重介質懸浮液密度自動控制現狀分析

張文志

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

重介質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點，廣泛應用于我國選煤生產領域中，并且產生了良好的分選效果[1]。在重介質分選中，懸浮液密度作為被控制變量，對重介質分選效果有著決定性的影響，因此，實現對重介質懸浮液密度的自動控制，是提高重介質選煤效果的關鍵。

1 重介質懸浮液特性分析

1.1 重介質懸浮液組成

重介質懸浮液是重介質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。重介質懸浮液由水、煤泥和加重質(磁鐵礦粉)組成[2]，三者按照一定比例混合，組成懸浮態的三相流體。通常使用的加重質密度為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 重介質懸浮液密度計算

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

式(1)中，ρav=100/(a1/ρ1+a2ρ2)，為重介質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，為重介質懸浮液固體體積濃度，g/cm3；a1為磁鐵粉質量百分數，%；a2為煤泥質量百分數，%。

理論上，礦石的分選密度應等于懸浮液的物理密度，但在實際的懸浮液中，由于受結構化因素的影響，分選密度常常高于其物理密度。

1.3 重介質懸浮液密度特性對分選效果的影響

在實際生產中，重介分選的懸浮液密度是一個動態穩定的過程，不同形式的密度場具有不同的密度分布，取決于重介質分選機的性能[5]。對不同密度條件下的懸浮液進行分選試驗，研究不同密度時懸浮液的穩定性。

從研究結果來看，懸浮液的穩定性與入料時的密度密切相關[6]。當入料密度過低時，懸浮液穩定性降低，導致可能偏差變大；隨著懸浮液密度的逐漸增大，懸浮液的穩定性逐漸增大，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，既能使懸浮液穩定性較高的同時，還可以保持懸浮液粘度較低，這樣才能達到最佳的分選效果。

2 重介質懸浮液密度自動控制

當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備穩定性差等，生產中高能耗也制約著選煤行業的穩定和發展[8-9]。面對這樣的情況，選煤領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的控制系統。

2.1 重介質懸浮液密度控制系統

2.1.1 PLC控制系統

PLC即可編程控制器，最早出現于美國20世紀60年代[10]，隨著計算機技術和電子技術的不斷發展進步，目前的PLC系統早已經取得了重要的突破，系統的功能也日益全面、強大。目前在我國的選煤廠應用廣泛，以屯蘭選煤廠為例，其系統由PLC/CPU控制器、步進閥和密度計組成[11-13]。檢測裝置采用阿姆德爾數字密度計，同時配合前置放大器，完成信號的采集和信號傳輸。PLC/CPU控制器信號處理機輸出模擬電流，通過屏蔽電纜上傳至PLC柜輸入模塊，再經遠程I/O模塊掃描后傳輸到密控室主控電腦，電腦CPU對信號進行處理后發送給PLC柜的輸入模塊，由PLC柜的輸出模塊將執行指令傳輸給執行器。執行器根據接受的信號調整步進閥開度，通過控制加水量來控制介質密度[14-15]。

圖1顯示的系統為閉環回路。具體過程為信號處理機輸出端輸出的模擬電流，通過PLC柜的輸入模塊傳輸到CPU，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PLC柜輸出模塊將指令發送給步進閥，來調節步進閥開度的大小[16-17]。生產中，若實際測量的密度信號大于設定密度，執行器調節步進閥逐步加大開度，加入合格懸浮液中的稀釋水量增多，懸浮液密度下降；反之，步進閥開度減小，稀釋水量減少，懸浮液密度上升。保持實際測量的密度值與設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狀態。

圖1 密度控制系統

2.1.2 PID控制系統

對于懸浮液密度的控制，目前采用最多的就是PID控制系統，其原理非常簡單，在使用過程中也非常方便，具有很強的穩定性和適應性。同時，其參數調整也相對簡單，具有完整、系統的參數調整方案。但對于參數和結構不確定的非線性、時變、耦合和復雜過程，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，當外部誤差急劇增大時，PID往往不能很好地控制，因為PID輸出不能像輸入那樣急劇增大，是一個慣性量。這將導致系統超調，影響系統運行的效果。

