浮精智能壓濾系統研究與應用

李國瑞，楊瑞峰，成榮杰，張小偉

(1.中煤華晉集團有限公司王家嶺選煤廠，山西 運城 043300;2.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司， 天津 300121;3.天津美騰科技股份有限公司，天津 300000)

0 引言

壓濾系統是選煤廠保證生產用水閉路循環的重要組成部分。對于有浮選工藝的選煤廠，精煤是選煤廠的主要經濟產品。浮選精煤作為精煤產品的重要組成部分，影響著全廠的經濟效益。浮精壓濾系統崗位具有勞動量大、需全時守候、人員分散的特點。隨著科學技術的發展，單臺壓濾機的工作過程實現了單機自動化，如壓榨、反吹、取板、拉板等，但無法實現整個壓濾過程不間斷的自動化。本文研究、設計了一種浮精智能壓濾系統，通過將浮精壓濾機接入智能化系統可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)[1]、增加監測傳感器、結合算法模型、PLC控制程序開發、組態設計，實現了浮精壓濾系統的集群管控以及整個浮精過程的智能控制，提升了浮精壓濾效率，減少了浮精壓濾及關聯崗位人員數量，提高了人員的安全性。

1 王家嶺選煤廠浮精壓濾系統現狀

王家嶺選煤廠是一座入洗能力為6.0 Mt/a的煉焦煤選煤廠，選煤工藝為動篩跳汰+主再選重介旋流器+干擾床分選機(teeter bed separator,TBS)+浮選。浮選過程選出的精煤簡稱浮精。浮精是精煤產品的重要組成部分，直接影響全廠經濟效益。浮精中含有起泡劑，不及時壓濾會導致冒桶而無法正常生產。因此，保證浮精壓濾效率非常重要。王家嶺選煤廠浮精壓濾系統分為一期浮精壓濾系統和二期浮精壓濾系統，布置在不同車間中。

浮精壓濾系統設備關系如圖1所示。

圖1 浮精壓濾系統設備關系圖

每個車間內各有1個浮精池用來轉存浮精，共有16臺浮精壓濾機。其中，一期浮精壓濾系統8臺，二期浮精壓濾系統8臺。正常生產時，使用其中一期的浮精壓濾系統，另一期浮精壓濾系統停用。王家嶺選煤廠當前浮精壓濾機均實現了單機自動化，可自動反吹、壓榨、取板、拉板、壓緊，其余過程需要人員手動參與。浮精壓濾崗位分3班運行，每班工作時長8 h。每班有4人，其中3人操作壓濾機、1人巡檢下游關聯設備。正常生產狀態下，每班浮精壓濾板數在100～130板之間。

2 浮精壓濾系統智能化的研究與設計

2.1 浮精智能壓濾系統設計

單臺壓濾機壓濾是系統化、流程化的過程，具體步驟為壓緊、進料、進料結束、壓榨、反吹、松開、取板、拉板，需要在上一個環節完成后再進入下一個環節。王家嶺選煤廠浮精單臺壓濾機單機自動化實現了壓緊、進料、壓榨、反吹、取板、拉板的自動控制執行，而進料結束、二次壓榨、松開、閉鎖以及多臺壓濾機之間的配合使用尚未實現智能控制。浮精智能壓濾系統設計5個子控制單元與壓濾機自帶自動化程序，實現浮精壓濾全過程的智能控制。5個子控制單元分別為自動結束進料子控制單元[2]、自動二次壓榨子控制單元、自動排隊卸料子控制單元、系統閉鎖子控制單元、壓濾機自動啟停子控制單元。浮精智能壓濾系統子控制單元如圖2所示。

圖2 浮精智能壓濾系統子控制單元圖

浮精智能壓濾系統中，不同子控制單元既有不同的功能，又相互聯系。子控制單元既要執行單獨的控制邏輯，又要向其他子控制單元反饋需執行的命令，從而形成整個浮精壓濾過程的智能化控制。

2.2 浮精智能壓濾系統組成

浮精智能壓濾系統包括浮選精礦池、壓濾機入料泵、壓濾機、轉載刮板、轉載皮帶、監測傳感器、PLC系統、觸摸屏、算法模型。浮精智能壓濾系統解決了現有壓濾過程中每臺壓濾機需要在本臺壓濾機控制柜就地操作的問題。浮精智能壓濾系統采用PLC集成的方法，實現浮精壓濾系統的集群控制[3]。新增傳感器接入浮精智能壓濾系統PLC。單機自動化設備通過Modbus傳輸控制協議(transmission cotrol protocol,TCP)與浮精智能壓濾系統PLC通信。生產大系統PLC通過工業環網與浮精智能壓濾系統PLC通信。在浮精智能壓濾系統PLC中開發控制程序，結合算法模型，實現對浮精壓濾系統的集群控制以及壓濾過程的智能控制。

