選煤廠浮選自動(dòng)化控制裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

朱 坤

（西山煤電馬蘭礦選煤廠主洗車間， 山西 古交 030205）

引言

目前，我國(guó)雖然正在推行新能源技術(shù)的發(fā)展，但煤炭能源的消耗仍占據(jù)我國(guó)能量消耗總量的70%左右[1]。在現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀下，更加重視煤炭的質(zhì)量，注重潔凈煤炭的開發(fā)，減小環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。選煤廠是煤炭生產(chǎn)面市的主要環(huán)節(jié)，如何保證生產(chǎn)出高質(zhì)量、低污染的煤炭產(chǎn)品是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其中選煤廠浮選系統(tǒng)對(duì)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量有著較大的影響，目前浮選系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝缺乏穩(wěn)定性，受到技術(shù)工人經(jīng)驗(yàn)的影響干擾，自動(dòng)化程度偏低，主要依靠手動(dòng)方式對(duì)浮選系統(tǒng)的入料量和添加劑進(jìn)行操作。浮選系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜煤炭工業(yè)過(guò)程的基礎(chǔ)性保障，如果僅是依靠人工手動(dòng)操作的方式對(duì)入料量及添加劑進(jìn)行控制，很難達(dá)到理想的煤炭產(chǎn)品質(zhì)量效果。因此，完善浮選系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、自動(dòng)添料的系統(tǒng)功能，有助于提升浮選過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。采用電氣自動(dòng)化選煤技術(shù)，對(duì)浮選系統(tǒng)的自動(dòng)化進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)浮選系統(tǒng)由手工操作到自動(dòng)化運(yùn)行的改變。

1 浮選系統(tǒng)工藝

1.1 工藝流程

精煤產(chǎn)品根據(jù)煤塊顆粒大小的不同，主要分為精大塊、精中塊、精小塊、粒煤、末煤等產(chǎn)品[2]。通常選煤機(jī)采用的是跳汰主洗和煤泥浮選相結(jié)合的工藝方式。進(jìn)入浮選系統(tǒng)的物料主要由主廠房?jī)?nèi)部的分級(jí)篩溢出的煤泥水組成，同時(shí)弧形篩的煤泥水和高頻篩的煤離水也將通過(guò)主管道進(jìn)入至浮選系統(tǒng)。煤泥水通過(guò)過(guò)濾機(jī)形成生產(chǎn)物料，通過(guò)輸送管道進(jìn)入緩沖池，由緩沖泵抽送至浮選系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)篩作業(yè)。此時(shí)緩沖池內(nèi)將留下渣漿，通過(guò)緩沖水池內(nèi)的攪拌與水形成混合液體，在重力作用下流入粗礦池。最終通過(guò)弧形篩浮選出煤炭的精礦與尾礦，由精礦池對(duì)浮選出的煤炭物料進(jìn)行收集。整個(gè)浮選工藝過(guò)程中，浮選機(jī)的工作頻率以及正壓式過(guò)濾機(jī)的脫水性能影響著精煤產(chǎn)品的產(chǎn)出質(zhì)量[3]。

1.2 浮選藥劑添加流程

浮選系統(tǒng)添加藥劑的執(zhí)行部件為電磁閥。在設(shè)計(jì)浮選自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將電磁閥作為智能化控制對(duì)象。由于電磁閥的安裝位置在藥劑添加箱內(nèi)，需要保持箱內(nèi)壓力恒定，確保添加劑量的穩(wěn)定性。但是添加藥劑也將根據(jù)浮選系統(tǒng)產(chǎn)品流量確定，依據(jù)單位時(shí)間內(nèi)煤炭產(chǎn)品出貨量的速度，調(diào)節(jié)電磁閥的響應(yīng)速度，在控制系統(tǒng)中將電磁閥與流量參數(shù)進(jìn)行匹配，設(shè)置為正比例線性關(guān)系，形成了浮選系統(tǒng)加藥工藝流程，如圖1 所示。

圖1 浮選系統(tǒng)加藥工藝流程示意圖

1.3 影響浮選精度因素

浮選過(guò)程包含有氣、液、固三相的物質(zhì)狀態(tài)，所產(chǎn)生的物理和化學(xué)變化各不相同。三相同存物質(zhì)造就了浮選過(guò)程的復(fù)雜性，隨著工藝的進(jìn)行，由于添加了浮選藥劑，使得浮選系統(tǒng)產(chǎn)生了多變性。影響浮選精度的因素主要有5 個(gè)方面：煤炭物料顆粒細(xì)度；浮選系統(tǒng)添加藥劑的管理制度和技術(shù)方案；浮選系統(tǒng)的設(shè)備選型；浮選入料的濃度；技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及系統(tǒng)性決策[4]。

