大隆礦選煤廠重介系統(tǒng)介質(zhì)密度控制方案分析

高 勇，楊 碩，趙柳達(dá)，張 秋，尹立山

(1.鐵煤集團(tuán) 大隆礦選煤廠，遼寧 鐵嶺 112700；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

大隆礦選煤廠始建于1972年，是一座設(shè)計(jì)能力為0.90 Mt/a的礦井型選煤廠，經(jīng)過多次技術(shù)改造后，原煤洗選能力達(dá)到3.00 Mt/a。原煤采用斜輪重介質(zhì)分選機(jī)分選，入料粒度>13 m，<13 mm粒級(jí)末原煤直接作為產(chǎn)品銷售。入選原煤來自大隆煤礦，主導(dǎo)產(chǎn)品包括洗中塊(60～20 mm粒級(jí))、洗粒煤(20～6 mm粒級(jí))、洗末煤(13～0 mm粒級(jí))、末煤(13～0 mm粒級(jí))，洗選產(chǎn)品主要作為煉焦原料。

目前，該選煤廠存在較多問題，例如工藝陳舊、設(shè)備老化、人員不足，嚴(yán)重影響企業(yè)的生存與發(fā)展。同時(shí)，生產(chǎn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)老化，不能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要；尤其是介質(zhì)密度控制系統(tǒng)，控制精度不高，導(dǎo)致介質(zhì)密度波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響重介設(shè)備的分選效果和精煤產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)重介系統(tǒng)介質(zhì)密度控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)組成

該選煤廠原自動(dòng)化控制系統(tǒng)以西門子SIMATIC S7-400系列PLC作為控制主機(jī)，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制，并對(duì)工藝過程中的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和動(dòng)態(tài)糾偏。過程控制系統(tǒng)[1]是一個(gè)獨(dú)立的控制單元，與生產(chǎn)過程密切相關(guān)。為了提高重介系統(tǒng)的介質(zhì)密度控制效果，設(shè)計(jì)中將其作為全廠集中控制系統(tǒng)的一個(gè)分布式I/O分站，通過PROFIBUS通訊協(xié)議與集控主站和各分站進(jìn)行通訊，并進(jìn)行集中統(tǒng)一的遠(yuǎn)程控制；利用SIMATIC HMI WINCC6.0 作為后臺(tái)監(jiān)視和控制軟件，將過程控制系統(tǒng)上位機(jī)和集控系統(tǒng)上位機(jī)互為冗余；通過SIMATIC NET協(xié)議與下位機(jī)通訊。大隆礦選煤廠過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 大隆礦選煤廠過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)中，選用冗余模式控制方案，即設(shè)置集中自動(dòng)運(yùn)行模式和就地運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程在線監(jiān)控。根據(jù)不同工況，由操控員選擇控制方式。該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程通訊功能，通過SIMATIC NET通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)集控中心與PLC遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通訊；通過PROFIBUS通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)集控主站與各分布式I/O分站通訊，并可實(shí)時(shí)接受遠(yuǎn)程控制命令，從而完成重介生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 控制原理

2.1 參控工藝參數(shù)的確定

重介選煤具有分選效率高、入料粒級(jí)寬、密度調(diào)節(jié)范圍廣、對(duì)入料適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大等特點(diǎn)，但在煤炭洗選加工過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)分選密度、介質(zhì)黏度、不同液位等的自動(dòng)控制非常重要[2]。在重介選煤過程中，介質(zhì)密度和黏度、煤泥含量等的變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著明顯影響。例如：介質(zhì)內(nèi)煤泥含量偏低，則介質(zhì)的體積濃度偏小，導(dǎo)致其黏度降低，洗選系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，分選密度波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響原煤分選效果；介質(zhì)內(nèi)煤泥含量偏高，則介質(zhì)的體積濃度偏大，導(dǎo)致其黏度偏高，洗選系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，物料在介質(zhì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，進(jìn)而影響物料的分選效果，特別是細(xì)顆粒的分選效果[3]。因此，在煤炭洗選加工過程中，對(duì)工藝參數(shù)控制的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和魯棒性要求較高。

為此，設(shè)計(jì)中將密度計(jì)和磁性物含量儀分別安裝在重介管網(wǎng)系統(tǒng)的上升流管路上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)密度和磁性物含量的在線檢測。介質(zhì)內(nèi)的煤泥含量通過式(1)、(2)、(3)確定，

Ε=α(ρ-1)-βC，

(1)

α=δC/(δC-1)，

(2)

β=δC(δf-1)/δf(δC-1)，

(3)

式中：Ε為介質(zhì)內(nèi)的煤泥含量；α、β為過程參數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；C為磁性物含量；δC為煤泥密度；δf為磁性物密度。

為了保證工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，擬將過程控制系統(tǒng)融入自動(dòng)化整體控制系統(tǒng)。由于重介選煤中多個(gè)工藝參數(shù)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系[4]，選用傳統(tǒng)PID控制算法[5]往往達(dá)不到理想效果。為此，采用專家經(jīng)驗(yàn)控制[6]和傳統(tǒng)PID相結(jié)合的控制方式，建立專家經(jīng)驗(yàn)庫，以改善PID的控制特性。采用專家經(jīng)驗(yàn)庫優(yōu)化后的傳統(tǒng)PID控制，具有較好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，超調(diào)較小，且能夠快速、準(zhǔn)確取得期望值，穩(wěn)態(tài)誤差小。采用專家經(jīng)驗(yàn)庫優(yōu)化后的傳統(tǒng)PID控制效果如圖2所示。

