基于重介工藝參數自動測控技術的研究

高俊梅

（1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012）

1 概述

朱集西礦井選煤廠重介生產過程中粘度控制精度和懸浮液密度控制精度不夠高，提出了重介工藝參數自動測控技術，該技術以專家經驗控制為主線，傳統PID 控制算法為基礎，模糊控制及前饋控制相輔助的控制方式，在針對工藝參數實時監測的同時，綜合考慮被控參數間的耦合關系，依據生產指標的需要，及時調整參數數據，最終使自動過程控制系統得以實現。

2 硬件構成

2.1 選煤廠重介工藝參數自動測控的系統組態

朱集西礦井選煤廠系統采用雙控閉鎖的控制回路方案，達到集控室以及現場都可以操作的目的，保證了系統運行的可靠性。該系統采用了“優化型”解決方案（基于西門子PLC）和“經濟型”解決方案（基于研華科技遠程IO 模塊）采集和處理重介系統的工藝參數，進而通過這兩個方案使重介洗選的工藝系統更加靈敏精確[1-2]。

（1）基于西門子PLC 控制平臺的集成

基于西門子 S7—1200 系列模塊為基礎的“優化型”控制平臺適用于小型自動化系統，具有靈活的組態、緊湊的設計、強大的指令集功能并且價格低廉，可以控制小型的應用。CPU 通過使用IT 和TCP/IP 標準協議的PROFINET 網絡與其他CPU 或者HMI 進行通訊，提高了系統的穩定性，加強了系統的靈活性[2]。“優化型”重介工藝參數自動測控系統如圖1。

圖1 “優化型”重介工藝參數自動測控系統

（2）基于研華科技遠程IO 模塊的集成

基于研華科技遠程IO 模塊平臺以研華科技ADAM—4000 系列模塊為基礎，ADAM—4000 系列模塊建立的重介工藝參數自動測控系統可以作為一些中小型選煤廠的工藝控制系統。該系統具有靈活的配置、清晰的結構以及超強的維護性[2]，因此該系統是一項極為經濟的解決方案?！敖洕汀敝亟楣に噮底詣訙y控系統如圖2。

圖2 “經濟型”重介工藝參數自動測控系統

2.2 選煤廠檢測儀表與執行機構

（1）無輻射智能在線密度計

由唐山研究院自主研發的無輻射智能化在線密度計，對各種液體或液態混合物進行連續在線密度測量，可直接用于生產過程控制。該密度計安裝使用方便，裝入液體即可顯示讀數，自定義密度單位，便于進行行業標密換算，自帶溫度補償，表頭可顯示溫度值，并可根據客戶需要調整溫度補償范圍。防腐型密度計管道內外做浸入式襯四氟防腐處理，無死角、氣泡，延長產品使用壽命，在實現精確測量的前提下達到國家環保要求[3]。

（2）磁性物含量計

選用了CG 型電感式磁性物含量儀作為該系統的磁性物含量計，它的工作原理是根據導磁物質通過空芯線圈繞組而引起電感量變化來測量懸浮液中的磁性物含量。在主管道上升段安裝磁性物含量計，其測量范圍是0～1.000 g/ L[4]。

（3）同位素密度計

同位素密度計具有測量精度高、反應快速的特點，因此可以保證數據的準確性。為了確保測量管道內沒有沉淀物和氣泡，一般將密度計安裝在懸浮液的上料管道上，這樣也可以確保密度的變化量與射線強度的變化量成正比[5]。

（4）壓力表

該系統采用布萊迪公司生產的差動遠傳壓力表測量旋流器入口的壓力，該壓力表既可以轉換為4～20 mA 或者0～10 mA 的標準電流信號輸出，又可以通過指針現場指示。其測量范圍為0.1～0.6 MPa，精度等級為15 級。

（5）超聲波液位計

該系統采用SIMATIC 非接觸式超聲波液位計測量合介桶的液位，其傳感器采用的Tefzel 材料。該超聲波液位計具有超強的抗干擾能力和較高的測量精度，因此適用于比較惡劣的工業環境[6]。

（6）電動執行機構

該系統采用的是角行程電動執行器，用于分流和加水，其具有機械和電氣的雙重保護功能，可以防止事故的發生。該執行器通過伺服放大器可以實現4～20 mA 信號給定，在特殊情況下，還可以通過執行器的手動/電動開關進行調節。

