重介質(zhì)懸浮液密度自動控制現(xiàn)狀分析

張文志

(山西焦煤汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 高陽煤礦選煤廠，山西 呂梁 033000)

重介質(zhì)分選工藝具有分選精度高、分選粒級寬、處理量大以及投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國選煤生產(chǎn)領(lǐng)域中，并且產(chǎn)生了良好的分選效果[1]。在重介質(zhì)分選中，懸浮液密度作為被控制變量，對重介質(zhì)分選效果有著決定性的影響，因此，實(shí)現(xiàn)對重介質(zhì)懸浮液密度的自動控制，是提高重介質(zhì)選煤效果的關(guān)鍵。

1 重介質(zhì)懸浮液特性分析

1.1 重介質(zhì)懸浮液組成

重介質(zhì)懸浮液是重介質(zhì)分選過程中的主要控制變量之一，是影響重介分選效果的重要因素。重介質(zhì)懸浮液由水、煤泥和加重質(zhì)(磁鐵礦粉)組成[2]，三者按照一定比例混合，組成懸浮態(tài)的三相流體。通常使用的加重質(zhì)密度為4.5 g/cm3，磁性礦物的含量控制為大于95%，粒度控制在小于200目粒級含量占80%；煤泥的密度一般介于1.5～1.7 g/cm3，粒度為0.5 mm以下[3]。

1.2 重介質(zhì)懸浮液密度計(jì)算

重介質(zhì)懸浮液密度計(jì)算公式[4]如式(1)，設(shè)重介質(zhì)懸浮液的總質(zhì)量為m，g；總體積為v，cm3；其密度為ρ，g/cm3，則：

式(1)中，ρa(bǔ)v=100/(a1/ρ1+a2ρ2)，為重介質(zhì)懸浮液中固體顆粒的平均密度，g/cm3，其中ρ1是磁鐵礦粉密度，g/cm3；ρ2是煤泥密度，g/cm3；c=v固/v，為重介質(zhì)懸浮液固體體積濃度，g/cm3；a1為磁鐵粉質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；a2為煤泥質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

理論上，礦石的分選密度應(yīng)等于懸浮液的物理密度，但在實(shí)際的懸浮液中，由于受結(jié)構(gòu)化因素的影響，分選密度常常高于其物理密度。

1.3 重介質(zhì)懸浮液密度特性對分選效果的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，重介分選的懸浮液密度是一個動態(tài)穩(wěn)定的過程，不同形式的密度場具有不同的密度分布，取決于重介質(zhì)分選機(jī)的性能[5]。對不同密度條件下的懸浮液進(jìn)行分選試驗(yàn)，研究不同密度時懸浮液的穩(wěn)定性。

從研究結(jié)果來看，懸浮液的穩(wěn)定性與入料時的密度密切相關(guān)[6]。當(dāng)入料密度過低時，懸浮液穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致可能偏差變大；隨著懸浮液密度的逐漸增大，懸浮液的穩(wěn)定性逐漸增大，隨之增大的還有懸浮液的粘度，懸浮液的密度與粘度在重介分選中的變化具有一致性。懸浮液粘度的不斷增大就會導(dǎo)致分選過程中煤粒受到的阻力增大，使分選過程中的消耗增大，也會增大可能偏差[7]。因此，根據(jù)懸浮液的密度特性，確定一個合適的懸浮液密度，既能使懸浮液穩(wěn)定性較高的同時，還可以保持懸浮液粘度較低，這樣才能達(dá)到最佳的分選效果。

2 重介質(zhì)懸浮液密度自動控制

當(dāng)前我國煤炭在洗選過程中存在的主要問題是工藝流程自動化程度低、煤泥水處理效率低和選煤設(shè)備穩(wěn)定性差等，生產(chǎn)中高能耗也制約著選煤行業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展[8-9]。面對這樣的情況，選煤領(lǐng)域迫切希望能有更加完善的重介選礦工藝流程與更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)。

2.1 重介質(zhì)懸浮液密度控制系統(tǒng)

