跳汰機床層松散度監(jiān)控與風閥智能模糊控制系統(tǒng)設計

杜文杰

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦白龍洗煤廠，山西 霍州 031400）

1 前言

洗煤在煤炭工業(yè)中占據(jù)很重要的位置，其中跳汰洗煤則是其中最有代表性的一種工藝手法，在國內(nèi)洗煤行業(yè)占有50%的份額，跳汰機為其中最為關鍵性的設備之一。跳汰工藝好壞很大程度上取決于跳汰機的各個控制系統(tǒng)，床層松散度狀態(tài)監(jiān)測為其中的核心系統(tǒng)。目前白龍洗煤廠由于傳統(tǒng)跳汰機的松散度識別限制，導致無法很好地適應松散度變化的煤層，造成原煤的大量浪費，增加了企業(yè)的成本。為了更好地實現(xiàn)洗煤工藝的精進，同時為了響應國家節(jié)能號召以及適應日益精進的智能技術，以白龍洗煤廠為研究對象，從床層的松散度狀態(tài)監(jiān)測出發(fā)，結合模糊控制算法，設計一套松散度監(jiān)控風閥智能模糊控制系統(tǒng)[1-4]，旨在提高原煤的分選煤質量，節(jié)約資源，提高效益。

2 跳汰機松散度概述

2.1 理論概述

床層松散為煤料在洗選跳汰過程中床層在吸氣排氣以及水流沖擊綜合作用下的效果，床層松散度即為在整個跳汰床層中除去煤層以外其余部分所占的百分比[5]。其定義式如下所示：

式中：m為床層松散度，%；V為整個跳汰層體積，m3；V0為跳汰層中煤層體積，m3。

2.2 床層松散度的影響因素

松散度作為洗煤過程中的重要參數(shù)，其會直接對跳汰機的分層效果產(chǎn)生影響。為了實現(xiàn)床層的分層效果，其床層必須達到一定的松散程度，而性質差異越大的粒子之間其松散程度越好，所以床層松散與跳汰分層密切相關。為了達到最佳的洗選狀態(tài)，其床層必須有最合適的松散狀況。煤料的分層過程一般是：將原煤混料投入跳汰機中，其中會存在部分密度較低的物質被壓在下層，部分密度較大的物質被擠在上層，經(jīng)過跳汰以后，物質會在自身比重之下，上浮或下沉，而為了保證物質上浮或下沉順暢進行，則需要保證床層有合適的松散度來降低物質在上下移動過程中的碰撞。

在原煤的洗選跳汰過程中其風壓、水壓以及跳汰的頻率以及周期、幅度等都會直接影響床層的松散度，是調節(jié)松散度的關鍵因素，很大程度上決定了洗煤工藝系統(tǒng)的運行狀況。根據(jù)查閱資料可知，在洗選過程中通過分析調節(jié)水流的狀況進而改變床層的松散度。

水流的脈動是由上升與下降兩部分組成的，即向上水流從靜止加速至最大速度與下降至零位以及向下水流從靜止加速至最大速度與下降至零位。當上升水流加速過程中床層被托起，盡可能將密度較大的物質產(chǎn)生位移，使得床層下部達到一定的松散，而上升水流減速時，床層由于被托舉至完全脫離篩板后緩慢減速從而使得床層松散均勻充分；同理當下降水流加速向下時，密度較低的煤粒開始下降，此階段中床層的松散度會達到最佳，故應適當增加此階段的時長，當下降水流減速時，此階段會將體積大的煤塊與煤矸石壓實，降低松散度，因此需要縮短該階段的時長。

在洗煤過程中，風壓的設置與配合在很大程度上也會影響床層的松散度。針對系統(tǒng)的參數(shù)和運行狀態(tài)合理的調配各風閥進氣、排氣的最佳比例，使床層達到合適的松散度。首先需要合理的安裝空氣閥組，在跳汰機的矸石區(qū)與中煤區(qū)空氣室總共安有3組空氣閥。由于矸石重量大、體積大，為了將其托起所需的壓力較大，因此此段中設置兩組氣閥，中煤區(qū)則只需要安裝一組氣閥即可。壓力較大的氣閥可以選擇與高低壓風包相連，而所需壓力較小的氣閥則可選擇連接一個風包即可。通過氣閥的開關交替實現(xiàn)氣流的吸入和排出，從而實現(xiàn)水流的脈動。故在進行床層的跳汰時需要根據(jù)不同煤質對應的不同松散度來調節(jié)氣閥的工作時間，才能提高洗選效率。

2.3 床層松散度的檢測方式

在圖1所示的跳汰室中，分布著矸石、中煤以及精煤等物質，各物質由于密度以及體積的不同，其松散度也是各異的。為了提高洗選效率，在執(zhí)行跳汰周期前，應該對室內(nèi)物質的松散度進行檢測，根據(jù)檢測結果進行參數(shù)調整。根據(jù)松散度的定義式可知，松散度可以通過測量床層各段高度來進行表示，在跳汰機內(nèi)放入5個密度可調的浮標，根據(jù)各段物質的密度來調整浮標的密度，再通過超聲波測量各層浮標的高度來檢測床層各段的高度，從而得出各層的松散度?，F(xiàn)以矸石層為例進行計算（其余層類比）。矸石層浮標放置示意圖如圖1，其中，A為矸石的位置，B為煤層的位置，C為水位。