浮精智能壓濾系統架構如圖3所示。

圖3 浮精智能壓濾系統架構圖

3 浮精智能壓濾系統控制的設計

3.1 自動結束進料控制單元

當壓濾機進滿料后，需要結束進料操作。壓濾機是單機自動化設備，分為手動與自動2種操作模式。王家嶺選煤廠浮精壓濾機自動/手動模式都需要崗位人員手動點擊進料結束按鈕，然后進行下一個壓濾環節。崗位人員通過觀察壓濾過程中濾液水量的大小判斷壓濾機進料情況。每個濾液管的濾液水滴水不成線時為進滿料，極度依賴崗位人員的經驗。基于此問題，在浮精智能壓濾系統設計自動結束進料控制單元。在濾液水槽增加電磁流量計實時監測濾液水量大小，將監測到的實時數據傳入浮精智能壓濾系統PLC。分析手動狀態下進料結束的濾液水量值，根據現場情況優化得到進料結束的臨界值，并將其作為設定值。實時流量值與設定值進行比較的結果為進料結束的判斷條件之一。將壓濾機入料管壓力變送器接入浮精壓濾機PLC，設定目標壓力值，并將實時壓力值與設定壓力值比較作為另一個判斷條件。通過2個判斷條件，綜合判斷壓濾機進料情況。浮精智能壓濾系統自動結束進料子控制單元分為人工確認停止、系統自動停止2種模式。系統在自動狀態下達到進料結束條件后，自動觸發動作結束進料。在人工確認模式下，系統在達到進料結束條件后進行提示，由崗位人員進行確認。

自動結束進料控制如圖4所示。

圖4 自動結束進料控制圖

3.2 自動二次壓榨控制單元

王家嶺選煤廠浮精是精煤產品重要組成部分之一。壓濾后的浮精水分直接影響精煤總產品的水分。實際生產過程中，浮精壓濾過程存在二次壓榨的情況。王家嶺選煤廠崗位人員通過觀察一次壓榨時的濾液水量的大小和采樣化驗出的浮精水分，判斷是否需要二次壓榨。由于化驗具有滯后性，崗位人員主要依靠觀察濾液水量的大小進行判斷。當一次壓榨時的濾液水量大時，進行二次壓榨；濾液水量小時，則直接進入下一環節。當進行二次壓榨時，崗位人員將壓濾機切換到手動模式。崗位人員需實時堅守并且經驗依賴性強。針對此種情況，浮精智能壓濾系統設計了自動二次壓榨控制單元，通過電磁流量計監測得到的一次壓榨時的實時濾液水量大小，并輸入設定值。設定值由統計分析手動二次壓榨時濾液水流量優化得到[4]。此外，系統還增加了化驗水分值錄入窗口及水分要求設定值錄入窗口。水分要求值由選煤廠生產技術部門提供，采用濾液水流量壓榨算法與化驗水分壓榨算法共同作為二次壓榨的算法。當達到觸發條件后，控制單元觸發壓濾機動作，執行二次壓榨。

3.3 自動排隊卸料控制單元

王家嶺選煤廠每套浮精壓濾系統有8臺壓濾機。壓濾機下方轉載刮板與壓濾機為一對一，而下游的轉載皮帶最多只能承受2臺壓濾機同時卸料的負荷。這種現狀給3個崗位人員之間的協調配合帶來了很大的困難。同時，廠房內生產時聲音較大，容易出現溝通時信息失真的情況。改造前，因為各種原因，廠房內多次出現壓皮帶的情況。基于此情況，浮精智能壓濾系統中設計了自動排隊卸料控制單元。松開、取板、拉板3個過程屬于卸料過程。控制單元設定允許同時卸料的壓濾機臺數，讀取各臺浮精壓濾機的狀態得到正在卸料臺數與設定臺數的對比結果。當正在卸料臺數小于設定臺數時，允許循環狀態的壓濾機卸料，壓濾機自動松開，執行卸料動作[5]。當正在卸料的壓濾機臺數等于設定臺數時，對處于進料狀態的壓濾機中最先達到循環狀態的壓濾機開始編號，編號由小到大[6]。正在卸料的壓濾機卸料結束后，從編號最小的壓濾機開始卸料。

3.4 系統閉鎖控制單元

王家嶺選煤廠浮精壓濾系統的每一期都對應1條浮精轉載皮帶。浮精轉載刮板與浮精壓濾機一一對應。在生產過程中，浮精轉載皮帶一直運轉。在壓濾機不卸料時，皮帶運轉會造成電力資源的浪費。浮精壓濾機對應的轉載刮板在壓濾機反吹完成，松開動作前需要崗位人員開啟，并與設備巡檢人員確認是否實際開啟。如出現溝通不暢情況就可能造成壓刮板現象，給生產帶來了很大的不穩定性。為了提高壓濾系統的穩定性，浮精智能壓濾系統對系統閉鎖控制單元進行了研究。將浮精智能壓濾系統PLC與主洗車間大系統PLC相互通信，設計閉鎖與解鎖狀態[7]。