具體控制過程為：PID控制系統通過測定懸浮液，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節模糊控制器，實現自動加水調節與自動打分流調節[18]。生產中，當檢測的密度大于選別系統設定的密度時，加水閥門將開大，這樣通過往合格介質桶里補加水達到降低合格介質密度的作用，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測量懸浮液密度，配合PID控制系統，最終在生產中可以使密度誤差控制在0.5%內。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，會導致生產作業中的密度控制出現典型的大慣性、大滯后控制現象[19-20]，故僅采用PID控制會產生超調現象和震蕩現象。因此，目前PID控制僅是實現了補加水的全自動化，并沒有實現打分流的全自動化，在許多的生產作業中，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的同時又存在著控制精度低的問題。所以實現打分流流程的全自動化是未來懸浮液密度控制系統的關鍵，也是未來研究的重點方向。

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，從而實現變量的耦合分解，將多變量的耦合通道變成單個獨立的變量控制通道，使之與控制系統的控制通道一一對應，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估補償控制，在密度控制中普遍存在大滯后現象，例如PID控制系統，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的控制方法，有效地降低了超調量與加速系統響應，該方法的控制原理為通過反饋控制從而實現控制器的提前補償，這樣不僅有效削弱了大滯后現象的發生，還可以使系統的穩定性得到一定的提高。

前饋補償—Smith控制算法的思想是將解耦控制的優點和Smith補償的優點結合起來。在解耦系統中采用Smith補償，不僅可以有效補償不相互影響的控制通道，而且可以對時滯進行有效地補償。這種方法可以實現多變量時滯系統的有效控制。

2.2 重介質懸浮液密度的檢測

在懸浮液的2個重要指標——粘度與密度測量中，粘度的測量還存在一些技術上的問題，而密度的測量已經很容易實現了。一般情況下，實際生產中應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，計算礦漿密度，從而計算出礦漿濃度，再根據礦漿濃度查對表即可得到結果。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測量的方法。目前應用最廣泛的就是放射性密度計。放射性密度計是利用γ射線穿過被測物質時，其強度隨物質的密度變化的原理，測量物質密度的儀表。這種方法測量精度更高、更快、容易實現自動化測量。但是這種儀器產生的射線對人體有害。

目前，新型數字式密度計則很好地解決了這2個問題。新型數字式密度計的測量原理是根據裝滿樣品的管子的振動頻率與管中樣品質量的不同而不同的。并且，新型密度計還可以選配RS232接口及軟件，可連接電腦實現數據傳輸及遠程控制。既實現了方便快捷的自動化測量和高精度測量，又消除了有害物質的影響。

2.3 重介質懸浮液密度自動控制發展趨勢

在重介質分選中，重介懸浮液密度控制的精準度和穩定性，影響整個分選過程，并直接影響著產品的質量。自動控制必然是未來的主要控制方式，而對密度控制系統的優化改進則是未來研究的主要內容之一。

隨著互聯網技術的不斷提高與發展，對于目前系統存在的問題，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，目前依存現有算法的控制系統，其中最為突出的問題就是滯后性強，多參數耦合度高，難以實現獨立參數控制的問題[28-29]。因此，控制中涉及的軟件較多，各控制系統相對獨立，使得控制軟件與整個控制系統的匹配程度較低[30]。

在這種背景下，要求控制系統要具備更全面、更精準、更自動化、能使系統與軟件高度匹配的系統[31]，未來的控制系統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、后期維護等方面，都將會得到很大的提高與幫助。

3 結 論

重介質懸浮液的密度是重介分選中的重要指標，是影響分選效果的重要因素，因此對于重介質密度特性的研究，可以幫助選煤廠實現更加有效的分選，提高分選工藝的效率。而在實際的生產作業中，如何控制懸浮液密度是提高生產效率的關鍵。對于當前的控制系統，還存在著不足，需要人們進一步研究，找出更好的控制算法，從而實現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。