摘要：介紹了重介淺槽分選自動控制系統(tǒng)的構成、控制算法、功能及特點，并分析了該系統(tǒng)在五龍礦選煤廠重介淺槽分選工藝中的應用情況。實踐應用表明：重介淺槽分選自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，易于維護，創(chuàng)造了顯著的經濟效益。

關鍵詞：重介淺槽分選；自動控制系統(tǒng)；密度控制；模糊算法

五龍煤礦選煤廠于1957年6月建成投產，采用篩分--手選工藝，年原煤處理能力為150萬噸。經過多次擴能改造和工藝完善后，生產能力達到300萬t/a。隨著煤層賦存條件的變化及綜采技術的應用，入洗原煤煤質變差，原煤矸石含量越來越大，原煤生產系統(tǒng)存在的問題越來越突出，尤其是準備車間的篩分破碎工藝已無法滿足正常的排矸要求，排矸效率低，帶煤損失嚴重，制約了礦井與選煤廠的生產。為了適應煤礦生產的需求和煤質與市場的變化，五龍礦選煤廠在充分調研、論證的基礎上，對原煤車間進行技術改造，采用了粗煤泥分選和XZQ1635型重介質淺槽排矸工藝，并對其系統(tǒng)進行技術改造，從而使原煤分選過程全面實現自動化，達到提質增收的目的。

1.重介淺槽自動控制系統(tǒng)

1.1硬件配置和網絡結構

根據重介淺槽分選工藝的要求，考慮到數字量、模擬量處理量大，電動調節(jié)機構、閥門操作頻繁，大功率變頻器控制要求高，供電電源受變頻諧波干擾，順控程序復雜且需要靈活調整等因素，選用西門子公司S7-300系列模塊化PLC和ET200M 分布式I/O構建控制系統(tǒng)。其中，CPU為315-2DP， I/O模塊按帶電熱拔插設計，每個I/O模塊均安裝在熱插拔底板模塊上，更換任意一個I/O模塊時都不會影響其他模塊的正常工作。CPU、分布式I/O模塊設置在配電室的威圖柜內，PLC接地需單獨做儀表接地極，與電氣地完全隔離。機柜中的PLC系統(tǒng)直流電源采用1+1冗余設計，直流電源允許并聯(lián)使用，而且不必停機即可更換。PLC系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一由長延時的在線式UPS供電，現場的一次儀表信號通過信號隔離器接人相應的模擬量模塊通道，AO模擬量輸出信號經信號隔離器隔離后控制變頻器、電動調節(jié)閥門、電動執(zhí)行器等現場控制設備?，F場設備的工作、故障狀態(tài)DI信號經中間繼電器隔離后接入數字量模塊通道，DO信號經輸出繼電器控制設備啟停。

控制系統(tǒng)網絡分為三層結構，即監(jiān)控管理級（上位機）、過程控制級（PLC控制器）和現場控制級（現場設備）。第一層監(jiān)控級采用工程師站和操作員站結構，工程師站/操作員站配置兩套DELL工業(yè)計算機，采用西門子公司組態(tài)軟件WinCC6.2SP2RT/RC1024實現對淺槽重介選煤過程的實時監(jiān)控。通過計算機內以太網卡和SCALANCE X204-2與CPU315-2DP進行TCP/IP以太網通訊， 網絡交換機預留兩個光纖接口，以便于與廠級管理系統(tǒng)進行聯(lián)網通訊。第二層是過程控制級， CPU通過ET200M對密度、液位、壓力、磁選尾礦中磁性物含量、頻率、流量、閥位等參數實時采集，并利用PR0FIBUS-DP網絡通訊至工程師站/操作員站的數據庫中進行存儲和處理。第三層是現場控制級，一方面將設備電動機變頻頻率、工作電流、密度、液位等數據通訊到主站PLC的寄存器中，另一方面將主站對設備頻率、壓力、開度、液位、接觸器吸合與斷開的控制數據發(fā)到目標裝置。

1.2特點

五龍礦選煤廠淺槽重介自動化系統(tǒng)具有如下特點：

（1）系統(tǒng)技術先進、可靠。淺槽重介自動化系統(tǒng)的硬件、軟件設計均采用先進的控制系統(tǒng)、控 制算法及完善、可靠的抗干擾技術，系統(tǒng)投產后一直運行正常。

（2）系統(tǒng)投資費用低。采用PROFIBUS-DP現場總線技術，利用ET200M遠程PLC控制分站與現場電氣設備接線，PLC威圖柜體與低壓配電柜體并柜安裝，既節(jié)省大量纜線投資，又減少了電氣 安裝的工作量。

