選煤廠浮選過程智能控制系統(tǒng)設(shè)計

聶 擎 林

（山西西山煤電(集團)有限責(zé)任公司屯蘭礦選煤廠，山西 古交030200）

0 引 言

選煤廠智能化建設(shè)涵蓋選煤單機設(shè)備、選煤工藝、選煤過程控制以及選煤決策管理多方面內(nèi)容。王然風(fēng)[1]等詳細(xì)闡述智能化選煤廠內(nèi)涵，給出智能化選煤廠四層架構(gòu)體系，即物聯(lián)網(wǎng)層、控制層、管理層以及決策層；其中控制層包括TDS 排矸、淺槽排矸、配煤、重介質(zhì)分選、粗煤泥分選、浮選過程、濃縮過程、壓縮過程以及裝車過程的智能控制及優(yōu)化；對控制層的各項關(guān)鍵技術(shù)進行分析，實現(xiàn)選煤廠“高精尖”智能化控制，提升選煤行業(yè)的核心競爭力。郭大林[2]等根據(jù)選煤廠實際生產(chǎn)經(jīng)驗指出實現(xiàn)選煤廠的智能化，關(guān)鍵是加快突破重介、跳汰、浮選等核心選煤過程的智能化，助力無人或少人選煤廠的實現(xiàn)。毛浩[3]等構(gòu)建張家峁智能化選煤廠架構(gòu)，即生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)執(zhí)行、管理控制以及決策規(guī)劃四層結(jié)構(gòu)，基于PLC 控制技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、3D 可視化數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及SCADA 監(jiān)控平臺，實現(xiàn)選煤廠選煤工藝的智能控制、設(shè)備數(shù)據(jù)的智能采集、傳輸與監(jiān)控，達到減員增效、提高精煤洗出率、提升選煤廠生產(chǎn)效益的目的。選煤廠煤泥浮選過程是指煤泥水進入浮選車間到精煤和尾礦分離。煤泥浮選的本質(zhì)是利用煤粒的疏水性和矸石顆粒的親水性特征，添加捕收劑用于提高煤粒疏水性以及吸附起泡的能力；添加起泡劑用于穩(wěn)定起泡，分選小于0.5mm 粒級的精煤。為提高煤泥浮選過程的精煤產(chǎn)率、穩(wěn)定精煤灰分，相關(guān)的研究如白曉淵[4]針對太原選煤廠浮選機設(shè)備存在的藥劑量控制精確度和穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計浮選設(shè)備藥劑量添加智能控制系統(tǒng)，在藥劑使用數(shù)量、抽出率以及灰分等關(guān)鍵浮選參數(shù)有明顯改善。馬超[5]等針對常村選煤廠浮選系統(tǒng)的入料濃度、礦漿流量控制的滯后性，設(shè)計浮選自動加藥系統(tǒng)，以西門子PLC 為核心控制器，對自動加藥電機進行變頻控制，并將過程信息實時顯示與MCGS 觸摸屏，將浮選精煤產(chǎn)率提升2%，年增加浮選精煤420T。為提高藥劑的利用率，加藥量與煤泥水濃度需匹配。設(shè)計浮選過程智能控制系統(tǒng)可提高加藥量的精確性和穩(wěn)定性并使得浮選過程智能化、透明化。

1 屯蘭選煤廠浮選工藝介紹

西山煤電集團屯蘭礦選煤廠浮選過程采用直接浮選工藝，如圖1 所示。浮選入料來源為煤泥水車間的601 濃縮機底流泵將煤泥水打入礦漿準(zhǔn)備器，起泡劑、捕收劑等添加藥劑也打入礦漿準(zhǔn)備器，并經(jīng)過攪拌、充氣、礦化、分層、刮泡等一系列程序后，通過兩段5 室浮選機分選，浮選出的精礦利用5 臺快開隔膜式壓濾機處理，摻入501 精煤轉(zhuǎn)載皮帶，形成最終精煤產(chǎn)品；浮選尾礦進去602 濃縮池，底流通過濃縮旋流器加高頻篩脫水，成為中煤產(chǎn)品；濃縮池溢流進去二段濃縮池，通過濃縮、澄清以及4 臺快開壓濾機脫水，成為最終的煤泥。

