重介質旋流器密度智能控制淺談

任良才，練春霞，高警衛(wèi)

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008)

隨著社會和政府對低碳和綠色能源的重視，潔凈煤的洗選顯得越來越重要，清潔高效的選煤技術得到快速發(fā)展。重介質旋流器選煤是效率較高的一種，依靠重介質懸浮液和旋流器的離心力將煤和矸石分選出來［1］。重介質選煤生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)中關乎產(chǎn)品質量的參數(shù)很多，而且對于各個環(huán)節(jié)的參數(shù)要求很高(例如壓力、磁性物含量、密度等)，在這些參數(shù)中重介質懸浮液的密度控制是最重要的環(huán)節(jié)，直接影響到最后洗選產(chǎn)品的灰分和產(chǎn)率，從而影響選煤廠經(jīng)濟效益。但是目前國內，重介旋流器密度控制普遍采用常規(guī)的PID控制系統(tǒng)，密度給定值、液位高度和壓力依賴現(xiàn)場技術人員的經(jīng)驗判斷，原煤性質發(fā)生變化，設備分選效果發(fā)生變化，壓力和密度介質發(fā)生變化，灰分人工機檢測結果滯后，不能及時更改密度給定值，從而導致精煤灰分不穩(wěn)定;密度給定值需要經(jīng)常改變，缺乏必要依據(jù)，亟需構建智能控制重介旋流器密度調節(jié)自適應系統(tǒng)。

1 重介質懸浮液循環(huán)工藝介紹

本文以三產(chǎn)品重介質旋流器為研究對象，重介懸浮液由低端切線給入，在圓筒壁附近產(chǎn)生向上的旋流，在中心空氣柱附近產(chǎn)生向下的高速內旋流。入料煤經(jīng)過上端中心入料管，用少量介質沖入旋流器，進入旋流器后被介質帶動旋流分選，濃縮介質和重產(chǎn)物(中煤和矸石)由高端切線排出，部分介質和輕產(chǎn)物(精煤)從低端中心管排出。在此系統(tǒng)中，脫介篩靠前部分排出的介質懸浮液為合格介質，直接進入合格介質筒;脫介篩靠后部分排出的介質懸浮液密度遠低于要求的稀介質，含有大量的磁鐵礦粉，通過磁選機設備回收循環(huán)利用。一段介質懸浮液的密度給定和控制是本課題研究的重點內容。選煤廠懸浮液系統(tǒng)示意圖見圖1。

2 控制系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)主要分為兩部分：模糊PID控制器部分和密度決策支持系統(tǒng)部分。模糊PID控制器部分由傳統(tǒng)選煤廠的綜合自動化PLC控制系統(tǒng)(PLC控制器、計算機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng))組成，需要改動的是在控制系統(tǒng)中原有的PID中加入模糊控制算法;密度決策支持系統(tǒng)部分主要是工控機利用專家系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時變化改變密度的給定值，將調整后的密度給定值，傳遞到下層可編程序控制器PLC中，由其輸出并控制各個執(zhí)行部件。控制系統(tǒng)總體結構圖見圖2。

3 模糊PID控制器部分初探

傳統(tǒng)選煤廠自動控制系統(tǒng)的設計采用PID的控制方案，選煤過程的復雜性和參數(shù)的時變性及大滯后特性，無法及時調整執(zhí)行動作，只能定性地或趨勢性地判斷。因此，本課題引入模糊控制理論并和 PID控制相結合，整個控制系統(tǒng)既具有模糊控制對參數(shù)的適應性，且調節(jié)速度快，又具有 PID的無靜差、穩(wěn)定性好的特點。Fuzzy－PID控制器由參數(shù)可調整 PID控制器和模糊推理機兩部分組成，其控制原理框圖見圖3。

圖3 模糊PID框圖

PLC實現(xiàn)生產(chǎn)控制的PID控制，Wincc實現(xiàn)監(jiān)控并且實現(xiàn)模糊控制，兩部分結合實現(xiàn)Fuzzy－PID控制。Wincc中的模糊控制由全局腳本中的C腳本實現(xiàn)，從下位機PLC獲取誤差和誤差變化率經(jīng)過C腳本模糊推理和清晰化，得出比例、積分、微分的修訂值并送給PLC的PID參數(shù)給定環(huán)節(jié)，實現(xiàn)PID的參數(shù)自適應調節(jié)，完成模糊PID控制。

重介選煤控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入變量為兩變量介質懸浮液密度ρ和介質桶液位h，密度變量采用二維變量，即密度的偏差e和密度偏差的變化率ec。密度偏差為系統(tǒng)的實際密度y(k)與給定密度y的差值，即：

設系統(tǒng)的采樣周期為T，偏差的變化率ec，即：

系統(tǒng)的輸出變量為精煤脫介篩分流開度、加介調節(jié)閥開度以及加水閥的開關狀態(tài)。重介控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出控制系統(tǒng)，可以通過解耦法則等效成多輸入單輸出系統(tǒng)。

4 決策支持系統(tǒng)初探

在重介選煤中，介質懸浮液給定值與“在線灰分儀精煤和中煤灰分”、“產(chǎn)品要求”、“原煤在線檢測灰分”、“人工檢測原煤灰分”、“原煤性質”、“原煤粒度”、“人工精煤檢測灰分”、“人工中煤檢測灰分”、“人工煤泥檢測灰分”、“人工矸石檢測灰分”、“介質壓力”、“主洗介質密度”以及“介質密度構成比例”等輸入信息有關。在輸入信息的不同組合狀態(tài)下，密度給定值要有相應的輸出值。由于密度給定值計算的實質是“由多輸入組合狀態(tài)來確定單一輸出”的過程，采用神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的方法，通過推理完成對介質懸浮液密度的計算。

