，將混料桶液位、補水閥開度以及磁性物含量值實時數(shù)據(jù)反饋至PID模糊控制器輸入，作為邏輯判斷、調(diào)節(jié)懸浮液密度的依據(jù)。在該系統(tǒng)設(shè)計方案中，設(shè)置三個控制器，協(xié)同完成重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制過程。

圖1 重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制方案系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 控制方案設(shè)計

2.1 硬件功能的實現(xiàn)

選煤廠重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制方案硬件實現(xiàn)框圖見下頁圖2所示，采用西門子S7 300系列PLC作為核心控制器，模糊PID控制算法基于該控制器實現(xiàn)[8]。S7-300 PLC控制器的被控對象為兩個混合桶的密度、液位以及加水閥，一個稀介桶加水閥以及對應的補水閥和分流閥。該智能控制方案工作時，PLC控制器通過選煤廠已有的以太網(wǎng)TCP/IP通信連接將數(shù)據(jù)實時上傳至工業(yè)控制機以及液晶顯示屏，用于實時監(jiān)控該方案的工作過程，發(fā)生故障時，進行故障聲光報警。

圖2 重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制方案硬件功能實現(xiàn)流程圖

選用CPU315-2PN/DP西門子PLC作為核心控制器，該控制器的數(shù)據(jù)處理速度、響應時延滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。該控制器的防護等級滿足選煤廠較惡劣使用環(huán)境，防振動、防潮效果明顯。根據(jù)懸浮液密度智能控制系統(tǒng)要求，擴展321、322、331以及332輸入/輸出以及TCP/IP模塊。重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制方案控制系統(tǒng)部分I/O端口分配見表1所示，其中模擬量輸入信號統(tǒng)一為4～20 mA電流信號。

表1 S7-300 PLC控制系統(tǒng)I/O端口分配（部分）

2.2 軟件功能的實現(xiàn)

基于S7 CPU315-2PN/DP西門子PLC控制器，采用模塊化編程實現(xiàn)選煤廠重介質(zhì)分選過程懸浮液密度智能控制方案，其中模糊查表核心軟件流程的實現(xiàn)見圖3所示。根據(jù)PID模糊控制器設(shè)計方案，將偏差的量化因子、偏差變化率的量化因子、比例因子以及兩個偏移量參數(shù)寫入PLC控制器的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；開啟定時器T1，定時間長為50 ms，當定時時間達到后，PLC控制器利用輸入偏差（精煤灰分設(shè)定值與灰分儀反饋值）計算偏差的變化率ec，并將該結(jié)果保存至數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；將偏差、偏差變化率分別與偏差的量化因子、偏差變化率的量化因子相乘，獲取模糊控制值E1以及E2；將E1、E2與對應的偏移量參數(shù)相加，得到的控制值在PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū)的實際位置并完成模糊查表操作，得到實際輸出控制值；將輸出控制值進行反模糊化，得到控制相應分流閥的實際控制值，通過控制補水閥、分流閥以及加介泵自適應調(diào)整懸浮液的密度。

圖3 模糊查表PLC軟件流程框圖

3 應用分析

將設(shè)計并實現(xiàn)的懸浮液密度智能控制方案應用于選煤廠重介質(zhì)分選過程，利用密度計測量并統(tǒng)計懸浮液密度數(shù)據(jù)。將重介質(zhì)分選過程懸浮液密度理想值與經(jīng)模糊PID控制后的懸浮液密度值進行對比，如下頁圖4所示，懸浮液密度值分布于1.376～1.392 kg/L之間。由圖4可知，采用模糊PID智能控制方案后，通過控制分流閥、補水閥以及加介泵，可自適應調(diào)整懸浮液密度，使得實際值逼近理想值，提高精煤灰分，提升重介質(zhì)分選生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

選煤廠智能化建設(shè)是選煤廠提質(zhì)增效、由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變的必由支路。重介質(zhì)分選過程作為選煤廠選煤工藝關(guān)鍵步驟之一，其智能化建設(shè)尤為必要。重介質(zhì)分選過程中懸浮液密度的智能控制是提升精煤灰分、提高重介質(zhì)分選效率的關(guān)鍵因素。利用模糊PID智能控制方案，使得懸浮液密度實際值無限逼近理想值，實現(xiàn)懸浮液密度的智能、自適應控制。該方案對于促進選煤廠智能化建設(shè)具有一定的借鑒意義。

圖4 重介質(zhì)分選過程懸浮液密度PID模糊控制值與理想值對比