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        回坡底選煤廠重介分選過程智能化系統(tǒng)設計

        2019-07-11 06:26:26段福山董林義
        山西焦煤科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:重介水閥懸浮液

        段福山,董林義,楊 周,李 勇,楊 斌

        (霍州煤電集團有限責任公司,山西 臨汾 041000)

        回坡底煤礦選煤廠是與回坡底礦井配套的礦井型選煤廠,設計入洗能力185萬t/年,重介環(huán)節(jié)采用三產(chǎn)品無壓重介旋流器分選工藝流程,分選過程主要存在問題有:正常生產(chǎn)過程中,密控系統(tǒng)補水和分流只能實現(xiàn)集控手動控制,分流開度過大、時間過長,造成密度波動強、合介桶位不穩(wěn)定,同時也影響磁選機回收磁鐵粉,介耗大,集控人員勞動強度大,使重介分選過程質(zhì)量失控。

        重介分選過程關(guān)鍵控制變量為補水量和分流量,尤其是分流操作對重介分選過程中懸浮液密度的影響較大。在分流閥開度較大的狀態(tài)下,大部分的介質(zhì)通過磁選機回收后返回到合格介質(zhì)桶中,使桶內(nèi)懸浮液密度增大,為了平衡入料處懸浮液密度,此時補水閥開度也將增大,使密度降低,同時合介桶桶位升高,為了不使合介桶溢出,又需要將分流閥開度大幅度減小。使得整個系統(tǒng)處于一個參數(shù)之間強耦合的動態(tài)平衡中[1],同時分流控制系統(tǒng)是一個滯后性較強的系統(tǒng),分流閥開度對于懸浮液密度的影響要經(jīng)過較長的時間才能夠反應過來,因此建立合適的數(shù)學模型對系統(tǒng)參數(shù)進行預測是分流控制的關(guān)鍵因素。

        目前,采用的自動補水方法為PID控制算法,其控制效果較為理想。自動分流方法應與自動補水配合,有模糊控制、粒子群算法、最小二乘支持向量機等[2-5],但在控制方式上還存在計算與控制相分離、控制響應時間較長等問題。整個控制系統(tǒng)較為繁瑣,維護難度大,軟件間過多的通訊也使得控制實時性得不到保證。因此,設計一個相對快捷、可移植性強、計算和控制于一體的控制系統(tǒng)對于重介分流控制工藝很有必要。

        1 重介過程關(guān)鍵參量耦合特性分析

        1.1 煤泥含量、磁性物含量的作用與耦合特性

        懸浮液由水、加重劑和煤泥3種物質(zhì)所組成。磁鐵粉含量可采用磁性物含量儀進行測試獲得,密度計可測出懸浮液密度,煤泥含量與密度和磁性物含量的數(shù)學關(guān)系通過建??梢垣@得。重介懸浮液在分選過程中不僅需要密度穩(wěn)定,更需要煤泥含量穩(wěn)定,這是保證重介分選設備分選精度和分選產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的雙重條件。

        不同分選密度,在同等固體體積濃度下,分選密度越高,懸浮液煤泥含量變化的范圍越小。以固體體積濃度不高于30%為例,懸浮液密度為1.45 g/cm3時煤泥含量為0~48%,而當懸浮液密度為1.60 g/cm3時,煤泥含量為0~36%,急劇降低了12%.

        控制重介懸浮液的磁性物含量或煤泥的方法是通過調(diào)整分流閥開度實現(xiàn)的,這是分流閥動作的第一個因素。同時可以看出,通過調(diào)整分流,在提高磁性物含量、降低煤泥含量的同時,重介懸浮液密度也增加了,可見分流實現(xiàn)降低煤泥含量的同時和密度控制具有耦合特性。

        1.2 合介桶液位在密度控制中的作用與耦合特性

        在正常重介選煤生產(chǎn)過程中,合介桶內(nèi)液面,應該保持在合介桶位的中間部位。也就是說,對合介桶的液位應有高低限位。當懸浮液密度達到規(guī)定值的要求時,一般情況下合格介質(zhì)桶內(nèi)液面的高低取決于系統(tǒng)中磁鐵礦粉的總量。

        液位過高,說明合格懸浮液的密度變小而不合格,且當停止生產(chǎn)時由于管道和分選器中的介質(zhì)回流,會引起介質(zhì)桶溢流,造成介質(zhì)損失,應加大分流量,使之濃縮。液位過低,說明磁鐵礦粉總量過少,同時也會使合介輸送到分選器時壓力難以保證,影響正常生產(chǎn),應添加新的磁鐵礦粉或者補加一定的濃介。

        在正常生產(chǎn)過程中,合格介質(zhì)桶的液位應是比較平穩(wěn)、緩慢的逐漸下降。但是對于異常工況,則表現(xiàn)為合格介質(zhì)桶的液位上升,這表明系統(tǒng)有多余的水補進,為了維持正常分選過程,需要通過分流的方式平衡進入合格介質(zhì)桶中多余的水量,這就產(chǎn)生了第二個分流閥動作的原因。同時可以看出,通過調(diào)整分流,在降低合介桶液位的同時,密度也增加了,可見分流實現(xiàn)降低液位的同時和密度控制也具有耦合特性。