（3）系統(tǒng)維護工作量減少，效率得到提高在集控室操作員站計算機上就可直觀發(fā)現故障設備的故障原因，比如接觸器誤動作、變頻器故障、電動機綜保故障等，大大縮短了設備維護時間，提高了工作效率，將影響生產的時間降至最少。

2.控制算法

2.1 PID閉環(huán)控制算法的實現

系統(tǒng)控制點如密度、液位、壓力、頻率等使用PID閉環(huán)控制算法。工程師站中西門子PLC編程軟件采用的是SIMATIC STEP 7 V5. 4 SP3.1，其中的標準庫（Standard Library）中有一個預定義的SFB41/FB41，就是實現PID閉環(huán)控制算法的功能塊，可直接調用，調用時賦予一個背景數據塊 （DB塊）即可。

2.2模糊-PI 雙?？刂破髟O計

淺槽重介變頻排矸等復雜多變的被控對象采用 PID控制應用效果不理想，應尋找更有效的控制方法。模糊控制算法能根據原煤中矸石含量調整排矸量，最大限度地提高淺槽重介設備利用率、降低設備磨損。

傳統(tǒng)的模糊控制器以系統(tǒng)誤差 e 和誤差變化ec 為輸入語句變量，具有類似常規(guī)的比例微分（Proportional Differential，PD）控制器的特性。由于PD 控制器可以獲得良好的動態(tài)特性，但無法消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。而傳統(tǒng)的比例積分（PI）控制器具有很高的穩(wěn)態(tài)精度，并且具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點。

因此，本系統(tǒng)結合模糊控制器與 PI控制器的各自優(yōu)點采用了一種模糊-PI雙?？刂破鳌Ｆ溆蒔I控制器和基本模糊控制器組成。基本模糊控制器主要完成對系統(tǒng)的非線性控制；PI控制器主要完成當系統(tǒng)的誤差趨于零時，保持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。兩者的轉換根據事先給定的偏差范圍實現自動轉換。PI控制器與模糊控制器相結合的雙模模糊控制器的原理框圖如圖（1）。

圖中的特征識別主要是針對系統(tǒng)的誤差而言：

a. 當|e|

b. 當|e|>es時，系統(tǒng)處于PI控制器控制模式，以克服當系統(tǒng)誤差趨于零時，模糊控制器可能產生的震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差。

誤差絕對值的設定es的選取要適當。es太大，基本模糊控制器作用的程度較大，要注意克服系統(tǒng)可能引起的震蕩現象；es太小，基本模糊控制器作用的程度較小，它對系統(tǒng)的非線性控制作用不太明顯。

模糊控制器設計所涉及的五個主要步驟為：模糊化、建立模糊推理規(guī)則、確定規(guī)則信度、選擇關系生成方法和推理合成算法以及反模糊化。

以密度控制為例：其輸入變量為密度誤差和誤差變化率，輸出變量為電流。

隸屬函數部分定義了密度誤差和誤差變化率2個變量，這兩個語言變量都包括了5個語言值：NM、NS、ZE、PS、PM。2個輸入變量論域范圍相同，都是[-3 3]，所采用的隸屬函數也相同，并且每個隸屬函數都選用等腰直角三角形隸屬函數，密度誤差、誤差變化率和輸出變量量化因子選為10（實際中，輸入、輸出量化因子Ke、Kec以及輸出比例因子Ku可調），輸入變量的隸屬函數如圖（2）：

NM=negative medium（負中）；NS=negative small（負?。?；NE=zero（零）；PS=positive small（正?。籔M=positive medium（正中）。

模糊規(guī)則表的建立：密度誤差（Theta）和誤差變化率（dTheta）作為模糊邏輯系統(tǒng)的輸入變量。電流作為模糊邏輯系統(tǒng)的輸出變量。這樣，Thera、dThera和電流根據 “if a and b，then c”規(guī)則。

PLC編程軟件SIMATIC STEP 7 V5.4標準庫 （Standard Library ）中沒有模糊控制塊，可根據模糊算法在PLC里自行編寫模糊控制程序。自行編寫的程序功能完善、靈活、精練，測試完成后封裝成功能塊FC塊（Function Block），方便調用。編寫模糊控制程序需注意如下問題：手動、自動雙向無擾動切換，以保證手動、自動轉換過程中對生產工藝參數無影響；控制輸出值上下限幅在人/機界面HMI上可調整，保證設備運行在安全范圍內；輸入量因子Ke、Kec、輸出比例因子Ku等調節(jié)參數在人/機界面HMI上可調整，符合現場人員的操作習慣；模糊控制程序要下載到PLC存儲器中，在 定時中斷中調用，保證系統(tǒng)自動控制功能的穩(wěn)定、精準、可靠運行。