3 軟件功能

3.1 選煤廠自動測控軟件功能的原理

（1）自動測控重介質的懸浮液密度原理

由于選煤廠的重介生產過程是非線性系統，并且具有耦合參數多、變化慢的特征，因此在原有的PID 控制算法上加以改進，通過與專家經驗的控制相結合的模糊算法構成一個新型的控制算法，如圖3。一個正常的選煤過程，重介系統的密度會逐漸變大，合介桶的液位會隨之變小，因此，采用補加水為主要手段，補加濃介質以輔助來控制懸浮液的密度值。給定密度與測量密度同時進入PID 控制器的程序，PID 程序負責調解產生的偏差信號，將比對結果經專家經驗庫系統校正后，直接送入到加水執行機構執行電機驅動操作。

圖3 重介質懸浮液密度自動測控框圖

如果給定密度小于測量密度，打開加水執行器，加大給水量，以確保密度及時降下來；如果給定密度和測量密度的差值控制在0.002 范圍內時，PID控制器不做反應，此段區間看做是死區；如果給定密度和測量密度的差值大于0.001 時，要根據合介桶液位是否正常來加以調整。當液位正常時，不管如何計算黏度值，直接給定分流量到45%；當液位明顯低于下限值時，只能是通過補加濃介質和補加水來分別提升密度值和液位值。

（2）煤泥含量自動測控原理

對于一個重介質選煤廠來說，影響分選效果的重要因素就是懸浮液中的煤泥含量，通過弧形篩下的分流裝置控制分流量，進而可以控制煤泥含量。當煤泥含量小于設定值，降低PID 調節器的輸出，通過伺服放大器驅動電動分流裝置，減少稀介質桶的分流；當煤泥含量大于設定值，提高PID 調節器的輸出，通過伺服放大器驅動電動分流裝置，增大稀介質桶的分流；當煤泥含量等于設定值，PID 調節器的輸出和分流量都保持不變。煤泥含量自動測控原理如圖4。

圖4 煤泥含量自動測控框圖

（3）合格介質桶的液位自動測控原理

在重介質選煤中另一個重要參數就是合介桶液位，液位過高過低都會影響分選效果。如果液位過高就會出現介質外流，既會造成不必要的損失，也會造成環境污染；如果液位過低，會造成旋流器的入口壓力不足，導致打空泵。所以，選煤廠及時地檢查和調節合介桶液位是至關重要的[7]。液位自動測控系統如圖5。

圖5 合介桶液位自動測控框圖

3.2 選煤廠自動測控軟件功能的實現

該系統可采用性價比較高的組態王或者結構更加優化的SIMATIC WinCC 分別建立各自的方案。由于監測數據和相關管理信息分散在選煤廠不同區域，要完成檢測控制以及數據分析很困難。本自動測控系統有著實時在線、全網覆蓋和遠距離傳輸等特征就解決了這一難題。因此，自動測控系統使選煤廠的管理由分散變為集中，既節約了成本又提高了效率，為煤炭企業發展提供了有力的保障。

選煤廠的重介過程控制系統主要包括五方面，分別是“液位的監控系統”“趨勢的監控系統”“煤泥含量的監控系統”“數據的報表系統”“密度的監控系統”。其中起主導作用的是密度監控系統。五個系統各司其職而又相互聯系，共同實現自動測控的以下功能：

（1）運用工控組態軟件與網絡通信功能，使全廠的各監控點、關鍵數據、運行參數等得到實時的測控。

（2）為了保證高標準的分選精度，該系統可以實時測控選煤廠的液位、重介密度以及煤泥含量，最終達到選煤廠建設的預期目標。

（3）該系統可以創建數據庫，對數據進行處理分析，并建立多維立體分析模式，迅速找出企業生產的問題所在，為選煤廠降本節耗提供了輔助支持。

4 結語

重介工藝參數自動測控系統已經在朱集西礦井選煤廠的生產中取得了良好效果，重介生產過程中黏度控制精度和懸浮液密度控制精度穩定可靠，實現了重介工藝參數自動測控技術。這一技術不僅使精煤灰分得到了穩定，又大大提高了精煤的質量和產率，進而提高了企業的經濟效益。