回坡底選煤廠重介分選過程智能化系統設計

段福山，董林義，楊 周，李 勇，楊 斌

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 臨汾 041000)

回坡底煤礦選煤廠是與回坡底礦井配套的礦井型選煤廠，設計入洗能力185萬t/年，重介環節采用三產品無壓重介旋流器分選工藝流程，分選過程主要存在問題有：正常生產過程中，密控系統補水和分流只能實現集控手動控制，分流開度過大、時間過長，造成密度波動強、合介桶位不穩定，同時也影響磁選機回收磁鐵粉，介耗大，集控人員勞動強度大，使重介分選過程質量失控。

重介分選過程關鍵控制變量為補水量和分流量，尤其是分流操作對重介分選過程中懸浮液密度的影響較大。在分流閥開度較大的狀態下，大部分的介質通過磁選機回收后返回到合格介質桶中，使桶內懸浮液密度增大，為了平衡入料處懸浮液密度，此時補水閥開度也將增大，使密度降低，同時合介桶桶位升高，為了不使合介桶溢出，又需要將分流閥開度大幅度減小。使得整個系統處于一個參數之間強耦合的動態平衡中[1]，同時分流控制系統是一個滯后性較強的系統，分流閥開度對于懸浮液密度的影響要經過較長的時間才能夠反應過來，因此建立合適的數學模型對系統參數進行預測是分流控制的關鍵因素。

目前，采用的自動補水方法為PID控制算法，其控制效果較為理想。自動分流方法應與自動補水配合，有模糊控制、粒子群算法、最小二乘支持向量機等[2-5]，但在控制方式上還存在計算與控制相分離、控制響應時間較長等問題。整個控制系統較為繁瑣，維護難度大，軟件間過多的通訊也使得控制實時性得不到保證。因此，設計一個相對快捷、可移植性強、計算和控制于一體的控制系統對于重介分流控制工藝很有必要。

1 重介過程關鍵參量耦合特性分析

1.1 煤泥含量、磁性物含量的作用與耦合特性

懸浮液由水、加重劑和煤泥3種物質所組成。磁鐵粉含量可采用磁性物含量儀進行測試獲得，密度計可測出懸浮液密度，煤泥含量與密度和磁性物含量的數學關系通過建模可以獲得。重介懸浮液在分選過程中不僅需要密度穩定，更需要煤泥含量穩定，這是保證重介分選設備分選精度和分選產品質量穩定的雙重條件。

不同分選密度，在同等固體體積濃度下，分選密度越高，懸浮液煤泥含量變化的范圍越小。以固體體積濃度不高于30%為例，懸浮液密度為1.45 g/cm3時煤泥含量為0～48%，而當懸浮液密度為1.60 g/cm3時，煤泥含量為0～36%，急劇降低了12%.

控制重介懸浮液的磁性物含量或煤泥的方法是通過調整分流閥開度實現的，這是分流閥動作的第一個因素。同時可以看出，通過調整分流，在提高磁性物含量、降低煤泥含量的同時，重介懸浮液密度也增加了，可見分流實現降低煤泥含量的同時和密度控制具有耦合特性。

1.2 合介桶液位在密度控制中的作用與耦合特性

在正常重介選煤生產過程中，合介桶內液面，應該保持在合介桶位的中間部位。也就是說，對合介桶的液位應有高低限位。當懸浮液密度達到規定值的要求時，一般情況下合格介質桶內液面的高低取決于系統中磁鐵礦粉的總量。

液位過高，說明合格懸浮液的密度變小而不合格，且當停止生產時由于管道和分選器中的介質回流，會引起介質桶溢流，造成介質損失，應加大分流量，使之濃縮。液位過低，說明磁鐵礦粉總量過少，同時也會使合介輸送到分選器時壓力難以保證，影響正常生產，應添加新的磁鐵礦粉或者補加一定的濃介。

在正常生產過程中，合格介質桶的液位應是比較平穩、緩慢的逐漸下降。但是對于異常工況，則表現為合格介質桶的液位上升，這表明系統有多余的水補進，為了維持正常分選過程，需要通過分流的方式平衡進入合格介質桶中多余的水量，這就產生了第二個分流閥動作的原因。同時可以看出，通過調整分流，在降低合介桶液位的同時，密度也增加了，可見分流實現降低液位的同時和密度控制也具有耦合特性。

1.3 自動補水閥的作用與耦合特性

補水閥的PID自動控制方法應用效果較為理想，補水閥開度可體現重介懸浮液密度信息。根據補水閥控制特性，當閥位處于較小開度時，表明合格介質桶內的懸浮液密度已經比較低，可考慮提前進行分流，以維持合格介質桶內較高的密度值，維持自動補水的PID控制器的正常動作。反之，當自動補水閥閥位處于較大開度時，表明合介桶內的密度值處于較高值，此時可減少分流閥的開度，減少系統的補水量，相當于預測控制，提前動作，同時使得系統具有較好的控制環境。這是第3個分流閥動作的原因。同時可以看出，通過調整分流，在控制補水閥開度的同時，密度也發生了變化，可見分流實現預先控制密度的同時和密度控制也具有耦合特性。

