浮選加藥自動控制系統的優化設計

張志偉，范鴻卓

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012；3.哈爾濱華德學院 電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

目前，我國大部分選煤廠的浮選生產仍在采用人工手動添加浮選藥劑，即浮選操作人員結合生產經驗觀察浮選尾礦，在對其分析判斷的基礎上，依靠手動調節來添加浮選藥劑。隨著浮選在選煤生產中所占比重的增大，其日益受到選煤工作者的重視，與浮選系統相適應的自動控制系統也得到了一定的推廣與應用[1]，浮選加藥自動控制系統是其中應用較多的一種。但目前的浮選加藥自動控制系統的控制效率和控制精度尚不能完全滿足需要，生產過程中生產成本、產品質量、環境污染的控制難度較大。為此，根據傳統自動控制系統的特點，結合實際生產需要，對浮選加藥自動控制系統進行了探索性地優化設計，在其中引入了泡沫圖像分析儀和專家數據庫系統，以期提高控制效率與控制精度。

1 控制參數的確定

要實現浮選生產的自動化且保證控制精度和控制效率，在浮選工藝確定的條件下，首先要對影響工藝指標的因素進行深入分析。在浮選生產過程中，影響工藝指標的因素包括浮選藥劑制度、操作制度、煤泥水特性等[1]，其中煤泥水特性中的礦漿濃度、藥劑制度中的藥劑用量和配比是與自動控制有關的重要因素，也是浮選自動控制系統需要控制的重要參數。

1.1 藥劑用量與配比

常用的浮選藥劑為起泡劑和捕收劑，在實際生產過程中，需要根據煤泥性質選擇合適的藥劑，并根據試驗確定藥劑最佳用量與配比。藥劑用量與配比不但與浮選效果有關， 而且與浮選生產成本有關。

1.2 礦漿濃度

在浮選生產過程中，影響浮選效果的主要因素之一就是礦漿濃度，而決定礦漿濃度的因素是礦漿中的干煤泥量。因此，只有確定礦漿中的干煤泥量，才能合理加藥，使藥劑的作用處于最佳狀態，進而實現浮選效果最佳化[2]。

2 浮選加藥自動控制系統的優化設計

在確定可控參數的基礎上，對系統進行優化設計，系統整體控制原理如圖1所示。由圖1可以看出，要實現系統的最優、精確控制，需要從四個方面進行優化設計。

圖1 浮選加藥自動控制系統原理框圖

2.1 藥劑乳化與自動加藥

在浮選生產過程中，通過檢測入浮礦漿濃度和礦漿通過量，將其反饋給計算機專家數據庫，由其依據檢測參數、煤質數據等計算出所需的藥劑用量，再通過計算機模擬量模糊PID計算、調節后反饋給加藥裝置，使藥劑按最佳用量添加。此外，為了使藥劑使用效果達到最佳狀態，在加藥裝置出料端增設藥劑射流乳化裝置，通過裝置的打散功能使藥劑更加分散，同時其表面積進一步增大，與礦漿中煤泥接觸更加充分[3]，且有助于節約藥劑，可使藥劑用量下降20%～30%。

2.2 礦漿濃度的監測

礦漿濃度的穩定程度對系統的控制平穩度有著重要影響，為保證浮選機內礦漿濃度處于穩定狀態，采用濃度計實時監測入浮礦漿濃度。在礦漿濃度發生變化時，通過模糊PID控制及時調整藥劑用量，以減少階躍，實現控制的平穩過渡，并依據變化計算出PID控制參數，逐步消除誤差。

2.3 浮選液位的控制

利用超聲波液位計實時檢測浮選液位的變化，并通過自整定模糊PID控制器控制執行機構自動給料與排料，以保持浮選液面的穩定，從而使其處于浮選效果最佳的狀態。

2.4 浮選效果的監測

采用相關儀器監測浮選效果是實現浮選自動化的主要手段，但目前多數選煤廠仍然憑借操作人員的經驗來對浮選效果進行監測，其可靠性顯然不高。為此，在傳統浮選自動控制系統中引入泡沫圖像分析儀，采用計算機視覺技術實時分析浮選槽內表層泡沫的特征，進而反映出浮選生產的穩定性和控制情況，從而為及時調整浮選工藝參數提供量化數據，也為優化控制、專家系統的模型建立提供數據支持。

泡沫圖像分析儀能夠準確提供泡沫真實的大小、不同大小泡沫的數量、不同大小泡沫所占的百分比、泡沫的平均移動速度、泡沫的平均生命周期、泡沫的RGB彩色特征向量等數據，這些數據的綜合分析結果即為浮選最優控制的判決條件。將其輸出的具體數據直接反饋到控制系統中，可為系統的進一步控制提供數據支持[4]。

3 浮選加藥自動控制系統的實現

根據上述設計和控制方案，該控制系統基于上位機、PLC、濃度計、流量計、藥劑定量計量給料泵、液位計、排料機構、泡沫圖像分析儀等設備、儀器實現整體的硬件架構[5](圖2)。

圖2 浮選加藥自動控制系統的硬件架構框圖

該控制系統通過對多個模擬量的采集與控制來實現浮選工藝參數的最終控制。首先基于對入浮礦漿濃度和礦漿通過量的監測，計算出干煤泥量，并結合對應的煤質數據，依據最初制定的專家數據庫系統，直接調用藥劑用量與配比，按照固定參數進行洗選，并根據系統反饋實時調節[6]。

