大隆礦選煤廠重介系統介質密度控制方案分析

高 勇，楊 碩，趙柳達，張 秋，尹立山

(1.鐵煤集團 大隆礦選煤廠，遼寧 鐵嶺 112700；2.中煤科工集團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研究中心，河北 唐山 063012)

大隆礦選煤廠始建于1972年，是一座設計能力為0.90 Mt/a的礦井型選煤廠，經過多次技術改造后，原煤洗選能力達到3.00 Mt/a。原煤采用斜輪重介質分選機分選，入料粒度>13 m，<13 mm粒級末原煤直接作為產品銷售。入選原煤來自大隆煤礦，主導產品包括洗中塊(60～20 mm粒級)、洗粒煤(20～6 mm粒級)、洗末煤(13～0 mm粒級)、末煤(13～0 mm粒級)，洗選產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、設備老化、人員不足，嚴重影響企業的生存與發展。同時，生產系統的控制系統已經老化，不能滿足現場生產需要；尤其是介質密度控制系統，控制精度不高，導致介質密度波動較大，嚴重影響重介設備的分選效果和精煤產品的質量。為此，結合現場實際情況，對重介系統介質密度控制方案進行設計。

1 結構組成

該選煤廠原自動化控制系統以西門子SIMATIC S7-400系列PLC作為控制主機，對生產系統關鍵設備的運行狀態進行自動控制，并對工藝過程中的技術參數進行監測和動態糾偏。過程控制系統[1]是一個獨立的控制單元，與生產過程密切相關。為了提高重介系統的介質密度控制效果，設計中將其作為全廠集中控制系統的一個分布式I/O分站，通過PROFIBUS通訊協議與集控主站和各分站進行通訊，并進行集中統一的遠程控制；利用SIMATIC HMI WINCC6.0 作為后臺監視和控制軟件，將過程控制系統上位機和集控系統上位機互為冗余；通過SIMATIC NET協議與下位機通訊。大隆礦選煤廠過程控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 大隆礦選煤廠過程控制系統結構框圖

在設計過程控制系統中，選用冗余模式控制方案，即設置集中自動運行模式和就地運行模式，實現運行過程在線監控。根據不同工況，由操控員選擇控制方式。該系統具有遠程通訊功能，通過SIMATIC NET通訊協議，實現集控中心與PLC遠程站點的通訊；通過PROFIBUS通訊協議，實現集控主站與各分布式I/O分站通訊，并可實時接受遠程控制命令，從而完成重介生產過程的實時監控。

2 控制原理

2.1 參控工藝參數的確定

重介選煤具有分選效率高、入料粒級寬、密度調節范圍廣、對入料適應性強、處理量大等特點，但在煤炭洗選加工過程中，實現對分選密度、介質黏度、不同液位等的自動控制非常重要[2]。在重介選煤過程中，介質密度和黏度、煤泥含量等的變化對產品質量有著明顯影響。例如：介質內煤泥含量偏低，則介質的體積濃度偏小，導致其黏度降低，洗選系統穩定性變差，分選密度波動較大，嚴重影響原煤分選效果；介質內煤泥含量偏高，則介質的體積濃度偏大，導致其黏度偏高，洗選系統穩定性增強，物料在介質內運動的阻力增大，進而影響物料的分選效果，特別是細顆粒的分選效果[3]。因此，在煤炭洗選加工過程中，對工藝參數控制的實時性、準確性和魯棒性要求較高。

為此，設計中將密度計和磁性物含量儀分別安裝在重介管網系統的上升流管路上，以實現對介質密度和磁性物含量的在線檢測。介質內的煤泥含量通過式(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為介質內的煤泥含量；α、β為過程參數；ρ為介質密度；C為磁性物含量；δC為煤泥密度；δf為磁性物密度。

為了保證工藝系統的穩定性和控制精度，擬將過程控制系統融入自動化整體控制系統。由于重介選煤中多個工藝參數之間存在復雜的耦合關系[4]，選用傳統PID控制算法[5]往往達不到理想效果。為此，采用專家經驗控制[6]和傳統PID相結合的控制方式，建立專家經驗庫，以改善PID的控制特性。采用專家經驗庫優化后的傳統PID控制，具有較好的動態性能和抗干擾能力，超調較小，且能夠快速、準確取得期望值，穩態誤差小。采用專家經驗庫優化后的傳統PID控制效果如圖2所示。

