基于重介工艺参数自动测控技术的研究

时间：2024-07-28

高俊梅

（1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北唐山 063012）

1 概述

朱集西矿井选煤厂重介生产过程中粘度控制精度和悬浮液密度控制精度不够高，提出了重介工艺参数自动测控技术，该技术以专家经验控制为主线，传统PID 控制算法为基础，模糊控制及前馈控制相辅助的控制方式，在针对工艺参数实时监测的同时，综合考虑被控参数间的耦合关系，依据生产指标的需要，及时调整参数数据，最终使自动过程控制系统得以实现。

2 硬件构成

2.1 选煤厂重介工艺参数自动测控的系统组态

朱集西矿井选煤厂系统采用双控闭锁的控制回路方案，达到集控室以及现场都可以操作的目的，保证了系统运行的可靠性。该系统采用了“优化型”解决方案（基于西门子PLC）和“经济型”解决方案（基于研华科技远程IO 模块）采集和处理重介系统的工艺参数，进而通过这两个方案使重介洗选的工艺系统更加灵敏精确[1-2]。

（1）基于西门子PLC 控制平台的集成

基于西门子 S7—1200 系列模块为基础的“优化型”控制平台适用于小型自动化系统，具有灵活的组态、紧凑的设计、强大的指令集功能并且价格低廉，可以控制小型的应用。CPU 通过使用IT 和TCP/IP 标准协议的PROFINET 网络与其他CPU 或者HMI 进行通讯，提高了系统的稳定性，加强了系统的灵活性[2]。“优化型”重介工艺参数自动测控系统如图1。

图1 “优化型”重介工艺参数自动测控系统

（2）基于研华科技远程IO 模块的集成

基于研华科技远程IO 模块平台以研华科技ADAM—4000 系列模块为基础，ADAM—4000 系列模块建立的重介工艺参数自动测控系统可以作为一些中小型选煤厂的工艺控制系统。该系统具有灵活的配置、清晰的结构以及超强的维护性[2]，因此该系统是一项极为经济的解决方案。“经济型”重介工艺参数自动测控系统如图2。

图2 “经济型”重介工艺参数自动测控系统

2.2 选煤厂检测仪表与执行机构

（1）无辐射智能在线密度计

由唐山研究院自主研发的无辐射智能化在线密度计，对各种液体或液态混合物进行连续在线密度测量，可直接用于生产过程控制。该密度计安装使用方便，装入液体即可显示读数，自定义密度单位，便于进行行业标密换算，自带温度补偿，表头可显示温度值，并可根据客户需要调整温度补偿范围。防腐型密度计管道内外做浸入式衬四氟防腐处理，无死角、气泡，延长产品使用寿命，在实现精确测量的前提下达到国家环保要求[3]。

（2）磁性物含量计

选用了CG 型电感式磁性物含量仪作为该系统的磁性物含量计，它的工作原理是根据导磁物质通过空芯线圈绕组而引起电感量变化来测量悬浮液中的磁性物含量。在主管道上升段安装磁性物含量计，其测量范围是0～1.000 g/ L[4]。

（3）同位素密度计

同位素密度计具有测量精度高、反应快速的特点，因此可以保证数据的准确性。为了确保测量管道内没有沉淀物和气泡，一般将密度计安装在悬浮液的上料管道上，这样也可以确保密度的变化量与射线强度的变化量成正比[5]。

（4）压力表

该系统采用布莱迪公司生产的差动远传压力表测量旋流器入口的压力，该压力表既可以转换为4～20 mA 或者0～10 mA 的标准电流信号输出，又可以通过指针现场指示。其测量范围为0.1～0.6 MPa，精度等级为15 级。

（5）超声波液位计

该系统采用SIMATIC 非接触式超声波液位计测量合介桶的液位，其传感器采用的Tefzel 材料。该超声波液位计具有超强的抗干扰能力和较高的测量精度，因此适用于比较恶劣的工业环境[6]。