2 浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洗煤廠由多個(gè)智能化系統(tǒng)組成，但是浮選系統(tǒng)為單獨(dú)控制模塊，沒(méi)有接入整體集中控制體系中，缺乏整體的工作調(diào)度，僅憑借技術(shù)工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作。設(shè)計(jì)浮選系統(tǒng)應(yīng)該兼顧與其他智能化系統(tǒng)的匹配性，要實(shí)現(xiàn)由PLC 核心控制部件進(jìn)行統(tǒng)一的智能控制，設(shè)計(jì)出浮選控制系統(tǒng)的框架圖，如圖2 所示。

圖2 浮選控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，通過(guò)系統(tǒng)的傳感器將浮選系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括流量、濃度等信息傳遞至上位機(jī)，由PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)換算和命令執(zhí)行，可對(duì)藥劑添加量進(jìn)行預(yù)測(cè)。PLC 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)計(jì)量泵輸入4～20 mA 的電流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，提高了藥劑添加的進(jìn)度，減小的人工過(guò)程的干預(yù)[5]。

2.2 系統(tǒng)控制策略

浮選入料濃度、流量是影響浮選生產(chǎn)煤炭質(zhì)量的核心因素，關(guān)系到了藥劑添加總量，直接影響了浮選系統(tǒng)的選煤效果。因此，浮選系統(tǒng)的控制方案應(yīng)該為前饋—反饋控制，加強(qiáng)對(duì)前端信息的反饋控制，尤其是起泡劑量與捕收劑量為不變量，在浮選系統(tǒng)的定量參數(shù)設(shè)置時(shí)，注重區(qū)分精煤灰分、入料灰分、入料流量等輸入量變量的參數(shù)性質(zhì)。

3 浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 浮選系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用西門子S7-300 系統(tǒng)，集成信號(hào)模塊、接口模塊、通訊模塊等。底層主板采用PROFIBUS DP 主/接口，為了加快CPU 計(jì)算設(shè)置大儲(chǔ)量的緩存器，同時(shí)建立起分布式I/O 接口系統(tǒng)。硬件的模式可分為可編程運(yùn)行模式、停機(jī)模式、存儲(chǔ)器、復(fù)位模式。浮選系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要依靠傳感器對(duì)模擬量信號(hào)的感應(yīng)，應(yīng)選擇適配的傳感器。在測(cè)試煤水合物濃度時(shí)，應(yīng)選擇直接接觸式傳感器，量程應(yīng)在0～300 g/L 范圍內(nèi)。傳感器的選用兩個(gè)主要參數(shù)為靈敏度和精度，選取CUM223 型號(hào)傳感器收集濃度參數(shù)。該型號(hào)傳感器的分辨率為0.01 g/L、輸入電流為4～20 mA、輔助電壓輸出為15 V±0.6 V[6]。

選取SM331 和SM332 模塊作為功能拓展模塊單元，實(shí)現(xiàn)8 路并行的模擬量傳輸通道，具有精度高、電隔離等工作特點(diǎn)。

3.2 浮選系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

浮選系統(tǒng)的軟件和硬件部分應(yīng)有較強(qiáng)的兼容性。采用STEP7 軟件實(shí)現(xiàn)與S-7 系列PLC 的組態(tài)、參數(shù)設(shè)置，通過(guò)多種協(xié)議的通信形式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的人機(jī)交互功能。將MP277 觸摸屏與PLC 的通訊模塊建立起聯(lián)系，應(yīng)用PROFIBUS 總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了通訊硬件的連接，如圖3 所示。

圖3 通訊硬件連接示意圖

通過(guò)Wincc 組態(tài)軟件編寫浮選監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面，便于技術(shù)人員操作、觀察，將操作頁(yè)面分為變量管理、報(bào)警記錄、變量記錄、文本庫(kù)、用戶管理等功能按鈕，如圖4 所示。

圖4 軟件界面示意圖

4 浮選系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

分別從浮選智能加藥和人工加藥兩個(gè)方面綜合對(duì)比分析了相同工藝條件下其對(duì)浮選生產(chǎn)過(guò)程的影響。下頁(yè)圖5 所示為浮選生產(chǎn)中的人工加藥和控制系統(tǒng)自動(dòng)加藥對(duì)比示意圖。

圖5 不同控制方式數(shù)據(jù)對(duì)比圖

從下頁(yè)圖5 中看出，人工加藥過(guò)程不僅曲線波動(dòng)較大且呈現(xiàn)出加藥過(guò)程具有明顯的滯后性，而與之不同的是，自動(dòng)加藥的曲線波動(dòng)較小，且能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況做出快速反應(yīng)并進(jìn)行調(diào)整。采用自動(dòng)加藥方式的浮選尾礦灰分遠(yuǎn)高于人工加藥的浮選尾礦灰分，且前者更為穩(wěn)定。兩者之間的對(duì)比表征，所建立的智能加藥控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，且能夠根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)情況而進(jìn)行快速調(diào)整，使控制保持在一個(gè)較好的水平，實(shí)現(xiàn)了藥劑無(wú)人添加。