周增宏

(神東煤炭集團(tuán)洗選中心補(bǔ)連塔選煤廠(chǎng),內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

在設(shè)計(jì)選煤廠(chǎng)制介及加介系統(tǒng)工藝方案時(shí)，需要用發(fā)展的眼光來(lái)看，看能否符合自動(dòng)化發(fā)展的前景[1-3]。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)大幅度地應(yīng)用于控制生產(chǎn)后，除了一些簡(jiǎn)單控制的廣泛應(yīng)用外，一些復(fù)雜的控制回路，先進(jìn)的控制算法也得到了廣泛使用。近年來(lái)，人們?cè)诳刂品矫娴恼J(rèn)識(shí)逐漸深入，企業(yè)及社會(huì)對(duì)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一般采用考慮冗余的方法進(jìn)行制介系統(tǒng)和加介系統(tǒng)設(shè)計(jì)，留有空間，方便以后能夠提高控制水平，在現(xiàn)如今的設(shè)計(jì)中要考慮到將來(lái)有可能需要進(jìn)行進(jìn)一步的修改升級(jí)，并為以后的工作留出后路，方便以后進(jìn)一步提高控制水平[4-6]。此外，另一種思路是首先設(shè)計(jì)出幾種控制方案，并且先運(yùn)行簡(jiǎn)單方案，再運(yùn)行下一步的方案。采用DCS等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，就可以通過(guò)軟件來(lái)改變其控制方案，修改控制方案變得簡(jiǎn)單。

一般重介質(zhì)選煤廠(chǎng)塊煤系統(tǒng)介耗約0.6 kg/t，混煤和末煤系統(tǒng)介質(zhì)消耗約1.6 kg/t。一座生產(chǎn)規(guī)模為1.2 Mt/a的重介質(zhì)選煤廠(chǎng)，介質(zhì)補(bǔ)加量約6 000 kg/d，并且要頻繁補(bǔ)加。如果采用人工補(bǔ)加，勞動(dòng)強(qiáng)度大[7-8]。為減輕人工負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)加介系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)控制工藝選擇

1.1 工藝流程

制介與加介系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用將利用雷達(dá)檢測(cè)介質(zhì)的盤(pán)料分布，并將實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)傳送給系統(tǒng)PLC，由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的程序功能選擇具體抓取動(dòng)作[9-11]。完成一系列配比補(bǔ)水，制介，自動(dòng)加介的過(guò)程，整個(gè)制、加介工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)包含一個(gè)備介桶，放置于加介房?jī)?nèi)，桶內(nèi)安裝上一個(gè)液位傳感器，一個(gè)補(bǔ)水閥及其配套的超聲波流量計(jì)；兩套加介泵及其配套電機(jī)，每個(gè)泵均分叉送入新舊兩個(gè)系統(tǒng)加介磁選機(jī)，分別用兩個(gè)加介閥控制(其中一套為備用，圖中未畫(huà)出)，磁選機(jī)放置于主廠(chǎng)房高層內(nèi)，其磁選精礦直接自流入合介桶，高效提密度。加介桶中凈化遺留的磁選尾礦也可作為下一次配介質(zhì)用水。

圖1 加介系統(tǒng)設(shè)備工藝流程示意

1.2 各系統(tǒng)功能

1.2.1 備介系統(tǒng)

當(dāng)液位計(jì)檢測(cè)到液位低于備介桶低限時(shí)，制介系統(tǒng)啟動(dòng)，給入抓介信號(hào)，介質(zhì)自動(dòng)定量抓取裝置通過(guò)雷達(dá)判斷介質(zhì)的盤(pán)料分布，自行抓取系統(tǒng)計(jì)算的定量介質(zhì)，后按照給定路線(xiàn)返回落入備介桶內(nèi)，同時(shí)備介桶外的加水動(dòng)作打開(kāi)，按照計(jì)算出來(lái)的配比補(bǔ)充定量的清水。另外，高壓風(fēng)閥會(huì)定時(shí)開(kāi)啟，以保證懸浮液的均勻穩(wěn)定。