2.3模擬量濾波程序

由于重介懸浮液密度、液位、壓力、流量、頻率、閥位反饋等模擬量在運行中受到變頻器等非線 性元件的電源諧波和現場EMC等作用，測量值中夾雜一些干擾信號，影響PID、模糊閉環(huán)控制效 果，為此在硬件上采取信號隔離技術的同時，在軟件上增加模擬量數字濾波算法。采取的算法是改進 的算術均值濾波法，即每個模擬量在一個采樣周期內采樣N次，首先對這N個數值進行排隊，剔除最大值和最小值，然后對剩余數值取算術平均值，做為實際的模擬量采集值。由于N次采樣中連續(xù)幾次受干擾的可能性很小，故可有效地消除隨機干擾的影響。

3.系統(tǒng)功能

3.1主要控制功能

（1）順序控制功能。淺槽重介分選工藝是一個典型的以時間為基礎，以各個環(huán)節(jié)檢測執(zhí)行為條件的順序控制。自動化系統(tǒng)的功能是完成所有設備順序、步驟、各控制點及安全聯(lián)鎖等一系列相互關聯(lián)的操作，每一順序中含有不同的操作步驟和控制要點。設備集中控制程序嚴格按國標GB50359—2005《煤炭洗選工程設計規(guī)范》要求編制，并經嚴格測試合格后投入使用。

（2）重介懸浮液密度控制功能。介質密度控制跟蹤精煤產品灰分，灰分高時降低密度，灰分低時提高密度。重介懸浮液密度自動控制是一個以精煤產品預期灰分下的密度為設定值，密度實際檢測值為反饋信號，通過調節(jié)合介與稀介之間分流量，輔助以調節(jié)合介桶的補水量來實現設定密度穩(wěn)定的閉環(huán)自動調節(jié)系統(tǒng)。

（3）液位控制功能。合格介質桶、磁選尾礦桶設有液位檢測儀，在PLC控制程序中統(tǒng)一考慮密度和液位的自動控制。當重介懸浮液密度達到要求時，合格介質桶液位的高低決定系統(tǒng)中是否補充 磁鐵礦粉。液位過高，合格重介質的密度肯定降低，應加大分流量進行濃縮，此時，密度和液位自動控制的動作一致。

（4）合介泵出口壓力控制功能。合格介質泵出口管線上設有壓力變送器，實時檢測合格介質流量的壓力。通過調節(jié)合介泵的運轉速度來實現淺槽重介分選過程中合格介質上升流、水平流流量的調節(jié)，由于合介泵采用變頻調速技術，在滿足淺槽重介系統(tǒng)正常生產的前提下達到了節(jié)能降耗的目的。

3.2系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試是一個非常重要的過程，也是不斷發(fā)現問題并解決問題的過程。PLC編程軟件SIMATIC STEP 7提供了十分完善的調試手段，選擇在線監(jiān)控，可十分直觀地觀看程序執(zhí)行情況、網絡運行情況。由于采用結構化編程，整個自動化系統(tǒng)按工藝流程分為各控制子部分，各個子部分編程為各不相同的系統(tǒng)功能塊（FC塊）。在主程序（OB1） 中可根據工藝條件調用各功能塊，分別控制各子部 分的設備動作，完成系統(tǒng)的工藝需求和控制要求。在出現故障時，通過查詢診斷緩沖區(qū)信息，能很快查明故障原因?？呻S時修改功能塊（FC塊）程序，向CPU內存下載程序不需CPU停機即可完成，特別適合中、大型自動化系統(tǒng)調試。系統(tǒng)可對 PLC系統(tǒng)采集的密度、壓力、液位、頻率、調節(jié)閥門開度等模擬量參數進行多次校正，確定設定參數，最終達到最佳效果；系統(tǒng)密度、壓力、液位的控制精度穩(wěn)定在設定值±0.5%之間，滿足工藝系統(tǒng)要求。

4.應用效果

五龍礦選煤廠淺槽重介自動化系統(tǒng)包括設備集中控制、重介懸浮液密度控制、介質桶液位控制、合介泵變頻控制、空壓機自動控制等。該系統(tǒng)投用后，排矸效率明顯提高，分選密度調節(jié)范圍寬、精度高、易調節(jié)，解決了矸石量大制約選煤生產的問題。其配套輔助設備實現無人值守，減少了操作人員，大幅降低了工人的勞動強度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，洗選能力相應提高，產生了顯著的經濟效益。

作者簡介：

韓彥春（1983—），女，遼寧阜新人，工程師，碩士研究生，主要從事電力電子、機電控制等工程設計方面的研究。