2.1.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC即可編程控制器，最早出現(xiàn)于美國20世紀(jì)60年代[10]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，目前的PLC系統(tǒng)早已經(jīng)取得了重要的突破，系統(tǒng)的功能也日益全面、強(qiáng)大。目前在我國的選煤廠應(yīng)用廣泛，以屯蘭選煤廠為例，其系統(tǒng)由PLC/CPU控制器、步進(jìn)閥和密度計(jì)組成[11-13]。檢測裝置采用阿姆德爾數(shù)字密度計(jì)，同時配合前置放大器，完成信號的采集和信號傳輸。PLC/CPU控制器信號處理機(jī)輸出模擬電流，通過屏蔽電纜上傳至PLC柜輸入模塊，再經(jīng)遠(yuǎn)程I/O模塊掃描后傳輸?shù)矫芸厥抑骺仉娔X，電腦CPU對信號進(jìn)行處理后發(fā)送給PLC柜的輸入模塊，由PLC柜的輸出模塊將執(zhí)行指令傳輸給執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)接受的信號調(diào)整步進(jìn)閥開度，通過控制加水量來控制介質(zhì)密度[14-15]。

圖1顯示的系統(tǒng)為閉環(huán)回路。具體過程為信號處理機(jī)輸出端輸出的模擬電流，通過PLC柜的輸入模塊傳輸?shù)紺PU，比較給定模擬密度信號與密度測量信號，得出偏差信號，再經(jīng)PLC柜輸出模塊將指令發(fā)送給步進(jìn)閥，來調(diào)節(jié)步進(jìn)閥開度的大小[16-17]。生產(chǎn)中，若實(shí)際測量的密度信號大于設(shè)定密度，執(zhí)行器調(diào)節(jié)步進(jìn)閥逐步加大開度，加入合格懸浮液中的稀釋水量增多，懸浮液密度下降；反之，步進(jìn)閥開度減小，稀釋水量減少，懸浮液密度上升。保持實(shí)際測量的密度值與設(shè)定密度值誤差控制在±0.003 g/cm3，從而保證洗選工藝處于正常生產(chǎn)狀態(tài)。

圖1 密度控制系統(tǒng)

2.1.2 PID控制系統(tǒng)

對于懸浮液密度的控制，目前采用最多的就是PID控制系統(tǒng)，其原理非常簡單，在使用過程中也非常方便，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。同時，其參數(shù)調(diào)整也相對簡單，具有完整、系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整方案。但對于參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的非線性、時變、耦合和復(fù)雜過程，采用PID控制時，由于PID控制只是簡單地利用測量誤差來消除誤差本身，當(dāng)外部誤差急劇增大時，PID往往不能很好地控制，因?yàn)镻ID輸出不能像輸入那樣急劇增大，是一個慣性量。這將導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，影響系統(tǒng)運(yùn)行的效果。

具體控制過程為：PID控制系統(tǒng)通過測定懸浮液，將懸浮液密度測量信號與人工給定的模擬信號比較，通過比較得到的信號偏差調(diào)節(jié)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)自動加水調(diào)節(jié)與自動打分流調(diào)節(jié)[18]。生產(chǎn)中，當(dāng)檢測的密度大于選別系統(tǒng)設(shè)定的密度時，加水閥門將開大，這樣通過往合格介質(zhì)桶里補(bǔ)加水達(dá)到降低合格介質(zhì)密度的作用，反之則減小加水閥門。同時采用非接觸式放射性同位素密度計(jì)測量懸浮液密度，配合PID控制系統(tǒng)，最終在生產(chǎn)中可以使密度誤差控制在0.5%內(nèi)。懸浮液密度控制原理如圖2所示。

圖2 重介懸浮液密度控制原理示意

在自動打分流時，由于此過程需要一定的時間，會導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)中的密度控制出現(xiàn)典型的大慣性、大滯后控制現(xiàn)象[19-20]，故僅采用PID控制會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象和震蕩現(xiàn)象。因此，目前PID控制僅是實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)加水的全自動化，并沒有實(shí)現(xiàn)打分流的全自動化，在許多的生產(chǎn)作業(yè)中，這一流程還普遍采用人工控制。人工控制在造成人力資源浪費(fèi)的同時又存在著控制精度低的問題。所以實(shí)現(xiàn)打分流流程的全自動化是未來懸浮液密度控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是未來研究的重點(diǎn)方向。

2.1.3 前饋解耦-Smith控制

前饋解耦控制是解耦控制的一種常見方法，解耦控制還包括前饋補(bǔ)償解耦、單位矩陣解耦和對角矩陣解耦。其解耦控制過程即通過在控制過程中加入解耦流程，從而實(shí)現(xiàn)變量的耦合分解，將多變量的耦合通道變成單個獨(dú)立的變量控制通道，使之與控制系統(tǒng)的控制通道一一對應(yīng)，通過這種方式可以消除多個通道之間的相互影響。