1.2.2 加介系統(tǒng)

合介液位和密度均偏低時(shí)，加介信號(hào)給入，依次開(kāi)啟對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的磁選機(jī)、加介閥、加介泵。充分、及時(shí)、高效、合理地為其補(bǔ)充重介懸浮液，保證了生產(chǎn)穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行。

1.3 工藝優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)備介、加介系統(tǒng)流程回收率高，加介水循環(huán)利用率高，對(duì)主選系統(tǒng)影響小，且實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)高密度添加。加介桶上設(shè)置抓介裝置，桶內(nèi)接入高壓風(fēng)。介質(zhì)定量抓取裝置將介質(zhì)給入備介桶，清水沿桶內(nèi)壁一圈切線(xiàn)進(jìn)入備介桶，充分利用水流入加介桶的勢(shì)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖介代替人工沖介，連續(xù)補(bǔ)充介質(zhì)等功能，配置的介質(zhì)進(jìn)一步經(jīng)高壓風(fēng)的動(dòng)能混合均勻，流至桶下部，由泵送至加介用磁選機(jī)。這樣一來(lái)，可實(shí)現(xiàn)加介工作的自動(dòng)化，加介勞動(dòng)可減為零，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、快速、高密度加介，加介系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立性強(qiáng)；加介過(guò)程磁性物回收率高，削弱了加介磁選機(jī)對(duì)介質(zhì)消耗的影響，介質(zhì)中雜質(zhì)不進(jìn)入主選重介系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)明顯。

2 控制方案與策略

2.1 方案制定原則及策略要求

2.1.1 控制方案制定原則

在確定控制方案之前，必須要與工藝的相關(guān)人員進(jìn)行交流、溝通，共同合作，制定合適的控制方案。在確定控制方案時(shí)，首先要保證設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，在操作上可行便捷。其次要想所做的控制方案能夠有一個(gè)比較高的水平，這就需要對(duì)所涉及的工藝完全熟悉，充分理解這個(gè)工藝的原理，整個(gè)工藝的流程，即所涉及的工藝的環(huán)境因素、應(yīng)用場(chǎng)合，工作特點(diǎn)及其限制性。在完全了解并掌握其工藝的情況下，再運(yùn)用控制方面的知識(shí)，根據(jù)工藝情況來(lái)確定所需的控制點(diǎn)，制定整個(gè)工藝流程的控制方案。

2.1.2 控制策略的要求

設(shè)計(jì)控制策略時(shí)要根據(jù)工藝確定合適的檢測(cè)點(diǎn)以及被控變量，對(duì)檢測(cè)點(diǎn)選取恰當(dāng)?shù)奈恢茫惭b適用的儀表。根據(jù)被控變量來(lái)設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)，并確定相對(duì)應(yīng)的操縱變量。同時(shí)建立整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)，由報(bào)警系統(tǒng)、電機(jī)啟動(dòng)連鎖系統(tǒng)和急停設(shè)置等組成。

2.2 需要明確的關(guān)系

2.2.1 可靠性與先進(jìn)性的關(guān)系

在確定控制方案時(shí)，首先得仔細(xì)考慮其方案是否可行，其可靠性是最先考慮的因素，如果控制方案的可靠性不夠，那么這整個(gè)控制方案將不能夠被投入使用，這將會(huì)造成非常大的損失。在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，一般有這兩種情況：一是之前有相同或是相類(lèi)似的工藝過(guò)程得以參考，借鑒已有的設(shè)計(jì)能夠使可靠性大大提升。對(duì)于這種情況，所做設(shè)計(jì)的可靠性就很容易得到保證。而另一種情況是面對(duì)全新的生產(chǎn)工藝，沒(méi)有太多的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，這就需要設(shè)計(jì)人員充分熟悉并把握工藝過(guò)程，準(zhǔn)確把握變量及其中的一些干擾，確保所制定的方案可行。對(duì)于控制方案來(lái)說(shuō)，第1步保證其控制方案是實(shí)際可行的。但僅是保證方案的可靠是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要考慮控制方案的先進(jìn)性是否符合當(dāng)前的自動(dòng)化程度或是超過(guò)當(dāng)前自動(dòng)化程度。