圖1 矸石層浮標位置側視與俯視圖

式中：s為跳汰室的橫截面積，m2；h1為矸石層原高度，m；dh1為松散后矸石層浮標上升高度，m。

故其矸石層的松散度公式如下：

3 模糊控制基礎

在洗選煤過程中，影響洗選效果的變量數(shù)量多，每個變量之間都存在相互的關聯(lián)，且大多為非線性的關系，煤層與煤質存在瞬變性，因此傳統(tǒng)的數(shù)學控制模型無法滿足這種情形的使用。為了更好地適應這種多變的外部影響，選擇使用模糊控制方法來進行控制。

模糊控制其實就是當變量關系呈現(xiàn)非線性時，將人的經(jīng)驗作為控制的模型，以模糊邏輯推理以及語言變量的數(shù)學類工具，通過計算機進行智能控制的方法。模糊控制系統(tǒng)與一般的控制系統(tǒng)的區(qū)別在于系統(tǒng)選擇模糊控制器且由計算機來實現(xiàn)，通過A/D及D/A轉接口來實現(xiàn)與計算機的互聯(lián)與轉換。系統(tǒng)控制圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

4 松散度模糊控制系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)硬件設計

以白龍洗煤廠為研究對象，結合煤質的特點，進行系統(tǒng)的硬件設計。首先基于控制模糊理論建立松散度控制系統(tǒng)。松散度模糊控制系統(tǒng)是基于氣閥與床層松散度的關系，從而實現(xiàn)氣閥各參數(shù)的自動調節(jié)，將松散度控制在最適合的范圍內(nèi)。其系統(tǒng)主要由厚度檢測、信號轉換模塊、PLC、氣閥驅動組成，具體聯(lián)系圖如圖3。在具體實施過程中，系統(tǒng)控制必須提前連接地線，在電源中增加濾波裝置，保證電流的質量。

圖3 模糊控制系統(tǒng)的工作聯(lián)系圖

系統(tǒng)信號接入模塊中，將超聲波檢測連接厚度檢測傳感器與水位高度傳感器，將采集的信號通過A/D轉換模塊，轉換為數(shù)字信號發(fā)送至系統(tǒng)模糊控制器（載體PLC）中，經(jīng)過模糊算法，控制氣閥驅動的輸出。氣閥驅動是由半導體晶體管與繼電器等元器件組成，進行信號的轉換，驅動氣閥動作。氣閥為電磁控制，主要由氣路設備、數(shù)控裝置以及氣閥三部分組成。觸摸屏顯示選擇三菱公司的可視化編程觸摸屏，可以實時顯示氣閥的參數(shù)以及跳汰周期等的動態(tài)運行曲線，同時還可以將數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)庫中，進行數(shù)據(jù)共享。上位機與PLC之間是將RS-485通訊模塊作為中間橋梁來實現(xiàn)轉換連接。

4.2 系統(tǒng)軟件設計

跳汰機風閥智能模糊控制系統(tǒng)軟件設計主要分為3部分：PC與PLC互通模塊、氣閥的控制部分、模糊控制部分。PC與PLC的互通部分，采用傳統(tǒng)的串口通信模式，將PC的指令轉化為PLC各元器件執(zhí)行的數(shù)據(jù)與狀態(tài)，同時也可以將PLC的數(shù)據(jù)信號回傳PC端進行分析以及監(jiān)測。如下簡單介紹一種串行指令的助記符號RS，RS的使用方式見表1。

表1 RS的使用方式

為了最大程度地提高氣閥的控制精度，在設計系統(tǒng)時采用了定時的功能，定時中斷響應。確定跳汰的頻率后，其跳汰的周期會確定下來，設定進氣、排氣以及膨脹期后，休止期的時長為周期與其余進程做差，進行自動調整，同時在相同的時間間隔中設定中斷次數(shù)，程序一旦經(jīng)過中斷處，氣閥動作立即終止。

模糊控制設計采用一對二、一對多的控制器，將矸石層、煤層的實時松散度與具有良好分層效果的理論值做差以及差值的變化率作為輸入信號，通過模糊算法將其進行模糊化，輸出各氣閥的參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的模糊化控制，進而提高原煤的洗選質量。

5 系統(tǒng)應用分析

跳汰機內(nèi)床層的厚度影響著松散度的變化，進而導致分層破壞。通過監(jiān)測床層的松散度，經(jīng)過模糊控制系統(tǒng)進而控制水壓以及風閥，從而調節(jié)床層不同位置的松散度。其中煤矸石層前后段將松散度保持在0.2～0.4，煤層將松散度維持在0.25～0.45間，進而實現(xiàn)最佳的分層效果，提高跳汰機的工作效率。目前在洗煤廠小范圍使用下，同樣是10 t的原煤，采用傳統(tǒng)的跳汰分層出煤量僅能達到目前模糊系統(tǒng)分層煤量的80%，增加了試用車間出煤量，同時節(jié)約了成本。

6 結語

跳汰洗煤作為洗煤工藝中最有代表性的一種手法，占有很大的份額，跳汰洗煤的工藝好壞很大程度決定了洗煤業(yè)的質量。以白龍洗煤廠為研究對象，設計了一款松散度監(jiān)控與風閥智能模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前處于小范圍適用性使用階段，預計全廠使用后將會實現(xiàn)成本節(jié)約達到30%。該系統(tǒng)將跳汰洗煤質量的床層松散度狀態(tài)作為研究重點，分別從床層的松散度狀態(tài)監(jiān)測出發(fā)結合模糊控制算法，設計一套松散度監(jiān)控風閥智能模糊控制系統(tǒng)，在一定程度上可以提高分選煤質量，節(jié)約不可再生的資源，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。