(1)閉鎖狀態。

①當使用一期浮精壓濾系統時，如精煤落倉皮帶與上倉皮帶處于停止狀態，則浮精轉載皮帶無法啟動，浮精轉載刮板亦無法啟動，壓濾機無法進行松開操作。

②當使用二期浮精壓濾系統時，如精煤落倉皮帶、上倉皮帶以及圓盤給料機3個設備中的任意1臺設備處于停止狀態，浮精轉載皮帶無法啟動，浮精轉載刮板亦無法啟動，壓濾機無法進行松開操作。

③當精煤落倉皮帶、上倉皮帶運行正常時，如每臺正在使用的浮精壓濾機都不在卸料狀態，浮精轉載皮帶停止運行。如正在使用的浮精壓濾機達到卸料條件時，觸發浮精轉載皮帶、轉載刮板自動開啟動作；如本臺壓濾機卸料完成后，轉載刮板自動停止，而轉載皮帶是否運行需依據其他壓濾機狀態判斷[8]。

(2)解鎖狀態。

在解鎖狀態下，崗位人員可隨意操作任意1臺設備。

3.5 壓濾機自動啟停控制單元

王家嶺選煤廠的浮精池液位處于高液位狀態，且液位為上漲趨勢時，會開啟其中1臺備用壓濾機。當浮精池液位處于低液位狀態，會關閉其中1臺或多臺壓濾機，避免浮精池抽空或者出現冒桶現象。由于壓濾崗位無法實時查看浮精池的液位，冒桶現象時有發生。鑒于這種情況，浮精智能壓濾系統設計了壓濾機自動啟停控制單元。該設計將浮精池高度劃分為高液位、低液位、正常液位3個液位區[9]。通過浮精池液位計監測浮精池實時液位。在正常液位狀態時，對浮精池液位變化率進行比較。當差值小于設定值，浮精壓濾機臺數不變化。當差值大于設定值，相應地開啟與關閉浮精壓濾機。在低液位狀態時，關閉1臺正在進料的壓濾機，以提高浮精池液位。在高液位狀態時，開啟2臺備用浮精壓濾機中的1臺，觀察液位變化情況。壓濾機自動啟停控制單元分為人工確認與系統自動2種操作模式[10]。在系統自動模式下，當達到壓濾機啟停觸發條件時，由浮精壓濾機PLC控制執行相應動作。人工確認模式下，彈出相應的確認窗口，在崗位人員點擊確認后，由浮精壓濾機PLC控制執行相應動作。

4 效益分析

王家嶺選煤廠浮精智能壓濾系統于2021年3月開始調查、研究、設計、實施與調試，于2021年6月中旬開始在王家嶺選煤廠正式投入使用。使用4個多月以來，浮精智能壓濾系統運行效果良好，提高了浮精壓濾效率，解決了壓濾崗位人員必須堅守崗位、人員不靈活的問題。浮精智能壓濾系統實現了一期浮精壓濾系統和二期浮精壓濾系統的集群監控，降低了巡檢崗位人員以及壓濾崗位人員的工作量。浮精智能壓濾系統對壓濾過程的智能化控制，實現了壓濾過程的無人化，降低了安全事故發生的概率，使生產過程更安全。

智能化升級前后壓濾板數對比、浮精平均水分對比分別如表1、表2所示。

表1 智能化升級前后壓濾板數對比

表2 智能化升級前后浮精平均水分對比

浮精智能壓濾系統投用后，王家嶺選煤廠浮選精煤壓濾系統崗位人員每班由4人減少到2人，人工成本每年減少48萬元。浮精水分指標低于24%的由改造前的70%提高到80%左右，浮精水分由改造前的23.9%降低到23.8%，穩定了精煤產品指標。生產過程中，每小時平均壓濾板數由改造前的16.08板提高到17.68板，壓濾效率提高了10%。由此表明，該系統的使用在保證精煤指標的同時，為提高浮選精煤生產率奠定了基礎，也間接提高了全廠經濟效益。

5 結論

王家嶺選煤廠浮精壓濾系統通過設計子控制單元，實現智能化升級改造。壓濾機的自動啟停子控制單元使浮精池液位較改造前更加穩定。自動進料結束子控制單元解決了壓濾過程不連續、崗位人員需實時堅守崗位的問題，提高了崗位人員工作的靈活性。自動二次壓榨子控制單元提高了浮精水分指標的合格率，減少了與業主水分指標糾紛的次數。自動排隊卸料子控制單元實現了壓濾機之間的排隊卸料，解決了現場“壓皮帶”生產事故。系統閉鎖子控制單元使浮精轉載刮板、轉載皮帶過載頻次大大降低，保證了壓濾過程及整個系統生產過程的連續性與穩定性。

浮精智能壓濾系統提升了王家嶺選煤廠浮精壓濾系統的智能化水平，提高了浮精壓濾效率和人員工作效率，減少了崗位人員，使人員的調配更加靈活，為提高全廠經濟效益提供了支持。浮精智能壓濾系統提高了崗位人員的安全性，有巨大的社會效益，為各廠解決壓濾崗位人員捆綁的問題提供了方法與案例，值得推廣使用。