圖2 采用專家經(jīng)驗(yàn)庫優(yōu)化后的傳統(tǒng)PID控制效果

2.2 介質(zhì)密度控制原理

在重介系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，介質(zhì)密度隨生產(chǎn)時(shí)間的推移逐漸增大，而合介桶液位呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)[7-9]。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，在密度控制回路中采取加水為主、加濃介為輔的控制方式。當(dāng)介質(zhì)的實(shí)際密度大于給定密度時(shí)，加大加水執(zhí)行機(jī)構(gòu)蝶閥的開度，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)密度的迅速降低。當(dāng)介質(zhì)的實(shí)際密度與給定密度的絕對(duì)差值<0.005 g/cm3時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入死區(qū)η，上位機(jī)運(yùn)算器程序合理設(shè)置延時(shí)時(shí)間τ，以摒除外界干擾，防止系統(tǒng)進(jìn)入震蕩環(huán)境，進(jìn)而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。死區(qū)η和延時(shí)時(shí)間τ由上位機(jī)專家經(jīng)驗(yàn)庫給出，具體數(shù)值由原煤煤質(zhì)和系統(tǒng)組成決定。死區(qū)η越小，延時(shí)時(shí)間τ越短，系統(tǒng)靈敏度越高，但容易產(chǎn)生等幅振蕩，導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低；反之，死區(qū)η越大，延時(shí)時(shí)間τ越長，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，工藝效果和穩(wěn)定性均變差。因此，合理建立專家經(jīng)驗(yàn)庫是改善PID控制器性能的關(guān)鍵。當(dāng)介質(zhì)的實(shí)際密度小于給定密度時(shí)，如果合介桶液位處于正常范圍內(nèi)，關(guān)閉加水執(zhí)行機(jī)構(gòu)的蝶閥，增大分流執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出角度，增大系統(tǒng)分流量，以提高介質(zhì)密度?？刂扑惴鞒倘鐖D3所示。

圖3 控制算法流程圖

在工藝系統(tǒng)中，介質(zhì)密度選用基于專家經(jīng)驗(yàn)庫的閉環(huán)負(fù)反饋PID控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加水執(zhí)行機(jī)構(gòu)蝶閥的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而保證合格介質(zhì)的密度魯棒性要求[8-10]。介質(zhì)密度設(shè)定范圍為1.00～2.00 g/cm3，控制精度達(dá)到0.01 g/cm3。重介系統(tǒng)介質(zhì)密度自動(dòng)控制原理框圖如圖4所示。

2.3 介質(zhì)黏度控制原理

介質(zhì)黏度的大小取決于其中的煤泥含量，通過弧形篩篩下分流裝置控制重介系統(tǒng)分流量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤泥含量的控制[8]。當(dāng)介質(zhì)黏度大于設(shè)定黏度時(shí)，增大PID控制器輸出量，通過伺服放大器驅(qū)動(dòng)分流執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使循環(huán)介質(zhì)經(jīng)過磁選機(jī)進(jìn)入精煤磁尾桶和中矸磁尾桶的分流增大；當(dāng)介質(zhì)黏度小于設(shè)定黏度時(shí)，減小PID控制器輸出量，通過伺服放大器驅(qū)動(dòng)分流執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小分流量；當(dāng)介質(zhì)黏度等于設(shè)定黏度時(shí)，PID控制器的輸出保持不變，保證分流量穩(wěn)定。

圖4 重介系統(tǒng)介質(zhì)密度自動(dòng)控制原理框圖

當(dāng)介質(zhì)密度的絕對(duì)差值溢出η時(shí)，過程控制系統(tǒng)停止對(duì)黏度信號(hào)反應(yīng)，先通過對(duì)密度閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)作優(yōu)化密度環(huán)境，再進(jìn)行黏度調(diào)節(jié)；當(dāng)合介桶液位下限報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制分流機(jī)構(gòu)的輸出為0，即停止分流動(dòng)作。重介洗選中黏度控制采用閉環(huán)負(fù)反饋的PID控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分流執(zhí)行機(jī)構(gòu)及伺服定位系統(tǒng)的控制，從而保證介質(zhì)黏度穩(wěn)定。一般情況下，黏度設(shè)定范圍為30%～40%。重介系統(tǒng)介質(zhì)黏度自動(dòng)控制原理框圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)采用加水、加濃介和分流相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，不但能夠消除因煤泥含量變化對(duì)介質(zhì)密度的不良影響，而且有利于對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測和控制。

(2)采用專家經(jīng)驗(yàn)庫與傳統(tǒng)PID相結(jié)合的控制方式，能夠較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，進(jìn)而提高其穩(wěn)定性。

(3)上位機(jī)設(shè)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、報(bào)警系統(tǒng)、歷史曲線畫面等，具有連續(xù)顯示并保持?jǐn)?shù)據(jù)的功能，有助于集控員實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握重介系統(tǒng)狀況。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)已在大隆礦選煤廠投入運(yùn)行，專家經(jīng)驗(yàn)庫與傳統(tǒng)PID相結(jié)合的控制方式，能夠有效提高重介系統(tǒng)介質(zhì)密度的穩(wěn)定性，從而使工藝參數(shù)滿足生產(chǎn)要求。同時(shí)，重介系統(tǒng)的分選效果和工藝參數(shù)控制的魯棒性均得到改善，精煤產(chǎn)率有了較大程度的提高，精煤產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，這對(duì)促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提升具有積極作用。

圖5 重介系統(tǒng)黏度自動(dòng)控制原理框圖