王建文

(淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，安徽 淮北 235000)

在工業(yè)4.0革命前提下，選煤廠利用自動(dòng)化、智能化控制優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的趨勢。本方案以現(xiàn)代智能技術(shù)手段為支撐，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程智能控制為目的，充分利用大數(shù)據(jù)、云平臺，使現(xiàn)場人員與設(shè)備友好交互互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、增加經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。

一、浮選加藥控制存在問題分析及解決效果展望

(一)浮選生產(chǎn)工藝過程控制存在問題

1．選煤廠2#、3#生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)共有10臺浮選機(jī)。原電氣自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)為浮選加藥人工手動(dòng)加藥。崗位一個(gè)班次至少需要兩人在現(xiàn)場進(jìn)行操作，平均每班職工工作活動(dòng)距離在20KM左右，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

2．系統(tǒng)在啟車，更換煤種或浮選生產(chǎn)工藝有變化時(shí)。大約需要20分鐘的時(shí)間才能夠達(dá)到生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)穩(wěn)定，生產(chǎn)過程滯后時(shí)間較長，影響洗選質(zhì)量效果。同時(shí)手動(dòng)控制加藥量精確上難控制，或多或少易造成藥劑浪費(fèi)，以致直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量。

3．浮選藥劑使用的捕收劑、起泡劑是柴油和醇，都是化學(xué)藥劑。藥劑具有揮發(fā)性，長時(shí)間的使用給崗位作業(yè)人員的身體健康造成傷害。

(二)問題解決效果展望

針對以上存在問題，在后臺操作室遠(yuǎn)程控制電腦位機(jī)上，浮選工藝精確控制加藥量，提高加藥的精準(zhǔn)度和及時(shí)性，減少藥劑浪費(fèi)，人員由現(xiàn)場手動(dòng)控制操作到后臺控制室電腦遠(yuǎn)程控制。在自動(dòng)控制出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式切換，切換到人工控制方式在應(yīng)急狀態(tài)下可以保證操作安全。達(dá)到改善職工工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)減員提效目標(biāo)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝過程控制的目的。

自動(dòng)控制通過PLC控制系統(tǒng)，控制浮選加藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，定量輸出浮選藥劑，提高浮選加藥自動(dòng)化水平，改善職工職業(yè)健康環(huán)境，降低職工勞動(dòng)量，提高生產(chǎn)效率。

在現(xiàn)有1#系統(tǒng)浮選自動(dòng)化控制系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，優(yōu)化整個(gè)浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)。優(yōu)化改造浮選系統(tǒng)藥劑管路；使用分配器將藥劑分配至各礦漿準(zhǔn)備器，盡可能減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少維護(hù)工作量。

二、浮選加藥自動(dòng)化系統(tǒng)具體優(yōu)化方案

通過手持終端或上位機(jī)發(fā)送指令，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)運(yùn)算輸出信號，控制液壓隔膜計(jì)量泵的流量，從而控制浮選藥劑添加量；使用分配器，減少計(jì)量泵的使用數(shù)量；在加藥管道上增加壓力表、脈沖阻尼器等優(yōu)化管路，增加液體流量計(jì)，形成流量調(diào)節(jié)閉環(huán)控制。浮選加藥自動(dòng)控制過程模型。通過檢測入料的濃度、流量相關(guān)數(shù)據(jù)，后臺數(shù)學(xué)模型計(jì)算出入浮干煤泥量。同時(shí)由入浮干煤泥量，入浮濃度，入浮流量關(guān)系建立形成數(shù)學(xué)模型。通過后臺PLC控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，實(shí)時(shí)的跟蹤入浮流量和入浮濃度的變化數(shù)據(jù)，形成浮選藥劑PID控制調(diào)整添自動(dòng)控制的生產(chǎn)過程。通過上位機(jī)組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝流程信息上位機(jī)電腦顯示數(shù)據(jù)，PLC對過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理運(yùn)算。建立友好的上位機(jī)人機(jī)交互界面。實(shí)現(xiàn)浮選加藥自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程終監(jiān)控。從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化浮選自動(dòng)加藥自動(dòng)的目的。

具體自動(dòng)化改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1加藥示意圖。

圖1 浮選2#、3#系統(tǒng)加藥自動(dòng)化改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(一)控制原理

