重介質選煤過程自動測控系統的應用研究

白晉杰

（山西王家嶺煤業有限公司， 山西 忻州 036600）

引言

在重介質選煤過程中，重介質懸浮液密度、煤泥含量和合格介質桶液位是保證精煤質量的重要工藝參數。作為一個多參數強耦合、時變，平線性、大滯后的復雜分選控制過程，傳統人工操作系統難以實現穩定。為穩定產品質量和提高精煤產率，唐山研究院以傳統PID 控制算法為基礎，以專家經驗控制為主線，以前饋控制及模糊控制理論建模為輔助構建多模態控制方法，對過程參數進行及時準確的修正，自動實現過程控制系統的決策方案。

1 重介質選煤自動測控系統硬件構成

1.1 重介質選煤過程自動測控的系統組成

控制回路采用雙控閉鎖設計理念，由集控室工業控制智能控制系統和現場手動操作共同實現。針對重介系統工藝參數的采集與處理，分別采用基于遠程I/O 模塊的“經濟型”解次方案和基于PLC 的“優化型”解決方案，為重介質分選過程提供精確靈敏的工藝控制平臺[1-3]。

1.1.1 “經濟型”控制平臺的集成

“經濟型”控制方案以ADAM-400 系列模塊為平臺，工藝參數采集采用16 位、8 通道的ADAM-4017 模擬量輸入模塊。控制參數輸出采用單通道電壓或電流輸出的ADAM-4021 模擬量輸出模塊，接收到主機的請求信號后，模塊將數據通過RS-485 網絡按照所需的工程格式發出，驅動執行機構進行工藝參數調節。

針對中小型選煤廠的單一工藝控制系統，ADAM-4000 系列模塊建立的重介質選煤過程自動測控系統既可以作為一套獨立系統進行工作，同時也可進行集中統一的遠程控制。該系統結構清晰，配置靈活，可維護性強，其特點是成本低廉。

1.1.2 “優化型”控制平臺的集成

“優化型”控制方案以SIMATIC S7-1200 系列模塊化控制器為臺。S7-1200 控制器設計緊湊、組態靈活、指令集功能強大且成本低廉，是控制小型應用的完美解決方案。

CPU 將微處理器，集成電源、輸入和輸出電路、內置PROFINET、高速運動控制I/O 和板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中，形成功能強大的控制器。下載用戶程序后，CPU 將包含監控應用中的設備所需的邏輯，并根據用戶程序邏輯監視輸入與更改輸出。

PROFINET 基丁工業以太網技術，使用TCP/IP和標準協議，借助PROFINET 網絡，CPU 可以與HMI面板或其他CPU 通信，方便與其他主干工控系統進行連接，增強了系統的可拓展性，靈活性和穩定性。

1.2 檢測儀表與執行機構

測量元件和執行元件是自動調節系統的兩個主要環節。重介質選煤生產過程需要自動調節的工藝參數較多，且與介質和煤泥水有關，作為不均勻混合體具有成分復雜、無規律、不均勻和易沉降等特點。固此，系統調節繁瑣，要求自動測控系統所選用的測量儀表和執行器，不僅要適應選煤廠比較惡劣的工況環境，還要具有結構簡單、工作可靠、堅固耐用、使用方便、通用性強，便于維護和管理的特點。

1.2.1 檢測儀表

重介質選煤過程自動測控系統的檢測儀表主要由密度計、磁性物含量儀、運傳壓力表和液位計組成。其中，由唐山研究院研發的無輻射、智能、在線壓差密度計和磁件物含量儀，具有無輻射威脅、安裝方便、操作簡單、測量精確和易于維護等優勢，可有效降低工人的勞動強度和企業的維護成本。

1.2.2 電動執行機構

重介質分選過程中執行機構的負載阻力變化無常，要求自動調節系統中采用的執行機構具有驅動能力大、結構簡單、堅固耐用且工作可靠的特點。采用角行程電動執行器，用于控制加水和分流動作。執行器具有電氣和機械雙限位保護功能，可杜絕操作上的失誤，減少事故的發生。角行程電動執行器采用220VAC 供電，單相何服電機，正反調節靈活，定位準確，動作快速，具有良好的調節性能。

1.2.3 分流箱

分流箱是重介質選煤過程中自動測控系統的重要執行機構，可將懸浮液入料量分成兩部分，即分流和回料。分流量占比可在0～100%范圍可調，主要用于控制高密度懸浮液至合格退液桶的分流量，脫介篩下介質返回合格介質桶的分流量等，實現對懸浮液黏度和合格介質桶液位等參數的控制。

2 重介質選煤自動測控系統軟件功能

2.1 軟件功能的原理

2.1.1 重介質懸浮液密度自動測控原理

在懸浮液密度控制回路中選取補加水為主要控制變量，高密度介質的補加量為輔助變量。測量密度與給定密度同時進入程序的PID 控制器，偏差信號由PID 完成調節，運算結果經專家智能判斷系統進行校正后，送入執行機構，將輸入信號與位置反饋信號進行比較，從而驅動電動執行機構工作。

2.1.2 合格介質桶液位自測控原理

控制回路采用開關量控制方法，對合格介質桶液位設定上、下限，當液位高于上限，密度低時，首先考慮分流，為了提高調節的速度也也可同時補加高密度介質；當液位低于下限，密度也低時，首先考慮加高密度介質；當液位低于下限，密度高時，應補加清水或補加循環水。

2.2 軟件功能的實現

針對“經濟型”與“優化型”兩種硬件平臺，提出由組態王和SIMATIC WinCC 分別組建各自軟件設計方案。重介質選煤過程控制管理系統包括“密度監控系統”“煤泥含量監控系統”“液位監控系統”“數據報表系統”“趨勢監控系統”五個功能模塊，其中密度控制是整個測控系統的核心，各功能模塊之間相互聯系又分工明確，共同實現以下功能：

1）通過網絡通信與全廠各級監控系統上位機組態軟件進行連接，實現對關鍵數據、工藝運行參數、各監控點情況進行實時測控。

2）實現對重介質選煤密度、煤混含量和關鍵液位的測控，以保證分選精度達到乃至高于生產標準，實現選煤廠建設的最終目標。

3）對采集到的數據進行科學分析，并提供科學的決策。

3 實踐應用案例分析

山西某選煤廠設計生產能力為1.5 Mt/a，在工藝設計時采用的重介浮選工藝，是以無壓給料三產品重介質旋流器為主選設備。為提高重介質分選系統的正常生產和工作效率，該選煤廠經技術分析考察，選擇安裝“經濟型”重介質選煤過程自動測控系統。該系統與廠內其他控制系統通過OPC 接口進行數據通信，具有良好的擴展性，能夠為生產管理提供可靠的數據來源。

“經濟型”重介質選煤過程自動測控系統在選煤廠投入運行后，系統運行穩定可靠，系統的應用能實現對重介質選煤過程的全過程監控，工作人員在控制室就可以掌握選煤生產的全部情況，實時掌握工藝過程各工藝參數的變化情況，并通過異常預警對工藝參數進行實時調整，有效提高工作效率，實現了節能降耗、提高分選效果的目標。