重介质选煤过程自动测控系统的应用研究

白晋杰

（山西王家岭煤业有限公司， 山西 忻州 036600）

引言

在重介质选煤过程中，重介质悬浮液密度、煤泥含量和合格介质桶液位是保证精煤质量的重要工艺参数。作为一个多参数强耦合、时变，平线性、大滞后的复杂分选控制过程，传统人工操作系统难以实现稳定。为稳定产品质量和提高精煤产率，唐山研究院以传统PID 控制算法为基础，以专家经验控制为主线，以前馈控制及模糊控制理论建模为辅助构建多模态控制方法，对过程参数进行及时准确的修正，自动实现过程控制系统的决策方案。

1 重介质选煤自动测控系统硬件构成

1.1 重介质选煤过程自动测控的系统组成

控制回路采用双控闭锁设计理念，由集控室工业控制智能控制系统和现场手动操作共同实现。针对重介系统工艺参数的采集与处理，分别采用基于远程I/O 模块的“经济型”解次方案和基于PLC 的“优化型”解决方案，为重介质分选过程提供精确灵敏的工艺控制平台[1-3]。

1.1.1 “经济型”控制平台的集成

“经济型”控制方案以ADAM-400 系列模块为平台，工艺参数采集采用16 位、8 通道的ADAM-4017 模拟量输入模块。控制参数输出采用单通道电压或电流输出的ADAM-4021 模拟量输出模块，接收到主机的请求信号后，模块将数据通过RS-485 网络按照所需的工程格式发出，驱动执行机构进行工艺参数调节。

针对中小型选煤厂的单一工艺控制系统，ADAM-4000 系列模块建立的重介质选煤过程自动测控系统既可以作为一套独立系统进行工作，同时也可进行集中统一的远程控制。该系统结构清晰，配置灵活，可维护性强，其特点是成本低廉。

1.1.2 “优化型”控制平台的集成

“优化型”控制方案以SIMATIC S7-1200 系列模块化控制器为台。S7-1200 控制器设计紧凑、组态灵活、指令集功能强大且成本低廉，是控制小型应用的完美解决方案。

CPU 将微处理器，集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET、高速运动控制I/O 和板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中，形成功能强大的控制器。下载用户程序后，CPU 将包含监控应用中的设备所需的逻辑，并根据用户程序逻辑监视输入与更改输出。

PROFINET 基丁工业以太网技术，使用TCP/IP和标准协议，借助PROFINET 网络，CPU 可以与HMI面板或其他CPU 通信，方便与其他主干工控系统进行连接，增强了系统的可拓展性，灵活性和稳定性。

1.2 检测仪表与执行机构

测量元件和执行元件是自动调节系统的两个主要环节。重介质选煤生产过程需要自动调节的工艺参数较多，且与介质和煤泥水有关，作为不均匀混合体具有成分复杂、无规律、不均匀和易沉降等特点。固此，系统调节繁琐，要求自动测控系统所选用的测量仪表和执行器，不仅要适应选煤厂比较恶劣的工况环境，还要具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、使用方便、通用性强，便于维护和管理的特点。

1.2.1 检测仪表

重介质选煤过程自动测控系统的检测仪表主要由密度计、磁性物含量仪、运传压力表和液位计组成。其中，由唐山研究院研发的无辐射、智能、在线压差密度计和磁件物含量仪，具有无辐射威胁、安装方便、操作简单、测量精确和易于维护等优势，可有效降低工人的劳动强度和企业的维护成本。

1.2.2 电动执行机构

重介质分选过程中执行机构的负载阻力变化无常，要求自动调节系统中采用的执行机构具有驱动能力大、结构简单、坚固耐用且工作可靠的特点。采用角行程电动执行器，用于控制加水和分流动作。执行器具有电气和机械双限位保护功能，可杜绝操作上的失误，减少事故的发生。角行程电动执行器采用220VAC 供电，单相何服电机，正反调节灵活，定位准确，动作快速，具有良好的调节性能。

1.2.3 分流箱

分流箱是重介质选煤过程中自动测控系统的重要执行机构，可将悬浮液入料量分成两部分，即分流和回料。分流量占比可在0～100%范围可调，主要用于控制高密度悬浮液至合格退液桶的分流量，脱介筛下介质返回合格介质桶的分流量等，实现对悬浮液黏度和合格介质桶液位等参数的控制。

2 重介质选煤自动测控系统软件功能

2.1 软件功能的原理

2.1.1 重介质悬浮液密度自动测控原理

在悬浮液密度控制回路中选取补加水为主要控制变量，高密度介质的补加量为辅助变量。测量密度与给定密度同时进入程序的PID 控制器，偏差信号由PID 完成调节，运算结果经专家智能判断系统进行校正后，送入执行机构，将输入信号与位置反馈信号进行比较，从而驱动电动执行机构工作。

2.1.2 合格介质桶液位自测控原理

控制回路采用开关量控制方法，对合格介质桶液位设定上、下限，当液位高于上限，密度低时，首先考虑分流，为了提高调节的速度也也可同时补加高密度介质；当液位低于下限，密度也低时，首先考虑加高密度介质；当液位低于下限，密度高时，应补加清水或补加循环水。

2.2 软件功能的实现

针对“经济型”与“优化型”两种硬件平台，提出由组态王和SIMATIC WinCC 分别组建各自软件设计方案。重介质选煤过程控制管理系统包括“密度监控系统”“煤泥含量监控系统”“液位监控系统”“数据报表系统”“趋势监控系统”五个功能模块，其中密度控制是整个测控系统的核心，各功能模块之间相互联系又分工明确，共同实现以下功能：

1）通过网络通信与全厂各级监控系统上位机组态软件进行连接，实现对关键数据、工艺运行参数、各监控点情况进行实时测控。

2）实现对重介质选煤密度、煤混含量和关键液位的测控，以保证分选精度达到乃至高于生产标准，实现选煤厂建设的最终目标。

3）对采集到的数据进行科学分析，并提供科学的决策。

3 实践应用案例分析

山西某选煤厂设计生产能力为1.5 Mt/a，在工艺设计时采用的重介浮选工艺，是以无压给料三产品重介质旋流器为主选设备。为提高重介质分选系统的正常生产和工作效率，该选煤厂经技术分析考察，选择安装“经济型”重介质选煤过程自动测控系统。该系统与厂内其他控制系统通过OPC 接口进行数据通信，具有良好的扩展性，能够为生产管理提供可靠的数据来源。

“经济型”重介质选煤过程自动测控系统在选煤厂投入运行后，系统运行稳定可靠，系统的应用能实现对重介质选煤过程的全过程监控，工作人员在控制室就可以掌握选煤生产的全部情况，实时掌握工艺过程各工艺参数的变化情况，并通过异常预警对工艺参数进行实时调整，有效提高工作效率，实现了节能降耗、提高分选效果的目标。