        1.3 自動補水閥的作用與耦合特性

        補水閥的PID自動控制方法應用效果較為理想,補水閥開度可體現(xiàn)重介懸浮液密度信息。根據(jù)補水閥控制特性,當閥位處于較小開度時,表明合格介質(zhì)桶內(nèi)的懸浮液密度已經(jīng)比較低,可考慮提前進行分流,以維持合格介質(zhì)桶內(nèi)較高的密度值,維持自動補水的PID控制器的正常動作。反之,當自動補水閥閥位處于較大開度時,表明合介桶內(nèi)的密度值處于較高值,此時可減少分流閥的開度,減少系統(tǒng)的補水量,相當于預測控制,提前動作,同時使得系統(tǒng)具有較好的控制環(huán)境。這是第3個分流閥動作的原因。同時可以看出,通過調(diào)整分流,在控制補水閥開度的同時,密度也發(fā)生了變化,可見分流實現(xiàn)預先控制密度的同時和密度控制也具有耦合特性。

        從上述分析可以看出,實現(xiàn)自動分流主要考慮降低煤泥含量、維持合介桶合理液位、調(diào)整自動補水閥開度3個因素,同時這3個因素和密度自動控制具有耦合特性。因此,在自動補水和自動分流之間找到平衡,必須采用解耦技術(shù)。

        2 PID補水+ LS-SVM分流重介分選過程智能控制方法

        通過對密度控制系統(tǒng)的分析可以看出,密度控制系統(tǒng)是一個多輸入(密度值、磁性物含量給定、桶位和自動補水閥開度給定)和多輸出(自動補水閥和自動分流閥)系統(tǒng),采用單純的PID控制器無法解決問題。

        對于補水閥開度,采用PID控制實現(xiàn),對于分流閥開度,其開度由磁性物含量、合介桶液位、補水閥開度、重介懸浮液密度等多因素決定,由于各影響因素與分流閥開度之間難以建立精確的數(shù)學模型,是一個非線性、強耦合的系統(tǒng),因此,采用最小二乘支持向量機(LS-SVM)進行模型建立。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

        圖1 重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)框圖

        3 基于Spring Boot架構(gòu)的重介分選智能控制系統(tǒng)設計

        重介分選過程智能控制系統(tǒng)整體架構(gòu)由感知層、控制層、應用層3部分構(gòu)成。感知層中的傳感器采集桶位、密度、磁性物含量等數(shù)值,控制層中PLC進行收集之后通過Modbus TCP通訊將數(shù)據(jù)存儲在應用層的數(shù)據(jù)庫中,經(jīng)過計算后返回自動分流的開度和補水閥開度兩個返回值,再通過PLC返回給分流閥和補水閥進行自動控制。

        應用層采用了MVC框架實現(xiàn)WEB服務器開發(fā),由于傳統(tǒng)的Spring框架配置更為復雜、部署配置過程更為繁瑣、影響開發(fā)效率,而Spring Boot技術(shù)的出現(xiàn)減少了以往復雜繁瑣的部署流程,能夠快速便捷的構(gòu)建項目,使用AOP和Ioc技術(shù)實現(xiàn)了組件之間的松耦合性,解決了第三方技術(shù)集成難度大等一系列問題。因此,利用Spring Boot技術(shù)快速便捷完成WEB項目搭建的框架,配合MVC框架實現(xiàn)了業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)模塊和視圖顯示之間的解耦,同時使用Maven工具倉庫管理項目的依賴、編譯、文檔等信息,提供了starter簡化Maven配置,通過項目對象模型(Project Object Model,POM)進行項目相關(guān)功能的運作,完成了基于Spring框架的自動配置。Spring Boot還支持項目的熱部署,對于工業(yè)實時控制系統(tǒng)來說,無需停止服務器便可以對項目進行修改,使得該系統(tǒng)在調(diào)試修改過程中最大化地減少對生產(chǎn)的影響,是一種便捷高效的部署方式。

        系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2.

        圖2 Spring Boot自動分流控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

        4 系統(tǒng)功能設計與應用

        在回坡底選煤廠建立重介分選過程智能控制平臺,功能設計見圖3.

        圖3 重介分選過程智能控制平臺示意圖

        重介分選過程智能控制平臺采用高性能服務器雙機冗余系統(tǒng),配置UPS不間斷電源,安裝在集控室,用于實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、算法開發(fā)、控制下位、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。該平臺與配電室PLC建立通訊。PLC現(xiàn)場采集現(xiàn)有密度計、液位計、磁性物含量儀、旋流器入料壓力等傳感器數(shù)據(jù)?,F(xiàn)場改造分流執(zhí)行機構(gòu),安裝在脫介篩下合格介質(zhì)管道處。

        重介分選過程智能控制平臺Web發(fā)布的遠程控制界面見圖4.

        圖4 重介智能控制平臺Web遠程控制界面圖

        圖4所示W(wǎng)eb發(fā)布界面,可利用計算機Web應用打開實現(xiàn)遠程授權(quán)登錄,隨時隨地對重介分選過程進行監(jiān)測、控制,提高重介分選分選過程運行高效性。

        回坡底選煤廠重介分選過程智能控制系統(tǒng)通過一段時期的運行,可實現(xiàn)自動分流與自動補水無擾切換,實現(xiàn)了密度高精度控制、桶位穩(wěn)定控制、煤泥含量穩(wěn)定控制。在精煤灰分合格的前提下,精煤產(chǎn)率提高0.2%以上,介耗降低0.2 kg/t原煤以上。

        5 結(jié) 論

        通過研究重介分選過程智能化控制,分析了重介過程各參量耦合特性,設計了自動補水與分流控制方法,并建立了感知層、控制層、應用層的重介選煤全過程智能控制架構(gòu)與平臺,實現(xiàn)了選煤全過程的智能監(jiān)測、智能控制、智能優(yōu)化、智能遠程運維等。該研究成果將進一步提升現(xiàn)有重介分選過程智能化水平,穩(wěn)定重介懸浮液密度和懸浮液內(nèi)的煤泥含量,提高分選效果、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高精煤回收率,降低介質(zhì)消耗的效果,同時降低工作人員的勞動強度。

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