基于壓差法的煤泥水濃度檢測系統的設計

林 星，劉海增，呂文豹，張青松

(安徽理工大學, 安徽 淮南 232001)

選煤生產中，煤泥水濃度是一項非常重要的參數指標，煤泥水濃度的精確檢測對于提高生產效率，降低藥劑消耗等有著重要的意義[1].如果濃縮機煤泥水下層濃度嚴重超標，會導致濃縮機底部產生過度負載，使設備無法運行甚至損壞。針對這種情況，濃縮過程中一般都添加絮凝劑幫助煤泥快速沉降，但是絮凝劑的用量，很大程度上取決于濃度的檢測。絮凝劑用量過多，會造成藥劑的浪費。反之絮凝劑用量過少，會導致濃縮機上層溢流水中煤泥含量過高，使選煤效率下降，而且高濃度的溢流水進入循環系統也可能導致其他設備出現故障[2-3].因此，通過對濃縮機內煤泥水濃度的檢測，準確控制絮凝劑的添加，是保證濃縮機穩定、高效運行的關鍵[4].本文采用雙管壓差法測量密度間接測量煤泥水的濃度，通過控制系統實現對濃縮機內部不同深度的液體檢測。

1 雙管壓差濃度檢測裝置的設計

1.1 裝置結構設計

裝置結構設計見圖1.雙管壓差法測量裝置是通過氣體壓縮機釋放氣體后，將雙管內的懸浮液體排出，在底部形成穩定的靜壓力，在濃縮機中，不同深度液體的濃度是不斷變化的，所產生的壓力也大不相同，因此可以通過測量雙管內部的壓差，間接測算出濃縮機不同深度下的濃度。

1—導軌；2—電機；3—PLC；4—懸臂;5—節流閥；6—過濾裝置；7—空氣壓縮機；8—雙管;9—測量筒；10—壓差傳感器；11—直流電源;12—上位機

1.2 裝置檢測原理

測量裝置進入被測懸浮液，長管與短管深度分別為h1和h2，氣源產生壓縮空氣，經過過濾調壓裝置，除去油水及其它雜質。將凈化后的壓縮空氣分別通入測量管，同時調節節流閥使得測量管內被測懸浮液排出，并且在兩個管子底部均能產生穩定的氣泡。

根據流體力學的原理，節流閥前后壓降隨流速的增大而增大。由于節流孔的直徑比壓差測量管小得多，對流體阻力很大，所以流體通過節流閥和測量管時，其動壓力主要降落在節流孔上，而測量管中由于阻力很小，故其兩端產生的壓降可以忽略不計。

因此當系統達到動平衡時，兩管內的靜壓力p1與p2應該分別等于它們所排開的液柱，即：

p1=p0+ρgh1

(1)

p2=p0+ρgh2

(2)

p=p1-p2=ρgΔh

(3)

只要可以測出壓差p就可以算出被測液的密度ρ.

懸浮液中，在固體密度穩定的情況下，其濃度c和密度ρ存在著對應關系。而轉換條件是需要知道煤泥水中固體顆粒的密度ρ1，水的密度為ρ0，即：

(4)

由于水的密度為1 g/cm3，所以可將上式轉換為：

(5)

1.3 裝置功能分析

該煤泥水濃度檢測系統建成后能實現如下功能：

1)實現自動測量，清楚了解濃縮機中煤泥水濃度的空間分布情況。

2)煤泥水濃度檢測裝置為后續加藥奠定了基礎，可以根據實時檢測濃度實現對藥劑的精準添加。

3)濃縮機中煤泥水濃度分布測量的整個過程通過可編程控制器 PLC 和上位機共同實現自動控制，不僅可以提高選煤廠的自動化程度，還可以減少人力、節省時間。

2 雙管壓差濃度檢測控制系統的設計

2.1 系統部件組成

系統部件組成見圖2，系統部件主要有上位機、電動機、電磁閥、測量裝置、氣源和壓差傳感器等組成。

圖2 系統部件組成圖

1)輸入部分使用PC上位機連接西門子S7-200 SMART PLC，通過配置相應的模塊，將開關量信號和模擬量信號送到控制器中，經過編寫程序下載到PLC完成相應的操作。

