智能控制算法在流化床粗煤泥分選機中的工業(yè)應(yīng)用

呂一波，蔣振東，閆賀卿，孫 楓，劉國棟

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

智能控制算法在流化床粗煤泥分選機中的工業(yè)應(yīng)用

呂一波，蔣振東，閆賀卿，孫 楓，劉國棟

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

針對傳統(tǒng)PID控制存在的精度低、穩(wěn)定性差、難以適應(yīng)選煤廠復(fù)雜環(huán)境的狀況，設(shè)計出了一種模糊PID智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于分選過程流態(tài)化特性，與組態(tài)王相組合可以實現(xiàn)在線實時遠程監(jiān)控分選系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)在鶴崗新一選煤廠的LCH-2400型水介流化床粗煤泥分選機上得到了很好的應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明：該智能系統(tǒng)操作方便，響應(yīng)速度快，分選效率高，生產(chǎn)成本低，滿足了選煤廠對自動化控制的要求，對提高選煤廠自動化水平有著重要的意義。

流化床；粗煤泥；分選機；智能控制；模糊PID

粗煤泥是指粒度在0.30～0.50 mm以上與煤泥相接近且在分選中難以用浮選的方法來處理的煤粒。粗煤泥分選效率的高低可直接影響整體精煤產(chǎn)率，因此粗煤泥的分選效果應(yīng)當(dāng)引起選煤廠足夠的重視[1]。與其他分選設(shè)備相比，水介流化床粗煤泥分選機具有較大的單位面積處理量、較小的設(shè)備運行維修量和動力負(fù)荷、較方便的密度調(diào)控方式等方面的優(yōu)點，使其對粗煤泥分選的效果非常好。LHC-2400型分選機就是其中的一種，研究針對該機設(shè)計了模糊PID智能控制系統(tǒng)，同時將雙纖單模收發(fā)器和CP243-1以太網(wǎng)模塊相結(jié)合組成遠程信號傳輸系統(tǒng)，用以完成信號的遠程傳輸，實現(xiàn)了集控室對現(xiàn)場的遠距離實時在線監(jiān)控。該智能系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了選煤廠自動控制和遠程控制，提高了粗煤泥分選系統(tǒng)的自動化水平，對粗煤泥分選效率的提升有著重大的作用。

1 分選機的結(jié)構(gòu)及工作原理

水介流化床粗煤泥分選機主要由供料、分選和給水三大系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水介流化床粗煤泥分選機實質(zhì)上是一種重選設(shè)備，其工作原理主要依據(jù)顆粒在重力場中的干擾沉降理論，利用給水系統(tǒng)實現(xiàn)水流的上升，在上升水流的作用下使物料處于流態(tài)化狀態(tài)，以物料中的粗粒度、高密度的顆粒作為加重質(zhì)，實現(xiàn)物料按密度進行分層，并最終實現(xiàn)精煤產(chǎn)品與尾煤的分離。在控制系統(tǒng)方面，密度傳感器和松散度傳感器分別深入到干擾床層中的適當(dāng)位置，對分選機內(nèi)干擾床層密度和松散度進行不間斷的檢測。密度傳感器和松散度傳感器分別將采集的信號輸送到主控單元，通過主控單元PID控制器的處理，得到相應(yīng)的處理信號，并最終傳送到執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)接收的信號開始執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而控制排料閥門的開度。

2 控制系統(tǒng)的基本要求

水介流化床粗煤泥分選機要達到可靠、平穩(wěn)、安全的運行，其控制系統(tǒng)必須滿足以下基本要求：

(1)系統(tǒng)要有足夠的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性，盡量減小滯后性，并能方便地進行控制調(diào)節(jié)。