添加浮選藥劑自動(dòng)控制過程是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)過程。也就是藥劑添加量與入浮干煤泥量，噸煤油耗等參數(shù)，給定藥劑添加量與各參數(shù)的關(guān)系為:

G=KQρ；

公式:G為給定藥劑添加量; K為加藥強(qiáng)度；

Q為原礦流量; ρ為原礦濃度。

在煤質(zhì)穩(wěn)定的情況下，加藥強(qiáng)度K不變。自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)過程中，可以認(rèn)為煤質(zhì)沒有變化。在濃度不變的前提下，原煤流量增加，加藥量肯定增加。如果干煤泥量不變，只是濃度有增加或減少。按照小浮選試驗(yàn)濃度在120 g /L以下時(shí)的結(jié)果，加藥量隨著濃度的增加呈減少趨勢。藥劑添加量只跟蹤干煤泥量，將造成藥劑添加量不準(zhǔn)確。引入函數(shù)(A-Bρ)模型。式中藥劑添加量既跟蹤入浮的干煤泥量g，也跟蹤入浮的原礦濃度ρ。

給定藥劑添加量與各參數(shù)的關(guān)系為:

G1=Kg·(A-Bρ) ，

公式:G1為給定藥劑添加量;K為加藥強(qiáng)度;g為干煤煤量;A、B為加藥量隨濃度變化的系數(shù);ρ為原礦濃度。

通過公式得到藥劑添加給定值，給定值和測量值經(jīng)比例積分PID運(yùn)算。如果結(jié)果加藥量大于給定值，PID輸出出現(xiàn)負(fù)偏差，運(yùn)算輸出信號將減少，從而減小浮選油加藥量，直到加藥量與給定加藥量趨近相等，過程控制PID自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定; 如果結(jié)果加藥量小于給定值，PID輸入出現(xiàn)正偏差，運(yùn)算輸出信號增加，將增大加藥量，直到穩(wěn)定偏差消失，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

具體硬件改造將在1#系統(tǒng)浮選自動(dòng)化改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，擴(kuò)建PLC控制系統(tǒng)，滿足2#、3#浮選加藥優(yōu)化改造的需求。增加16點(diǎn)模擬量輸入模塊(型號1769-IF16C)，給流量計(jì)模擬量信號使用。

浮選加藥自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)接入廠控制環(huán)網(wǎng)，使得浮選加藥與廠整個(gè)集控系統(tǒng)、油庫無人值守、信息化服務(wù)器等互相通訊，共享數(shù)據(jù)。

(二)藥劑分配

現(xiàn)浮選系統(tǒng)加藥點(diǎn)均設(shè)置在礦漿準(zhǔn)備器，每臺浮選機(jī)對應(yīng)一臺礦漿準(zhǔn)備器，每臺礦漿準(zhǔn)備器又需要添加兩種藥劑，加上二次浮選機(jī)單系統(tǒng)至少需要9臺計(jì)量泵進(jìn)行加藥，泵的使用量大，系統(tǒng)可靠性降低。

采用藥劑分配器，藥劑由泵打入分配器，由分配器分配到4臺礦漿準(zhǔn)備器加藥漏斗(如圖2所示)，加藥點(diǎn)未改變，但僅需兩臺計(jì)量泵即可完成一次浮選機(jī)藥劑添加，加上二次浮選一臺，僅需三臺計(jì)量泵(如圖1)，減少了計(jì)量泵使用數(shù)量，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(三)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.選型：根據(jù)選煤車間近期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析， 2#、3#浮選系統(tǒng)一次浮選單臺浮選機(jī)捕收劑最大添加量600 mL/30 s，即72 L/h，起泡劑最大添加量100 mL/30 s，即12 L/h。因此，一次浮選單系統(tǒng)4臺浮選機(jī)捕收劑、起泡劑最大添加量分別為288 L/h、48 L/h。

基于以上計(jì)算，捕收劑、起泡劑添加執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用米頓羅mRoyb系列液壓隔膜計(jì)量泵，型號分別為MRB11R10XCPPNBNN、MRA11F15XCPPNBNN，最大流量分別為330.6 L/h、61.2 L/h，滿足2#、3#系統(tǒng)浮選工藝要求。液壓隔膜計(jì)量泵的工作原理，主要為泵塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓油被擠壓進(jìn)入隔膜腔，當(dāng)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)液壓油，液體通過出口排出。在吸入時(shí)，泵將油帶出從而移動(dòng)，將液體通過入口止回閥吸入，完成液體的輸送。