2)測量部分由雙管、氣體壓縮機、調壓過濾器和節流閥構成，將氣體壓縮機產生的氣體經過過濾、調壓后送入雙管，再通過調節節流閥控制雙管內的壓力，使得在底部勻速且緩慢地產生小氣泡，最后通過壓差傳感器測得此位置下雙管內的壓差。

3)輸出部分包括上位機輸出測量深度以及壓差，由系統記錄，并計算出相應的數據信息。

2.2 PLC軟件程序設計

根據設備功能和使用情況，完成各設備之間的連線和通訊，然后使用PLC軟件，編輯輸入量、輸出量、模擬量、編寫程序并錄入和編譯后下載運行。

PLC軟件程序設計順序功能見圖3.首先需檢查裝置啟動前的位置是否在指定位置，然后再啟動裝置，使電機正轉動，待測量裝置向下移動20 cm后停止轉動，待裝置穩定后靜待10 s，記錄此時傳感器的數據。電機繼續轉動并重復上述過程，直到裝置移動100 cm，測量結束，關閉氣源，電機反向轉動使測量裝置復位，測量結束。整理數據并分析結果。

圖3 順序功能圖

2.3 人機界面及硬件設計

結合現場設備具體情況和PLC系列產品特征，煤泥水濃度檢測系統的硬件設計選用S7-200 SMART型號的西門子PLC，該型號PLC控制器的主要參數見表1.

表1 S7-200 SMART CPU-SR20參數表

硬件S7-200 SMART PLC選擇標準型CPU-SR20，其集成了模擬和數字I/O端口、PROFINET通訊接口，附加模塊包含遠程通訊模塊、A/D模塊、D/A模塊等。選用PM340模塊S120變頻器，搭配CU310DP控制單元，可實現對電機的啟停控制。

人機界面控制設計見圖4.在PLC的編程調試過程中，同時進行系統觸摸屏監控軟件的設計與編程工作。觸摸屏界面采用組態軟件MCGS設計完成。該系統的主頁面主要控制電機的啟停，以及監視電機的運轉情況，并且可以實現報警、監控、調制、數據分析等，實現了集中控制[5]，能夠直觀地了解設備的運行狀態。

圖4 人機界面控制設計圖

3 模擬現場實驗分析

為了研究該雙管壓差測量系統的實用性，取濃縮機內0.4～2.4 m的深度進行實驗，每隔0.2 m測量一次，共計11個取樣測試點。先用壓差密度計測量，使用抽水裝置將相應深度的液體抽出，并通過稱重和測量體積，計算出實際密度，最后與雙管壓差密度計測得的數據對比。

對上位機中得到的數據以及人工稱重測出的數據進行對比，結果見圖5.

圖5 實驗效果對比圖

從圖5可以看出，隨著待測液體液位深度的增加，各徑向采樣點處的密度隨之升高，在小于0.75 m深度時增速較慢，出現測量密度大于實際密度，是由上層液體由于待測液體中懸浮物自然沉降所帶來的誤差。當深度大于0.85 m時增幅又變大，相同深度處，密度差距較小，說明濃縮池在局部范圍內待測液體深度的濃度變化對密度變化影響小。同時可以看出在密度變化分度值很小的情況下，傳感器測試所得到的密度與同步采樣獲得的密度在不同深度所對應的密度值比較接近。

4 結 論

基于壓差法設計的煤泥水濃度檢測系統，以PLC為核心，通過雙管壓差密度測算的方法間接得出不同位置深度下煤泥水的濃度，可以有效地實現濃縮機內不同深度下煤泥水濃度的智能化檢測。實驗對比系統檢測測量與人工實際測量，其最終結果表明了此方法設計的煤泥水濃度檢測系統的可行性與可靠性，也保證了濃縮機工作的高效穩定運行。