(2)系統(tǒng)要有故障報警、故障信息記錄和查詢以及部分故障自動修復(fù)的功能。

(3)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)能夠自動檢測并在觸摸屏和上位機上顯示。

(4)系統(tǒng)安全功能要對故障有軟件和硬件的限制條件。

(5)系統(tǒng)控制參數(shù)可在現(xiàn)場與上位機上自主設(shè)定，可在手動、自動、遠程控制模式之間相互切換。

3 分選機控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)主要由信號采集、主控和執(zhí)行三個單元構(gòu)成。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號采集單元主要由流量傳感器、位移傳感器、松散度傳感器、密度傳感器組成。流量傳感器控制變頻器進而控制水泵的轉(zhuǎn)速，將上升水流速度穩(wěn)定在所設(shè)定的范圍內(nèi)；松散度傳感器通過檢測床的厚度，來實現(xiàn)排料閥門開度的控制，使床層厚度穩(wěn)定在所設(shè)定的范圍內(nèi)；密度傳感器則通過檢測床層的密度，與松散度傳感器相結(jié)合實現(xiàn)對排料閥門開度的控制，最終使床層密度控制在合理的范圍內(nèi)。主控單元由電源模塊PS207、處理器S7-200CPU226CN、模擬量輸入模塊EM231等組成，其中：電源模塊PS207為西門子專用開關(guān)電源，供電電源為DC+24 V；處理器S7-200CPU226CN存儲容量大，可對程序和數(shù)據(jù)進行存儲，并作出相應(yīng)的運算；EM231將模擬量信號傳輸?shù)教幚砥鳎籈M232將處理后的信號傳輸?shù)綀?zhí)行單元；以太網(wǎng)模塊與遠距離集控室上位機通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。執(zhí)行單元主要由電液執(zhí)行機構(gòu)、水泵等組成，其中：電液執(zhí)行機構(gòu)采用的是西門子電液執(zhí)行器，與普通的步進電機執(zhí)行機構(gòu)相比較，其可直接接收模擬量輸出信號，不需要驅(qū)動器即可工作，在實際應(yīng)用和運行中簡單便捷。電液執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)其所接收的信號作出相應(yīng)的動作，控制排料閥開度的大小。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)、光纖和雙纖單模收發(fā)器連接到CP243-1以太網(wǎng)模塊，實現(xiàn)與PLC通訊。觸摸屏面板KTP600 Basic color PN可以自定義顯示屏上的按鈕，有很強的控制系統(tǒng)顯示和操作功能，表達更直觀，可靠性高，防護等級為IP65，可在惡劣的工程環(huán)境中應(yīng)用，更方便現(xiàn)場的操作[2]。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了手動、自動、遠程三種模式的控制，PLC程序的主要作用就是根據(jù)檢測到的密度控制排料閥開度的大小，從而實現(xiàn)其對流化床床層密度的控制。PLC程序設(shè)計的流程圖如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計流程圖

3.2 模糊PID控制算法

本控制系統(tǒng)采用的是模糊PID控制，即Fuzzy-PID控制。

PID控制操縱方便，反應(yīng)速度快、波動性小，且穩(wěn)定可靠，是目前在各種設(shè)備中應(yīng)用最多的控制算法。但對于數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜而難以建立具有復(fù)雜工況的控制系統(tǒng)，PID三個參數(shù)的整定不能根據(jù)外界條件的改變而產(chǎn)生相應(yīng)的改變[3]。因此PID控制對諸如選煤廠流化床這樣具有復(fù)雜的工況的環(huán)境適應(yīng)性較差。PID控制原理圖如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

模糊控制算法不依賴于復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，在被控變量的動態(tài)特性和一定的模糊控制規(guī)則的條件下，可推導(dǎo)出合理的控制量[4-5]。模糊控制算法抗干擾能力強、反應(yīng)及時，可使其能夠較好地適應(yīng)滯后性、時變性、非線性的被控制對象。但由于模糊控制器存在穩(wěn)定性差、控制精度低的問題，對于具有復(fù)雜工況環(huán)境的選煤廠流化床仍不適合。模糊控制原理圖如圖5所示。

圖5 模糊控制器原理圖Fig.5 Block diagram showing the principle of fuzzy controller

目前，二維模糊控制器具有P-D的控制作用使其在控制過程中反應(yīng)迅速，并且不會產(chǎn)生嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象，但是這種控制器存在波動性較大的問題，其運行效果在多數(shù)情況下不能滿足控制的需要。而PID控制器中I在理論上可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差趨向于零，從而避免了系統(tǒng)較大的波動性，使穩(wěn)定性得以提升。因此，把上述兩種控制器復(fù)合起來，使兼具兩者優(yōu)點、又消除了兩者缺點的新型模糊PID控制器可有效提高整個控制系統(tǒng)的控制性能。其中Fuzzy-PID結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊PID控制原理圖

若Fuzzy-PID系統(tǒng)誤差在范圍[-K，K]外，則選擇模糊控制，這時系統(tǒng)能夠迅速做出相應(yīng)的反應(yīng)，動態(tài)性優(yōu)越；若系統(tǒng)誤差在范圍[-K，K]內(nèi)，則選擇PID控制，這時系統(tǒng)不會出現(xiàn)較大的波動，穩(wěn)態(tài)性優(yōu)越。因此，F(xiàn)uzzy-PID控制器具備動態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小，又兼具穩(wěn)定性好的優(yōu)點，從而使其控制精度得以大幅度提高[6-7]。本控制系統(tǒng)所設(shè)定的密度中間值是1.35 g/cm3，偏差范圍是[-0.05，0.05]，當(dāng)偏差在[-0.05，0.05]之外時，采用模糊控制；當(dāng)偏差在[-0.05，0.05]之內(nèi)時，采用PID控制。

4 分選機的通信與上位機設(shè)計

4.1 通信設(shè)計

水介流化床粗煤泥分選機控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，克服了多樣化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信方式存在的缺點，如現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)多，支持應(yīng)用少，很難與互聯(lián)網(wǎng)集成等[8]。雙纖單模收發(fā)器和CP243-1與太網(wǎng)模塊相結(jié)合組成遠程信號傳輸系統(tǒng)來完成信號的遠程傳輸，實現(xiàn)了集控室對現(xiàn)場的遠程監(jiān)測與控制。通信設(shè)計部分如圖7所示。

圖7 通信設(shè)計流程圖

4.2 上位機設(shè)計

系統(tǒng)采用組態(tài)王6.55軟件作為集控室上位機系統(tǒng)對水介流化床粗煤泥分選機系統(tǒng)進行監(jiān)控，實現(xiàn)了水介流化床粗煤泥分選機的遠程監(jiān)控，并且可實現(xiàn)在線顯示分選機運行過程中的各項參數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)的查詢[9]。集控室上位機設(shè)計如圖8所示。

圖8 集控室上位機圖

集控室上位機實現(xiàn)了實時監(jiān)控分選機的實時密度、三個排料閥的開度等參數(shù)的實時狀態(tài)，記錄分選機運行過程中出現(xiàn)故障時的細(xì)節(jié)問題，查詢實時和歷史數(shù)據(jù)等功能。集控室上位機選擇調(diào)度控制時，可以設(shè)定密度等控制參數(shù)，對排料閥的分動聯(lián)動進行調(diào)試，同時取代觸摸屏。觸摸屏界面設(shè)計采用SIMATIC WINCC fiexible2008編寫，其作為集控室上位機的下位機來使用，可實現(xiàn)與集控室上位機類似的功能，滿足現(xiàn)場操作的需要。當(dāng)集控室上位機切換到集控室控制時，觸摸屏則起不到控制作用。觸摸屏的設(shè)計如圖9所示，可實現(xiàn)現(xiàn)場人機交互控制。

圖9 觸摸屏設(shè)計圖

5 應(yīng)用效果分析

智能控制系統(tǒng)在鶴崗新一選煤廠的實際運行中與其他控制系統(tǒng)相比效果顯著。采用Fuzzy-PID控制的煤泥密度波動范圍小，能夠穩(wěn)定在設(shè)定的控制范圍之內(nèi)。PID和Fuzzy-PID實時控制的密度曲線如圖10和圖11所示。

對比圖10和圖11可知：PID控制的密度在設(shè)定值上下波動范圍較大，范圍達到了1.2～1.60 g/cm3，超調(diào)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，難以滿足生產(chǎn)控制的要求；而Fuzzy-PID控制的密度在設(shè)定值上下波動范圍很小，穩(wěn)定性高，能較好地滿足控制要求，適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場工況環(huán)境。可見Fuzzy-PID控制在選煤廠流化床這樣具有復(fù)雜工況環(huán)境的實際控制運行中兼具了更快的動態(tài)性能和良好的穩(wěn)態(tài)性。在用分層采樣的方法研究控制系統(tǒng)的實際運行效果時也體現(xiàn)了其控制效果的優(yōu)越性能，達到了預(yù)期控制效果。具體結(jié)果表明：當(dāng)上升水流速度為13.94 mm/s時，流化床層分選密度為1.62 g/cm3時，形成的精煤層、過渡層和矸石層高度分別為100 mm、1 800 mm和200 mm，密度>1.8 g/cm3和密度<1.3 g/cm3的顆粒在矸石層中的含量分別為80.1%和4.96%，其形成的矸石層有利于提高分選效率[10]。