2.2.2 控制方案與工藝、設(shè)備的關(guān)系

要使得設(shè)計(jì)的方案能夠?qū)嵤?，就必須充分考慮控制方案與工藝及設(shè)備之間的關(guān)系。這就要求做控制的人員多向工藝人員了解情況，熟悉并掌握工藝。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，一般是先確定工藝，再確定設(shè)備，最后再配以適應(yīng)的控制系統(tǒng)，完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化?？刂品桨傅闹贫ㄊ怯梢延械墓に噥?lái)決定的，且不能對(duì)原先的工藝產(chǎn)生影響。這就表示，控制方案的設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期處于被動(dòng)的地位，而從發(fā)展的角度來(lái)看，現(xiàn)代工程，工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備與控制設(shè)計(jì)這3方面應(yīng)該是一個(gè)整體。

2.2.3 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系

控制方案的設(shè)計(jì)也會(huì)涉及到經(jīng)濟(jì)方面。所以在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，除了考慮其控制技術(shù)可靠性、控制水平先進(jìn)性外，還必須得考慮設(shè)計(jì)的方案在經(jīng)濟(jì)上的合理性。所以，制定控制方案時(shí)，要充分綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)這兩方面的統(tǒng)一，尋求最優(yōu)方案。充分考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩者之間的關(guān)系后得到控制方案，當(dāng)控制水平得到提高時(shí)，可能會(huì)降低設(shè)備的投資，提升整個(gè)生產(chǎn)效益，節(jié)省能源等。但如果不切實(shí)考慮技術(shù)先進(jìn)性，一味盲目地追求高水平，不制定合適的控制方案，那么會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上不必要的損失。

2.3 抓介及加介控制策略

2.3.1 抓介過(guò)程控制

通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)介質(zhì)堆，通過(guò)雷達(dá)定位可抓取的位置，確定抓取位置后，將這一信號(hào)傳給PLC，開(kāi)始進(jìn)行抓取，抓斗在抓取時(shí)對(duì)所抓的介質(zhì)進(jìn)行稱(chēng)重。

2.3.2 制介時(shí)清水流量控制

在制介過(guò)程中，所配置的介質(zhì)樣品濃度是最為重要的參數(shù)之一，濃度直接決定著加介效果，直接影響著現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，間接影響產(chǎn)品質(zhì)量。制介時(shí)，首先通過(guò)抓斗抓取介質(zhì)，并放置到介質(zhì)桶中，按一定比例加入既定流量的清水，通過(guò)鼓風(fēng)混合均勻，完成介質(zhì)的配制。其中，對(duì)于所加入的清水流量的控制，本設(shè)計(jì)中采用了比值與反饋相結(jié)合的控制方式，通過(guò)與純介質(zhì)質(zhì)量相比計(jì)算得出所需的清水流量，將計(jì)算出的清水流量作為設(shè)定值，結(jié)合簡(jiǎn)單反饋控制，完成清水流量的控制，控制方塊圖如圖2所示。該清水流量控制過(guò)程中，被控變量是清水流量，被控對(duì)象是清水管道，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是清水管道中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，操作變量是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)開(kāi)度。清水流量的控制系統(tǒng)，包括比值控制環(huán)節(jié)和反饋控制環(huán)節(jié)。在比值控制環(huán)節(jié)中，需要對(duì)抓入的介質(zhì)進(jìn)行稱(chēng)重，重量傳感器安裝在抓斗上，在抓介過(guò)程中就對(duì)介質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合濃度要求，通過(guò)比值計(jì)算得出所需加入的清水流量，作為流量的設(shè)定值。在反饋控制環(huán)節(jié)中，通過(guò)在清水管道的調(diào)節(jié)閥后方安裝流量計(jì)，來(lái)檢測(cè)清水累計(jì)流量。將實(shí)時(shí)累計(jì)流量與開(kāi)始加入清水時(shí)的累計(jì)流量的差作為實(shí)時(shí)值，并與設(shè)置流量值作比較，將此偏差傳遞給流量控制器，對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作出調(diào)整，使偏差越來(lái)越小，當(dāng)偏差逼近零時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，完成對(duì)加入清水流量的控制。