圖2 采用專家經驗庫優化后的傳統PID控制效果

2.2 介質密度控制原理

在重介系統生產過程中，介質密度隨生產時間的推移逐漸增大，而合介桶液位呈現出逐漸降低的趨勢[7-9]。為了滿足實際生產需要，在密度控制回路中采取加水為主、加濃介為輔的控制方式。當介質的實際密度大于給定密度時，加大加水執行機構蝶閥的開度，實現介質密度的迅速降低。當介質的實際密度與給定密度的絕對差值<0.005 g/cm3時，系統進入死區η，上位機運算器程序合理設置延時時間τ，以摒除外界干擾，防止系統進入震蕩環境，進而保證系統運行穩定。死區η和延時時間τ由上位機專家經驗庫給出，具體數值由原煤煤質和系統組成決定。死區η越小，延時時間τ越短，系統靈敏度越高，但容易產生等幅振蕩，導致其穩定性降低；反之，死區η越大，延時時間τ越長，導致系統反應遲鈍，工藝效果和穩定性均變差。因此，合理建立專家經驗庫是改善PID控制器性能的關鍵。當介質的實際密度小于給定密度時，如果合介桶液位處于正常范圍內，關閉加水執行機構的蝶閥，增大分流執行機構的輸出角度，增大系統分流量，以提高介質密度。控制算法流程如圖3所示。

圖3 控制算法流程圖

在工藝系統中，介質密度選用基于專家經驗庫的閉環負反饋PID控制方式，能夠實現對加水執行機構蝶閥的實時調節，從而保證合格介質的密度魯棒性要求[8-10]。介質密度設定范圍為1.00～2.00 g/cm3，控制精度達到0.01 g/cm3。重介系統介質密度自動控制原理框圖如圖4所示。

2.3 介質黏度控制原理

介質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分流量，能夠實現對煤泥含量的控制[8]。當介質黏度大于設定黏度時，增大PID控制器輸出量，通過伺服放大器驅動分流執行機構，使循環介質經過磁選機進入精煤磁尾桶和中矸磁尾桶的分流增大；當介質黏度小于設定黏度時，減小PID控制器輸出量，通過伺服放大器驅動分流執行機構減小分流量；當介質黏度等于設定黏度時，PID控制器的輸出保持不變，保證分流量穩定。

圖4 重介系統介質密度自動控制原理框圖

當介質密度的絕對差值溢出η時，過程控制系統停止對黏度信號反應，先通過對密度閉環控制系統的動作優化密度環境，再進行黏度調節；當合介桶液位下限報警時，系統強制分流機構的輸出為0，即停止分流動作。重介洗選中黏度控制采用閉環負反饋的PID控制方式，能夠實現對分流執行機構及伺服定位系統的控制，從而保證介質黏度穩定。一般情況下，黏度設定范圍為30%～40%。重介系統介質黏度自動控制原理框圖如圖5所示。

3 系統特點

(1)采用加水、加濃介和分流相結合的設計思路，不但能夠消除因煤泥含量變化對介質密度的不良影響，而且有利于對生產過程數據的實時檢測和控制。

(2)采用專家經驗庫與傳統PID相結合的控制方式，能夠較好地改善系統的動靜態特性，進而提高其穩定性。

(3)上位機設有實時數據曲線、報警系統、歷史曲線畫面等，具有連續顯示并保持數據的功能，有助于集控員實時、準確掌握重介系統狀況。

4 結語

該系統已在大隆礦選煤廠投入運行，專家經驗庫與傳統PID相結合的控制方式，能夠有效提高重介系統介質密度的穩定性，從而使工藝參數滿足生產要求。同時，重介系統的分選效果和工藝參數控制的魯棒性均得到改善，精煤產率有了較大程度的提高，精煤產品質量穩定，這對促進企業經濟效益提升具有積極作用。

圖5 重介系統黏度自動控制原理框圖