在初期控制相對穩定的同時，引入泡沫分析儀數據，由上位機對有關數據進行分析與存儲，并將分析結果反饋到主控PLC和組態軟件中，通過數據計算后得到最終的控制目標和控制量；同時，將計算的經驗數據錄入專家控制系統，實時調整專家系統的數據，并積累經驗數據。

4 輔助系統的優化設計

4.1 人機交互系統通訊的建立

通過 PLC采集、分析數據，將采集的對應傳感器的模擬量數據直接傳遞給上位機軟件，并結合專家數據庫進行分析調用，從而實現自我控制[7]。組態軟件與SQL數據庫系統互聯，便于將生產中的最佳控制參數實時錄入專家數據庫系統。PLC與上位機組態軟件基于profibus-dp通訊協議通訊，利用組態界面軟件設計出簡單、明了的人機交互界面(圖3)，這有利于觀察整個控制過程，便于調節控制器參數，方便現場應用和人員操作[8]。

圖3 上位機人機交互界面

此外，上位機還有一個圖像采集與分析的數據處理界面，其主要作用就是采集圖像數據，在對圖像數據計算與分析的基礎上，計算出泡沫圖像數據特征量。依據特征量數據進行分析，利用計算機視覺和神經網絡技術建立泡沫特征參數與浮選效果之間的神經網絡模型，從而實現浮選過程的最優控制；參考專家數據系統的配比，實時調整實際生產參數，為專家數據系統的更新提供進一步參考。圖像數據分析界面如圖4所示。

4.2 專家數據庫系統的建立

為了進一步完善控制系統，適應不同煤泥的數質量變化需要，有必要建立一個可以實時調用的藥劑用量與配比專家數據庫系統。由于該數據庫的數據形式單一，建立相對簡單，且考慮到與上位機數據的聯接與同步，故基于SQL數據庫平臺組建該數據庫。通過試驗，總結出針對整體工藝系統的最佳藥劑配比和單位干煤泥的藥劑用量，并確定不同煤泥在浮選機不同分室的藥劑配比，同時使組態軟件可以直接調用該數據庫，從而實現與SQL Server數據庫的無縫連接，實時更新數據庫的有關數據[9-12]。調用數據進行浮選生產后，依據圖像分析儀分析所得數據，以進一步完善專家數據庫系統中的數據，確保達到最終的控制目的。

圖4 泡沫圖像數據分析界面

5 技術特點

5.1 控制方式與監測設備的優化

與目前應用的浮選加藥自動控制系統相比，該控制系統對整體控制方式和監測設備進行了優化，不但有助于保證生產的連續性，而且有利于提高控制單元的適應性，這為防止控制的超調提供了保障，進而使系統控制更精確、更穩定。

5.2 圖像分析儀與上位專家系統的設計

在專家數據庫指導生產的基礎上，通過在控制系統中引入泡沫圖像分析儀，實現了更細微的控制，進而實現了浮選精煤的精確回收，這不但有利于藥劑的節約利用，而且提高了整個系統的環境保護標準；此外，人機操作界面和圖像分析界面的優化及遠程通訊的實現，也為遠程監控和集團化生產的集中控制奠定了技術基礎。

6 結語

浮選生產不是一個簡單的工業過程，其中包含有很多復雜的技術，隨著智能化控制技術的不斷發展，將有更好的控制模式出現并應用于浮選生產。從行業的發展趨勢來看，浮選生產自動化是浮選技術發展的必然趨勢，其在提高選煤企業經濟效益和社會效益中的作用將會越來越大。

[1] 劉小波.泡沫圖像處理技術在礦物浮選作業中的應用[J]. 計算技術與自動化，2012，31(3)：138-141.

[2] 王瑞紅. 浮選藥劑自動控制系統的研究[J].煤礦機械，2004(8)：30-31.

[3] 牛宏遠,劉恒權. 浮選自動加藥控制系統的開發與應用[J].煤炭技術，2006，25(7)：77-78.

[4] 耿增顯,柴天佑,岳 恒.浮選過程自動控制系統[J].控制工程，2008，20(5)：497-500.

[5] 孫振海,羅成名,宋風華. 浮選自動跟蹤加藥控制系統[J].煤炭技術，2011，30(4)：119-120.

[6] 陳貴烽，李文郁，王 昱.浮選過程工藝參數的自動化控制[J].選煤技術，1993(6)：23-26.

[7] 馬 杰.機械攪拌式浮選機工藝系統自動化現狀及發展方向探討[J].選煤技術，2010(1)：58-59.

[8] 翟延忠,周娟華.基于精密計量泵的浮選加藥控制平臺[J].選煤技術，2011(2)：53-56.

[9] 葉 俊，楊立芳.浮選自動加藥系統的設計及設備選型[J].選煤技術，2002(6)：51-52.

[10] 趙平勝，王然風.浮選自動加藥系統的設計[J].山西煤炭，2011，31(8)：62-63.

[11] 武衛新.浮選自動加藥系統在浮選中的應用[J].煤礦現代化，2004(4)：50-51.

[12] 沈孝忠，劉 強，趙 霞.基于S7-300PLC的浮選自動加藥控制系統[J].自動化應用，2012(5)：45-46.