2.安裝：計(jì)量泵安裝在浮選層、浮選夾層或油罐房等處，安裝方式如圖2所示，泵入料為灌入式，泵的入口壓力應(yīng)盡量降至最低。

3.管路：計(jì)量泵的進(jìn)、出料管路管徑應(yīng)為進(jìn)、出口口徑的1.5～2倍，進(jìn)口管路應(yīng)安裝不小于20目的除雜器，過濾物料中雜質(zhì)同時(shí)降低入口壓力。

圖2 計(jì)量泵典型管路

計(jì)量泵出口管路上增加壓力表，檢測出口管路壓力，通過調(diào)節(jié)背壓閥使出口管路背壓維持在4.8bar以上，使計(jì)量泵處于更好工作環(huán)境；出口管路安裝管道脈動(dòng)阻尼器，使計(jì)量泵出料更加連續(xù)，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高加藥精度，如圖2。

(四)流量調(diào)節(jié)閉環(huán)控制

計(jì)量泵出口管路上安裝精度高的微小液體流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)量泵輸出流量，反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算比較后，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)計(jì)量泵流量。具體為后臺控制系統(tǒng)根據(jù)微小液體流量計(jì)輸出變化的泵的流量信息，模擬量至后臺控制系統(tǒng)，后臺通過比較工藝系統(tǒng)設(shè)定要求藥劑期望值之間的偏差，在后臺自動(dòng)控制系統(tǒng)中進(jìn)行比較計(jì)算分析，得出一個(gè)比較值再反饋到計(jì)量泵輸出，組成一個(gè)閉合的回路。最終實(shí)現(xiàn)藥劑期望值，達(dá)到浮選加藥閉環(huán)自動(dòng)控制的效果。

在3臺計(jì)量泵的入料管路上分別增加1個(gè)緩沖罐，實(shí)時(shí)監(jiān)測罐內(nèi)液位。結(jié)合罐的容積與罐內(nèi)藥劑打完所用的時(shí)間，通過PLC程序推算出該時(shí)間段計(jì)量泵的平均流量，與設(shè)定流量比較，若出現(xiàn)偏差較大，進(jìn)行報(bào)警提示。

(五)接入控制環(huán)網(wǎng)

浮選加藥自動(dòng)化系統(tǒng)PLC由光纖接到配電室環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，使浮選加藥系統(tǒng)整合至廠集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合、數(shù)據(jù)共享。通過控制環(huán)網(wǎng)將浮選系統(tǒng)的控制參數(shù)傳輸至廠信息化服務(wù)器，在服務(wù)器中對諸如浮選油耗、浮精灰分等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將油耗班累計(jì)、日累計(jì)、月累計(jì)等數(shù)據(jù)在信息化平臺顯示，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與信息化充分融合；尋找油耗、入料濃度等參數(shù)與浮精灰分之間的關(guān)系，為浮選智能化打下基礎(chǔ)。

三、優(yōu)化改造后的效果

(一)此項(xiàng)優(yōu)化改造滿足了生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)事故臺時(shí)的發(fā)生，確保了浮選生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)降低了崗位司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善職工職業(yè)健康環(huán)境，具有很好的社會效益。

(二)提高了設(shè)備自動(dòng)化水平，浮選設(shè)備所有生產(chǎn)控制操作均通過集控室后臺即可完成。減少啟停車及換煤過程中藥劑損失約8%，改造的系統(tǒng)年入洗原煤按700萬噸，噸原煤藥耗按0.22KG計(jì)算，則年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益為：

700萬噸×0.22×8%/1000=112t 。

起泡劑和捕收劑均價(jià)以5500元/t計(jì)算，則經(jīng)濟(jì)效益：112×5500=61.6萬元。

(三)該項(xiàng)優(yōu)化改造總投資101.9萬元，年創(chuàng)造61.6萬元的效益，兩年內(nèi)可以收回投資，投資回報(bào)率比較高。