圖10 PID控制實時密度曲線圖

圖11 Fuzzy-PID控制實時密度曲線圖

6 結(jié)語

智能控制系統(tǒng)在鶴崗新一選煤廠的成功應(yīng)用表明，隨著智能化控制的不斷發(fā)展，智能化控制將是必然的發(fā)展趨勢。相對于PID控制，F(xiàn)uzzy-PID控制的參數(shù)在控制范圍內(nèi)波動，克服了傳統(tǒng)控制中常見的超調(diào)現(xiàn)象，滿足了選煤廠流化床復(fù)雜工況環(huán)境下的控制要求；同時Fuzzy-PID控制器不需要復(fù)雜的主控單元，控制參數(shù)可根據(jù)輸入的偏差和實際運行中的偏差變化率實時調(diào)節(jié)，能夠確保系統(tǒng)在長時間內(nèi)安全平穩(wěn)運行，解決了現(xiàn)階段國內(nèi)同種類型設(shè)備阻塞排料口的問題。此外，該智能控制系統(tǒng)在不改變原有硬件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了集控室實時遠程監(jiān)控，提升了選煤廠的自動控制水平，滿足了自動控制的要求，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 郭 德，魏樹海，張秀梅.脈動粗煤泥分選機分選理論及其應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報，2015，40(9)：2181-2186.

[2] 楊后川.西門子S7-200PLC應(yīng)用100例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2014：341-343.

[3] 董子文，朱張青.模糊PID控制在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電氣自動化，2010 (5)：14-16.

[4] 呂紅麗，段培永，崔玉珍，等.新型模糊PID控制及在HVAC中的應(yīng)用[J].控制理論與應(yīng)用，2009，26(11)：1277-1281.

[5] 王述彥，師 宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(1):166-172.

[6] 孫 琳，李天然，吳華仁.基于模糊自適應(yīng)PID的廣域阻尼控制[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2015，27(5)：28-33.

[7] 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[8] 盧 倩，朱真才，陳光柱，等.礦井工業(yè)以太網(wǎng)大流量負(fù)載實時調(diào)度策略[J].煤炭學(xué)報，2009，34(10):1430-1434.

[9] 劉學(xué)多，焦東來.面向中間件的組態(tài)王遠程數(shù)據(jù)采集驅(qū)動設(shè)計[J].計算機應(yīng)用，2016，36(1)：96-116.

[10] 呂一波.流化床粗煤泥分選床層特性[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2012(3)：225-228.

Industrial application of intelligent control algorithm in separation of coarse slime with fluidized-bed separator

LV Yi-bo, JIANG Zhen-dong, YAN He-qing, SUN-feng, LIU Guo-dong

(Mining Engineering Institute, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, Heilongjiang, China)

Owing to the fact that the tradition PID control mode can hardly adapt to the complicate operating conditions of coal preparation plant due to its low accuracy and stability, a fuzzy PID intelligent control system is specifically designed. The system designed based on the fluidization characteristics of the separation process in combination with the king view component can realize online real-time remote monitoring of the separating process. Application of the intelligent system for the control of the LCH-2400 water-medium fluidized-bed coarse slime separator operating in Xinyi plant, Hegang city has met with great success. As evidenced by result of industrial application, the control system is easy to operate and quick in response, making it possible for the separator to operate with a much higher efficiency at lower operating cost. Its application proves to be capable of meeting the automatic control requirements placed by coal preparation plant and is of great significance to the enhancement of the automation level of such plants.

fluidized-bed; coarse slime; separator; intelligent control; fuzzy PID

1001-3571(2016)04-0058-05

TP273；TD455

B

2016-05-24

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.016

黑龍江科技大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2015-110HKD)。

呂一波(1960—)，男，黑龍江省雞西市人，教授，博士，從事煤炭分選技術(shù)方面的研究工作。

E-mail:mynamelyb@usth.edu.cn Tel：18623855902

呂一波，蔣振東，閆賀卿，等.智能控制算法在流化床粗煤泥分選機中的工業(yè)應(yīng)用[J]. 選煤技術(shù)，2016(4)：58-62.