圖1 屯蘭選煤廠浮選工藝流程

2 系統(tǒng)設(shè)計

選煤廠浮選過程智能系統(tǒng)設(shè)計如圖2 所示，由智能控制系統(tǒng)和監(jiān)控平臺兩部分組成。將主廠房煤泥水的入料灰分、精煤灰分、入料濃度以及入料流量為核心輸入?yún)?shù)，經(jīng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加藥量預(yù)測模型計算實時添加的捕收劑、起泡劑藥量，并于煤泥水充分?jǐn)嚢韬蠼?jīng)一段粗選、二段精選流程后，輸出精煤。以CAN總線通信模式將浮選過程關(guān)鍵參數(shù)、故障信息等數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺預(yù)留無線發(fā)送模塊，可將浮選過程所有數(shù)據(jù)上傳至選煤廠智能監(jiān)控中心。

圖2 屯蘭選煤廠浮選過程智能系統(tǒng)設(shè)計

3 方案實現(xiàn)

3.1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的浮選加藥系統(tǒng)

選煤廠浮選過程中的關(guān)鍵因素是加藥環(huán)節(jié)，浮選過程智能控制系統(tǒng)通過智能改變加藥量，實現(xiàn)對煤泥水精煤的提取，提高精煤產(chǎn)率和精煤灰分。浮選過程智能控控制系統(tǒng)選取的控制參數(shù)主要有入料流量Q、入料灰分A、入料濃度C、入料粒度分布狀態(tài)G、藥劑添加量U（U＝（U1,U2）T，其中U1為起泡劑添加量，U2為捕收劑添加量）、浮選目標(biāo)值R、浮選輸出Y（Y=（Y1,Y2）T，其中Y1為精煤灰分輸出，Y2為尾礦灰分輸出）浮選槽液面高度H，則選煤廠浮選模型可描述為式（1）：

式中R、G、H為系統(tǒng)參數(shù)和定值，則可將式（1）簡化為式（2）：

即浮選過程藥劑添加量與入料灰分、入料濃度、入料流量以及精煤、尾礦的灰分相關(guān)。精煤灰分與尾礦灰分成反比關(guān)系，則影響藥劑添加量的因數(shù)可進一步簡化為入料灰分、入料濃度、入料流量以及精煤灰分[8-10]。對屯蘭選煤廠浮選過程中的參數(shù)A、C、Q、Y1以及捕獲劑、起泡劑進行記錄、統(tǒng)計并做歸一化處理，作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的訓(xùn)練樣本。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于反饋誤差的前饋網(wǎng)絡(luò)，非線性映射能力、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力、泛化能力以及容錯能力較強，是一種應(yīng)用廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11-12]。設(shè)計的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的浮選加藥量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見圖3 所示，為輸入、隱含、輸出3 層結(jié)構(gòu)，其中輸入層神經(jīng)元為4 個，分別為入料灰分、入料濃度、入料流量以及精煤灰分；隱含層的神經(jīng)元為9 個（n=2×m+1，其中m等于4），輸出層為起泡劑加藥量Q1、捕收劑加藥量Q2。

圖3 屯蘭選煤廠浮選過程加藥量BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測浮選過程中的加藥量的步驟為：①初始化權(quán)值，隨機生成；②選擇樣本進行BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；③計算隱含層的輸入和輸出；④計算輸出層的輸入和輸出；⑤計算輸出層、隱含層的誤差值；⑥修改輸出層、隱含層的權(quán)值和閾值；⑦獲取下一組訓(xùn)練樣本，循環(huán)步驟①-⑥，直至所有樣本訓(xùn)練完畢；⑧目標(biāo)誤差滿足設(shè)定誤差則結(jié)束訓(xùn)練，否則返回至步驟②再次訓(xùn)練。

