基于PID算法的密控及桶位平衡调节在龙固选煤厂的应用

武金龙 王焕忠 侯瓒学

摘要：文章着重介绍数字PID调节器在山东新巨龙能源有限责任选煤厂重介系统中，结合北京通尼科技的密度计传感器与韩国泰克的气动电控阀、美国进口E+H压力传感器，进行密控及桶位平衡调节，从而提高该重介洗选系统的效率，并更好地控制洗选指标。

关键词：PID调节器；合介密度；桶位平衡；静压式液位计；桶位补水阀；重介系统

中图分类号：TD928 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）31-0172-03

针对选煤厂合介密度及桶位平衡控制自动化，龙固选煤厂引入基于数字PID算法的调节。改造范围包括上位机、PLC、旋流器入料口压力表、密度计、合介泵泵前补水阀、桶位补水阀、静压式液

位计。

1 改造必要性分析

1.1 调度室方面

改造前龙固选煤厂的重介系统密度及桶位调节纯粹为手动方式，集控员需要时刻关注上述参数指标的变化，并适当进行人工调节以控制系统密度稳定及桶位平衡，作为调度中心的集控室还需要兼顾处理各个岗位反馈的现场问题信息，工作量特别大且非常紧凑。

1.2 生产车间现场

改造前使用的密度计由于使用时间过长，仪表老化，传感器不稳定，反馈回的密度值不准确，现场补水阀等均为电控阀，反应速度相比气动阀要慢，在日常频繁的调节过程中且易出现故障，导致选煤过程中指标难以更好地控制，影响生产质量。现场部分压力表为现场显示，未引入到集控室，且有个别压力表出现故障，示数不准确，造成调度中心不能及时准确方便地观察控制该参数。

为了科学有效地提高调度中心集控室的工作效率，提高密度测量的准确度，减少现场补水阀的故障发生率，使选煤厂可以更好地控制各项生产指标，达到高质量高效率的运营，本次龙固选煤厂重介系统改造采用基于数字PID的算法控制密度准确稳定和桶位平衡，更换现场密度计仪表、安装新压力传感器并传输信号到集控室便于观察控制、安装气动电控阀替换旧的电液阀门。

2 数字PID调节器在龙固选煤厂重介密度控制及桶位平衡系统中的应用

重介选煤密控系统的目的就是使测量密度值跟踪、趋近直至等于设定值。由于选煤工艺决定了在正常生产过程中合格介质的密度呈上升趋势，故测控系统是通过补加水来实现控制合格介质密度的。

由于水循环系统中的损耗，车间重介系统桶位整体趋势为下降，所以增加补水阀实现桶位平衡。为了控制密度稳定，桶位平衡，龙固选煤厂引入了数字PID调节，分为手动和自动两种方式。手动下，由人工进行操作，自动下，则通过数字PID自动调节控制。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

数字PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e（t）与输出u（t）的关系为：

u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD×de（t）/dt]

式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI×s）+TD×s]

其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，只要合理地调节以上三个参数即可科学准确地实现密度调节和桶位平衡。

2.1 密度控制系统

为了确保合格介质桶的密度稳定到工艺所需的要求，在合格介质泵出口管道上安装放射性同位素密度计来连续测量密度值，即过程变量PV，通过密度转换器转变成标准的4-20mADC信号送给PLC。在PLC内部的数字PID调节器，通过对给定值（SP）与过程变量（PV）之间差值（△=SP-PV）的运算，输出到现场的补水阀去控制介质的稳定。如下图所示：

2.1.1系统调节过程。在生产过程中，如果系统受到外来干扰而使运行工况发生偏移时，数字PID调节器能进行必要的操作来抵消干扰的影响，以使运行工况恢复正常。具体调节过程分以下两种情况：

（1）若给定值（SP）大于过程变量（PV），即△为正值，数字PID调节器经过运算后输出到现场，先关闭加水阀门，在关闭加水阀门的过程中，若SP=PV，则调节过程结束，系统达到一个新的平衡状态。如果加水调节阀完全关闭后，给定值（SP）还大于过程变量（PV），则开始打开补水阀（或者说加大该分流箱的开度），直至SP=PV，系统达到平衡状态。

