選煤廠浮選自動化控制裝置系統設計研究

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，我國雖然正在推行新能源技術的發展，但煤炭能源的消耗仍占據我國能量消耗總量的70%左右[1]。在現有的能源結構現狀下，更加重視煤炭的質量，注重潔凈煤炭的開發，減小環境污染，實現綠色可持續發展。選煤廠是煤炭生產面市的主要環節，如何保證生產出高質量、低污染的煤炭產品是關鍵技術問題。其中選煤廠浮選系統對煤炭產品質量有著較大的影響，目前浮選系統的生產工藝缺乏穩定性，受到技術工人經驗的影響干擾，自動化程度偏低，主要依靠手動方式對浮選系統的入料量和添加劑進行操作。浮選系統是實現復雜煤炭工業過程的基礎性保障，如果僅是依靠人工手動操作的方式對入料量及添加劑進行控制，很難達到理想的煤炭產品質量效果。因此，完善浮選系統的自動檢測、自動控制、自動添料的系統功能，有助于提升浮選過程的經濟性和可靠性。采用電氣自動化選煤技術，對浮選系統的自動化進行設計研究，實現浮選系統由手工操作到自動化運行的改變。

1 浮選系統工藝

1.1 工藝流程

精煤產品根據煤塊顆粒大小的不同，主要分為精大塊、精中塊、精小塊、粒煤、末煤等產品[2]。通常選煤機采用的是跳汰主洗和煤泥浮選相結合的工藝方式。進入浮選系統的物料主要由主廠房內部的分級篩溢出的煤泥水組成，同時弧形篩的煤泥水和高頻篩的煤離水也將通過主管道進入至浮選系統。煤泥水通過過濾機形成生產物料，通過輸送管道進入緩沖池，由緩沖泵抽送至浮選系統進行分級篩作業。此時緩沖池內將留下渣漿，通過緩沖水池內的攪拌與水形成混合液體，在重力作用下流入粗礦池。最終通過弧形篩浮選出煤炭的精礦與尾礦，由精礦池對浮選出的煤炭物料進行收集。整個浮選工藝過程中，浮選機的工作頻率以及正壓式過濾機的脫水性能影響著精煤產品的產出質量[3]。

1.2 浮選藥劑添加流程

浮選系統添加藥劑的執行部件為電磁閥。在設計浮選自動化系統時，應將電磁閥作為智能化控制對象。由于電磁閥的安裝位置在藥劑添加箱內，需要保持箱內壓力恒定，確保添加劑量的穩定性。但是添加藥劑也將根據浮選系統產品流量確定，依據單位時間內煤炭產品出貨量的速度，調節電磁閥的響應速度，在控制系統中將電磁閥與流量參數進行匹配，設置為正比例線性關系，形成了浮選系統加藥工藝流程，如圖1 所示。

圖1 浮選系統加藥工藝流程示意圖

1.3 影響浮選精度因素

浮選過程包含有氣、液、固三相的物質狀態，所產生的物理和化學變化各不相同。三相同存物質造就了浮選過程的復雜性，隨著工藝的進行，由于添加了浮選藥劑，使得浮選系統產生了多變性。影響浮選精度的因素主要有5 個方面：煤炭物料顆粒細度；浮選系統添加藥劑的管理制度和技術方案；浮選系統的設備選型；浮選入料的濃度；技術人員的經驗教訓及系統性決策[4]。

2 浮選自動控制系統方案設計

2.1 整體系統設計

洗煤廠由多個智能化系統組成，但是浮選系統為單獨控制模塊，沒有接入整體集中控制體系中，缺乏整體的工作調度，僅憑借技術工人的經驗進行操作。設計浮選系統應該兼顧與其他智能化系統的匹配性，要實現由PLC 核心控制部件進行統一的智能控制，設計出浮選控制系統的框架圖，如圖2 所示。

圖2 浮選控制系統結構示意圖

由圖2 可知，通過系統的傳感器將浮選系統的關鍵數據，包括流量、濃度等信息傳遞至上位機，由PLC 進行數據換算和命令執行，可對藥劑添加量進行預測。PLC 將模擬信號轉化為數字信號，對計量泵輸入4～20 mA 的電流信號進行驅動，提高了藥劑添加的進度，減小的人工過程的干預[5]。

2.2 系統控制策略

浮選入料濃度、流量是影響浮選生產煤炭質量的核心因素，關系到了藥劑添加總量，直接影響了浮選系統的選煤效果。因此，浮選系統的控制方案應該為前饋—反饋控制，加強對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，在浮選系統的定量參數設置時，注重區分精煤灰分、入料灰分、入料流量等輸入量變量的參數性質。

3 浮選自動控制系統功能實現

3.1 浮選系統硬件設計

選用西門子S7-300 系統，集成信號模塊、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 計算設置大儲量的緩存器，同時建立起分布式I/O 接口系統。硬件的模式可分為可編程運行模式、停機模式、存儲器、復位模式。浮選系統的數據來源主要依靠傳感器對模擬量信號的感應，應選擇適配的傳感器。在測試煤水合物濃度時，應選擇直接接觸式傳感器，量程應在0～300 g/L 范圍內。傳感器的選用兩個主要參數為靈敏度和精度，選取CUM223 型號傳感器收集濃度參數。該型號傳感器的分辨率為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，實現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。

3.2 浮選系統軟件設計

浮選系統的軟件和硬件部分應有較強的兼容性。采用STEP7 軟件實現與S-7 系列PLC 的組態、參數設置，通過多種協議的通信形式，實現上位機與下位機的人機交互功能。將MP277 觸摸屏與PLC 的通訊模塊建立起聯系，應用PROFIBUS 總線協議，實現了通訊硬件的連接，如圖3 所示。

圖3 通訊硬件連接示意圖

通過Wincc 組態軟件編寫浮選監控系統的軟件界面，便于技術人員操作、觀察，將操作頁面分為變量管理、報警記錄、變量記錄、文本庫、用戶管理等功能按鈕，如圖4 所示。

圖4 軟件界面示意圖

4 浮選系統運行效果分析

分別從浮選智能加藥和人工加藥兩個方面綜合對比分析了相同工藝條件下其對浮選生產過程的影響。下頁圖5 所示為浮選生產中的人工加藥和控制系統自動加藥對比示意圖。

圖5 不同控制方式數據對比圖

從下頁圖5 中看出，人工加藥過程不僅曲線波動較大且呈現出加藥過程具有明顯的滯后性，而與之不同的是，自動加藥的曲線波動較小，且能根據生產實際情況做出快速反應并進行調整。采用自動加藥方式的浮選尾礦灰分遠高于人工加藥的浮選尾礦灰分，且前者更為穩定。兩者之間的對比表征，所建立的智能加藥控制系統實現了其過程的實時控制，且能夠根據系統生產情況而進行快速調整，使控制保持在一個較好的水平，實現了藥劑無人添加。