3.2 基于CAN 總線通信的浮選監(jiān)控平臺

設(shè)計選煤廠浮選過程智能控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺，隨時查看浮選過程關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的動態(tài)變化以及故障信息，增強浮選過程的透明度。選煤廠浮選智能控制系統(tǒng)與監(jiān)控平臺之間以CAN 總線通信模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，自定義CAN 通信協(xié)議，部分CAN 通信協(xié)議見表1 所示。

表1 選煤廠浮選過程智能控制系統(tǒng)與監(jiān)控平臺CAN通信協(xié)議（部分）

設(shè)置監(jiān)控平臺CAN 總線通信ID 為0X99；根據(jù)監(jiān)控平臺與浮選智能控制系統(tǒng)之間需傳送的數(shù)據(jù)信息，定義6 個TxPDO，每一個TxPDO 可承載8 字節(jié)數(shù)據(jù)；設(shè)置波特率為250kbit/s。浮選智能控制系統(tǒng)按照表1 格式對傳送的數(shù)據(jù)進行打包，監(jiān)控平臺接收到該數(shù)據(jù)后按照表1 進行解析并提取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

4 試驗驗證

4.1 浮選加藥系統(tǒng)仿真

根據(jù)搭建的浮選加藥量BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，完成起泡劑加藥量和捕收劑加藥量的仿真試驗。為驗證基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的有效性，將加藥量實際值、基于PID 預(yù)測值以及基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值曲線置于同一張模擬仿真圖，見圖4 以及圖5 所示。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測起泡劑、捕收劑的加藥量與實際值接近，經(jīng)統(tǒng)計計算，平均誤差為-0.023 2，最大誤差為-0.328 7，最小誤差為0.015 3，方差為0.003 20，預(yù)測結(jié)果精確且預(yù)測結(jié)果平穩(wěn)；基于PID 預(yù)測的平均誤差為0.078 3，與實際值偏差較大且預(yù)測結(jié)果平穩(wěn)性差。

圖5 捕收劑加藥量與真實值對比曲線

4.2 浮選監(jiān)控平臺

基于King SCADA 軟件平臺，完成選煤廠浮選過程智能控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，如圖6 所示為“系統(tǒng)控制”界面。建立監(jiān)控平臺與浮選智能控制系統(tǒng)CAN 總線通信連接，對接收到的數(shù)據(jù)按照約定的CAN 總線通信協(xié)議進行解析并于對應(yīng)的數(shù)據(jù)變量進行連接。通過監(jiān)控平臺，可實時查看浮選過程智能控制系統(tǒng)中入料流量、濃度、灰分以及使用的起泡劑、捕收劑量。同時可查看起泡變頻器、接收變頻器運行狀態(tài)。通過該監(jiān)控平臺可展示實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程。當(dāng)浮選過程智能控制系統(tǒng)發(fā)生故障識，將界面切換至“報警一覽”可查看并定位故障發(fā)生點，利于快速解決故障，保證浮選過程運行效率。

圖6 選煤廠浮選過程智能控制系統(tǒng)監(jiān)控平臺

5 結(jié)束語

采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對浮選過程中的捕收劑、起泡劑加藥量進行預(yù)測并，進一步優(yōu)化了藥劑與煤泥水的配比，提高了精煤洗出率；采用CAN 總線通信實現(xiàn)浮選過程關(guān)鍵參數(shù)、故障信息的可視化和信息化，提高了浮選過程的透明化和智能化水平。浮選過程智能控制系統(tǒng)解決了屯蘭選煤廠浮選過程加藥量控制精確度低、穩(wěn)定性差的問題，促進了選煤廠的智能化發(fā)展。