（6）电动执行机构

该系统采用的是角行程电动执行器，用于分流和加水，其具有机械和电气的双重保护功能，可以防止事故的发生。该执行器通过伺服放大器可以实现4～20 mA 信号给定，在特殊情况下，还可以通过执行器的手动/电动开关进行调节。

3 软件功能

3.1 选煤厂自动测控软件功能的原理

（1）自动测控重介质的悬浮液密度原理

由于选煤厂的重介生产过程是非线性系统，并且具有耦合参数多、变化慢的特征，因此在原有的PID 控制算法上加以改进，通过与专家经验的控制相结合的模糊算法构成一个新型的控制算法，如图3。一个正常的选煤过程，重介系统的密度会逐渐变大，合介桶的液位会随之变小，因此，采用补加水为主要手段，补加浓介质以辅助来控制悬浮液的密度值。给定密度与测量密度同时进入PID 控制器的程序，PID 程序负责调解产生的偏差信号，将比对结果经专家经验库系统校正后，直接送入到加水执行机构执行电机驱动操作。

图3 重介质悬浮液密度自动测控框图

如果给定密度小于测量密度，打开加水执行器，加大给水量，以确保密度及时降下来；如果给定密度和测量密度的差值控制在0.002 范围内时，PID控制器不做反应，此段区间看做是死区；如果给定密度和测量密度的差值大于0.001 时，要根据合介桶液位是否正常来加以调整。当液位正常时，不管如何计算黏度值，直接给定分流量到45%；当液位明显低于下限值时，只能是通过补加浓介质和补加水来分别提升密度值和液位值。

（2）煤泥含量自动测控原理

对于一个重介质选煤厂来说，影响分选效果的重要因素就是悬浮液中的煤泥含量，通过弧形筛下的分流装置控制分流量，进而可以控制煤泥含量。当煤泥含量小于设定值，降低PID 调节器的输出，通过伺服放大器驱动电动分流装置，减少稀介质桶的分流；当煤泥含量大于设定值，提高PID 调节器的输出，通过伺服放大器驱动电动分流装置，增大稀介质桶的分流；当煤泥含量等于设定值，PID 调节器的输出和分流量都保持不变。煤泥含量自动测控原理如图4。

图4 煤泥含量自动测控框图

（3）合格介质桶的液位自动测控原理

在重介质选煤中另一个重要参数就是合介桶液位，液位过高过低都会影响分选效果。如果液位过高就会出现介质外流，既会造成不必要的损失，也会造成环境污染；如果液位过低，会造成旋流器的入口压力不足，导致打空泵。所以，选煤厂及时地检查和调节合介桶液位是至关重要的[7]。液位自动测控系统如图5。

图5 合介桶液位自动测控框图

3.2 选煤厂自动测控软件功能的实现

该系统可采用性价比较高的组态王或者结构更加优化的SIMATIC WinCC 分别建立各自的方案。由于监测数据和相关管理信息分散在选煤厂不同区域，要完成检测控制以及数据分析很困难。本自动测控系统有着实时在线、全网覆盖和远距离传输等特征就解决了这一难题。因此，自动测控系统使选煤厂的管理由分散变为集中，既节约了成本又提高了效率，为煤炭企业发展提供了有力的保障。

选煤厂的重介过程控制系统主要包括五方面，分别是“液位的监控系统”“趋势的监控系统”“煤泥含量的监控系统”“数据的报表系统”“密度的监控系统”。其中起主导作用的是密度监控系统。五个系统各司其职而又相互联系，共同实现自动测控的以下功能：

（1）运用工控组态软件与网络通信功能，使全厂的各监控点、关键数据、运行参数等得到实时的测控。

（2）为了保证高标准的分选精度，该系统可以实时测控选煤厂的液位、重介密度以及煤泥含量，最终达到选煤厂建设的预期目标。

（3）该系统可以创建数据库，对数据进行处理分析，并建立多维立体分析模式，迅速找出企业生产的问题所在，为选煤厂降本节耗提供了辅助支持。