Smith控制則是對于大滯后過程的預(yù)估補(bǔ)償控制，在密度控制中普遍存在大滯后現(xiàn)象，例如PID控制系統(tǒng)，而為了改善這一情況，在1957年的時候O.J.M.Smith就提出了一種以過程模型為基礎(chǔ)的控制方法，有效地降低了超調(diào)量與加速系統(tǒng)響應(yīng)，該方法的控制原理為通過反饋控制從而實(shí)現(xiàn)控制器的提前補(bǔ)償，這樣不僅有效削弱了大滯后現(xiàn)象的發(fā)生，還可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到一定的提高。

前饋補(bǔ)償—Smith控制算法的思想是將解耦控制的優(yōu)點(diǎn)和Smith補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。在解耦系統(tǒng)中采用Smith補(bǔ)償，不僅可以有效補(bǔ)償不相互影響的控制通道，而且可以對時滯進(jìn)行有效地補(bǔ)償。這種方法可以實(shí)現(xiàn)多變量時滯系統(tǒng)的有效控制。

2.2 重介質(zhì)懸浮液密度的檢測

在懸浮液的2個重要指標(biāo)——粘度與密度測量中，粘度的測量還存在一些技術(shù)上的問題，而密度的測量已經(jīng)很容易實(shí)現(xiàn)了。一般情況下，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的密度的測量方法有2種。

一種是人工檢查法，即用濃度壺測定。濃度壺是選礦廠中常用測定濃度的簡易工具。用已知容積和自身重量的濃度壺盛取礦漿試樣，計(jì)算礦漿密度，從而計(jì)算出礦漿濃度，再根據(jù)礦漿濃度查對表即可得到結(jié)果。操作過程相對容易，但是整個過程需要消耗一定的時間。

另一種則是用密度計(jì)測量的方法。目前應(yīng)用最廣泛的就是放射性密度計(jì)。放射性密度計(jì)是利用γ射線穿過被測物質(zhì)時，其強(qiáng)度隨物質(zhì)的密度變化的原理，測量物質(zhì)密度的儀表。這種方法測量精度更高、更快、容易實(shí)現(xiàn)自動化測量。但是這種儀器產(chǎn)生的射線對人體有害。

目前，新型數(shù)字式密度計(jì)則很好地解決了這2個問題。新型數(shù)字式密度計(jì)的測量原理是根據(jù)裝滿樣品的管子的振動頻率與管中樣品質(zhì)量的不同而不同的。并且，新型密度計(jì)還可以選配RS232接口及軟件，可連接電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程控制。既實(shí)現(xiàn)了方便快捷的自動化測量和高精度測量，又消除了有害物質(zhì)的影響。

2.3 重介質(zhì)懸浮液密度自動控制發(fā)展趨勢

在重介質(zhì)分選中，重介懸浮液密度控制的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，影響整個分選過程，并直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。自動控制必然是未來的主要控制方式，而對密度控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)則是未來研究的主要內(nèi)容之一。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提高與發(fā)展，對于目前系統(tǒng)存在的問題，逐步將由更好的方式解決。懸浮液密度控制的主要研究即是對控制算法的研究，目前依存現(xiàn)有算法的控制系統(tǒng)，其中最為突出的問題就是滯后性強(qiáng)，多參數(shù)耦合度高，難以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立參數(shù)控制的問題[28-29]。因此，控制中涉及的軟件較多，各控制系統(tǒng)相對獨(dú)立，使得控制軟件與整個控制系統(tǒng)的匹配程度較低[30]。

在這種背景下，要求控制系統(tǒng)要具備更全面、更精準(zhǔn)、更自動化、能使系統(tǒng)與軟件高度匹配的系統(tǒng)[31]，未來的控制系統(tǒng)將不止于對密度的控制，而是對整個重介分選過程的自動化智能控制，在工作效率、控制精度、安全保障、后期維護(hù)等方面，都將會得到很大的提高與幫助。

3 結(jié) 論

重介質(zhì)懸浮液的密度是重介分選中的重要指標(biāo)，是影響分選效果的重要因素，因此對于重介質(zhì)密度特性的研究，可以幫助選煤廠實(shí)現(xiàn)更加有效的分選，提高分選工藝的效率。而在實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中，如何控制懸浮液密度是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。對于當(dāng)前的控制系統(tǒng)，還存在著不足，需要人們進(jìn)一步研究，找出更好的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)真正的懸浮液密度控制的全自動化，這將會大大提高選煤的效率。