系統(tǒng)主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡的可學習性確定網(wǎng)絡中的加權值，利用BP算法，并結合現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)和專家提供的大量實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行權值的訓練，產(chǎn)生權值，并不斷的加以學習。

1)整理出介質懸浮液密度給定值的輸入輸出關系。考慮數(shù)據(jù)獲取的可行性、可靠性以及與重介質懸浮液密度的相關程度選取參數(shù)，并綜合考慮樣本錄入頻度和精度確定學習樣本值。樣本值的計算，在神經(jīng)網(wǎng)絡中，要求每一個參數(shù)值都必須在［0，1］之間。就BP網(wǎng)絡而言，sigmoid函數(shù)值在接近0、1的時候，曲線比較平緩;變化速度相當緩慢，為了減少網(wǎng)絡學習時間，將數(shù)據(jù)變換在［0．1=0．9］之間，采取改進的算式：

整理出樣本值輸入輸出關系表。

2)確定推理介質懸浮液密度給定的神經(jīng)網(wǎng)絡。輸入輸出關系為訓練樣本，構造出用于推理“介質懸浮液密度給定”的神經(jīng)網(wǎng)絡結構，有幾個重要的輸入節(jié)點、3個隱含節(jié)點和一個輸出節(jié)點的三層BP網(wǎng)絡。密度給定值的神經(jīng)網(wǎng)絡自學習系統(tǒng)結構圖見圖4。

圖4 密度給定值的神經(jīng)網(wǎng)絡自學習系統(tǒng)結構圖

在介質懸浮液密度給定推理專家系統(tǒng)中，將輸入的“在線灰分儀精煤和中煤灰分”、“產(chǎn)品要求”、“原煤在線檢測灰分”和“人工檢測原煤灰分”等邏輯概念轉換成網(wǎng)絡輸入模式所要求的數(shù)值向量;神經(jīng)網(wǎng)絡的正向傳播計算，則根據(jù)已建立的的數(shù)學模型，產(chǎn)生一個數(shù)值向量輸出值Y。

3)軟件實現(xiàn)。軟件主體采用VB程序，系統(tǒng)具有良好的人機界面，系統(tǒng)的可靠性，可擴展性好，力求滿足選煤廠實際生產(chǎn)的需要。數(shù)值計算部分(神經(jīng)網(wǎng)絡部分)程序的編寫采用的是Matlab程序設計語言，而人機接口的編寫采用的是VB6．0。這是因為Matlab雖然本身是一個完整的程序開發(fā)和數(shù)據(jù)處理環(huán)境，但Matlab只是一種解釋執(zhí)行語言，執(zhí)行速度緩慢，且其提供的用戶界面操作函數(shù)過于簡單，不適宜用于大型軟件的開發(fā)，特別是對底層I/O難以實現(xiàn)。所以，有必要考慮使用VB6．0編寫軟件系統(tǒng)的用戶界面，而通過Active外部調用Matlab的計算功能。ActiveX Automation是一種允許一個應用程序(控制端或用戶端)去控制另一個應用程序(服務器端)的協(xié)議。由于 VB6．0支持 ActiveX Automation控制端的協(xié)議，因此，如果已經(jīng)建立了一個ActiveX Automation連接，在一個VB應用程序中就可以調用Matlab的命令、向Matlab傳送或從Matlab接收矩陣數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫部分開發(fā)采用Access數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)運行過程中涉及到三方面的數(shù)據(jù)讀寫：VB與Access、Matlab與Access以及生產(chǎn)控制部分的Wincc與Access。VB與Access連接，以Data控件可以將Access數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與VB中相關控件綁定。Matlab與Access連接，Matlab并不能夠直接調用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在本課題中是以Activex控制，Matlab作客戶端調用Access。

生產(chǎn)控制部分的Wincc，開發(fā)周期短，可以生成復雜的、友好的交互式圖形界面，內含 SIMATIC PLC通訊口，與S7系列PLC無縫連接。Wincc具有開放的程序接口，支持基于VB的用戶程序開發(fā)，用戶程序除了在Wincc運行時通過ODK函數(shù)訪問Wincc數(shù)據(jù)管理器外，還可對通訊、畫面、報警、歸檔等進行控制。Wincc與VB的連接VB語言的程序作為客戶機，它先通過ODK函數(shù)從Wincc中接收數(shù)據(jù)，然后向Matlab引擎?zhèn)鬟f命令和數(shù)據(jù)信息，并從Matlab引擎接收經(jīng)過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法計算后得到的數(shù)據(jù)信息，最后將數(shù)據(jù)傳回到Wincc中去，由Wincc完成對下位機的控制。密度決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換示意圖見圖5。

圖5 密度決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換示意圖

5 總結

本文淺析了重介質選煤密度智能控制的實現(xiàn)技術路線，引入神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制實現(xiàn)智能控制，提出了軟件實現(xiàn)的思路，對構建智能控制重介旋流器密度調節(jié)自適應系統(tǒng)進行了有益地探討。

［1］ 趙樹彥．無壓給料三產(chǎn)品重介質旋流器在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及其前景［J］．中國煤炭，2005，31(8)：14－15．

［2］ 劉太順．PLC在重介質選煤工藝自動監(jiān)控中的應用［J］．選煤技術，2002(2)：44－46．

［3］ 王 海，李艷娟．基于PLC的Fuzzy－PID分選密度控制研究［J］．控制工程，2006，13(5)：475－477．

［4］ 趙 武，馬建偉．基于OPC的MATLAB與WINCC實時數(shù)據(jù)交換設計與實現(xiàn)［J］．通信技術，2008，41(12)：98－100．