（2）若给定值（SP）小于过程变量（PV），即△为负值，数字PID调节器经过运算后输出到现场，先关闭补水阀，在关闭补水阀的过程中，若SP=PV，则调节过程结束，系统达到一个新的平衡状态；如果补水阀完全关闭后，给定值（SP）还小于过程变量（PV），则开始打开加水调节阀（或者说加大该阀门的开度），直至SP=PV，系统达到平衡状态。

在计算机监控系统上面，可以将调节系统进行自动/手动无扰切换，当系统切换到手动状态时，通过鼠标或键盘进行手动操作，保证合格介质密度的稳定，维持系统的正常运行。

2.1.2 系统调节参数。通过以上的调节过程可以看出：补水调节阀在合理的PID参数调节下，可以保证合格介质桶的密度在调节过程中处于非常缓慢的变化过程当中，不至于出现快速波动；被调参数：合格介质桶的密度；调节参数：阀门开度；调节对象：气动电控补水阀。

2.2 液位控制系统

为了确保各桶的液位稳定到工艺所需的要求，在桶上安装静压式液位计来连续测量桶位值（即过程变量PV），测量转换为标准的4-20mADC信号送给PLC。在PLC内部的数字PID调节器，通过对给定值（SP）与过程变量（PV）之间差值（△=SP-PV）的运算，输出到现场的补水阀。

2.2.1 系统调节过程。在生产过程中，如果系统受到外来干扰而使运行工况发生偏移时，自动调节系统能进行必要的操作来抵消干扰的影响，以使运行工况恢复正常。具体调节过程分以下两种

情况：

（1）若给定值（SP）大于过程变量（PV），即△为正值，数字PID调节器经过运算后输出到现场，先打开补水阀，在打开执行器的过程中，若SP=PV，则调节过程结束，系统达到平衡状态。

（2）若给定值（SP）小于过程变量（PV），即△为负值，数字PID调节器经过运算后输出到现场，先关闭补水阀，在关闭补水阀的过程中，若SP=PV，则调节过程结束，系统达到平衡状态。

2.2.2 系统调节参数。通过以上的调节过程可以看出：在合理的PID参数调节下，上位机控制PLC输出到现场阀门开度的值，有效地控制各桶的液位，使得系统保持平衡；被调参数：各桶的液位；调节参数：阀门开度；调节对象：气动电控补水阀。

3 本次改造重介选煤密控及桶位平衡系统的特点

GEPLC将现场采集的旋流器入选压力、气动补水阀开度、合格介质密度、桶液位信号采集到PLC的模拟量模块，再经过CPU处理，上传到上位机上。上位机将采集的数据存储到数据库，以便于指导生产和生产数据的查询，并控制现场仪表各项指标参数以达到生产要求。现将本次重介系统改造总结如下：

（1）实现合格介质密度的自动测量、显示，并根据密度的设定值控制加水阀门的开度以实现密度值的稳定。采用的是北京通尼科技的密度计传感器，密度控制精度为设定值±0.01g/cm?，且数值准确度高、稳定度高。

（2）实现重介旋流器入口压力的自动测量、显示，并通过调节旋流器上料泵的转速，实现旋流器入口压力的稳定控制，测控范围满足旋流器分选要求，采用的是美国进口E+H压力表，性能好、耐用性高。

（3）实现各桶液位的显示及上、下报警，采用的是韩国泰克的气动电控阀，反应灵敏、耐用、好维护。

（4）上位机画面实现具有重介系统主要调节参数的趋势曲线或柱状图显示、报警等功能，便于调度中心观测分析生产指标数据。

（5）引入了数字PID调节，系统调节密度和桶位平衡，具有上位机手动及自动两种控制功能，极大地提高了系统的稳定性、可靠性、科学性。

（责任编辑：刘 晶）