從上述分析可以看出，實現自動分流主要考慮降低煤泥含量、維持合介桶合理液位、調整自動補水閥開度3個因素，同時這3個因素和密度自動控制具有耦合特性。因此，在自動補水和自動分流之間找到平衡，必須采用解耦技術。

2 PID補水+ LS-SVM分流重介分選過程智能控制方法

通過對密度控制系統的分析可以看出，密度控制系統是一個多輸入(密度值、磁性物含量給定、桶位和自動補水閥開度給定)和多輸出(自動補水閥和自動分流閥)系統，采用單純的PID控制器無法解決問題。

對于補水閥開度，采用PID控制實現，對于分流閥開度，其開度由磁性物含量、合介桶液位、補水閥開度、重介懸浮液密度等多因素決定，由于各影響因素與分流閥開度之間難以建立精確的數學模型，是一個非線性、強耦合的系統，因此，采用最小二乘支持向量機(LS-SVM)進行模型建立。控制系統結構示意圖見圖1.

圖1 重介懸浮液密度自動控制系統框圖

3 基于Spring Boot架構的重介分選智能控制系統設計

重介分選過程智能控制系統整體架構由感知層、控制層、應用層3部分構成。感知層中的傳感器采集桶位、密度、磁性物含量等數值，控制層中PLC進行收集之后通過Modbus TCP通訊將數據存儲在應用層的數據庫中，經過計算后返回自動分流的開度和補水閥開度兩個返回值，再通過PLC返回給分流閥和補水閥進行自動控制。

應用層采用了MVC框架實現WEB服務器開發，由于傳統的Spring框架配置更為復雜、部署配置過程更為繁瑣、影響開發效率，而Spring Boot技術的出現減少了以往復雜繁瑣的部署流程，能夠快速便捷的構建項目，使用AOP和Ioc技術實現了組件之間的松耦合性，解決了第三方技術集成難度大等一系列問題。因此，利用Spring Boot技術快速便捷完成WEB項目搭建的框架，配合MVC框架實現了業務邏輯、數據模塊和視圖顯示之間的解耦，同時使用Maven工具倉庫管理項目的依賴、編譯、文檔等信息，提供了starter簡化Maven配置，通過項目對象模型(Project Object Model，POM)進行項目相關功能的運作，完成了基于Spring框架的自動配置。Spring Boot還支持項目的熱部署，對于工業實時控制系統來說，無需停止服務器便可以對項目進行修改，使得該系統在調試修改過程中最大化地減少對生產的影響，是一種便捷高效的部署方式。

系統架構圖見圖2.

圖2 Spring Boot自動分流控制系統架構圖

4 系統功能設計與應用

在回坡底選煤廠建立重介分選過程智能控制平臺，功能設計見圖3.

圖3 重介分選過程智能控制平臺示意圖

重介分選過程智能控制平臺采用高性能服務器雙機冗余系統，配置UPS不間斷電源，安裝在集控室，用于實現采集數據、存儲數據、算法開發、控制下位、數據發布等功能。該平臺與配電室PLC建立通訊。PLC現場采集現有密度計、液位計、磁性物含量儀、旋流器入料壓力等傳感器數據。現場改造分流執行機構，安裝在脫介篩下合格介質管道處。

重介分選過程智能控制平臺Web發布的遠程控制界面見圖4.

圖4 重介智能控制平臺Web遠程控制界面圖

圖4所示Web發布界面，可利用計算機Web應用打開實現遠程授權登錄，隨時隨地對重介分選過程進行監測、控制，提高重介分選分選過程運行高效性。

回坡底選煤廠重介分選過程智能控制系統通過一段時期的運行，可實現自動分流與自動補水無擾切換，實現了密度高精度控制、桶位穩定控制、煤泥含量穩定控制。在精煤灰分合格的前提下，精煤產率提高0.2%以上，介耗降低0.2 kg/t原煤以上。

5 結 論

通過研究重介分選過程智能化控制，分析了重介過程各參量耦合特性，設計了自動補水與分流控制方法，并建立了感知層、控制層、應用層的重介選煤全過程智能控制架構與平臺，實現了選煤全過程的智能監測、智能控制、智能優化、智能遠程運維等。該研究成果將進一步提升現有重介分選過程智能化水平，穩定重介懸浮液密度和懸浮液內的煤泥含量，提高分選效果、保證產品質量、提高精煤回收率，降低介質消耗的效果，同時降低工作人員的勞動強度。