圖2 清水流量比值-反饋控制系統(tǒng)

2.3.3 液位高低位控制

加介過(guò)程是重介系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了確保重介系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行安全可靠，需要保證加介環(huán)節(jié)能正常運(yùn)行，保證充足的介質(zhì)液在加介時(shí)可用就十分必要。為了滿(mǎn)足重介系統(tǒng)中的加介需求，在此設(shè)計(jì)了液位低位時(shí)的自動(dòng)配介控制。在介質(zhì)桶中安裝液位計(jì)，對(duì)介質(zhì)液位作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)置液位低位，當(dāng)實(shí)時(shí)液位到達(dá)低位時(shí)，就進(jìn)行自動(dòng)配介過(guò)程。自動(dòng)配介時(shí)，通過(guò)介質(zhì)桶內(nèi)部的空間，計(jì)算出清水和介質(zhì)的總體積，并根據(jù)既定比例換算出各自的質(zhì)量，以確定出當(dāng)前所需加入的介質(zhì)重量，此時(shí)，依次進(jìn)行介質(zhì)抓取、清水流量加入，完成制介過(guò)程。在此過(guò)程中，最為重要的是液位低位的設(shè)置和相應(yīng)液位介質(zhì)的加入量，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)決定。還需設(shè)置高位預(yù)警，以防介質(zhì)液溢出。在低位自動(dòng)制介時(shí)，需充分考慮介質(zhì)桶的容量，針對(duì)特殊情況，設(shè)計(jì)高低預(yù)警。當(dāng)介質(zhì)桶的液位達(dá)到高位時(shí)，就關(guān)閉電動(dòng)閥，停止清水的加入，以防介質(zhì)液溢出，同時(shí)報(bào)警，可人工查看當(dāng)前濃度是否達(dá)到要求，若未達(dá)到要求，可手動(dòng)補(bǔ)水或采取其他應(yīng)對(duì)措施。

2.3.4 模糊控制的加介過(guò)程

當(dāng)密度、液位過(guò)低時(shí)，往往單純通過(guò)分流箱與補(bǔ)水閥的操作已經(jīng)不能達(dá)到工藝指標(biāo)，此時(shí)，需要通過(guò)加介實(shí)現(xiàn)密度、液位的穩(wěn)定。

2.3.5 鼓風(fēng)與風(fēng)閥大小的控制

備介時(shí)，風(fēng)閥隨之打開(kāi)，使得介質(zhì)混合均勻，并保持開(kāi)啟一段時(shí)間以確保其均勻度。

2.3.6 監(jiān)控變量

根據(jù)P&ID 圖，確定工藝系統(tǒng)的監(jiān)控變量，找到所有的監(jiān)控點(diǎn)，并按照選型原則選取合適的檢測(cè)儀表，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定儀表的放置位置，然后根據(jù)所需的輸入與輸出變量個(gè)數(shù)選擇PLC 模塊的型號(hào)與個(gè)數(shù)。

模擬量輸入：模擬量輸入包括備介桶液位計(jì)、清水流量檢測(cè)儀、抓取機(jī)構(gòu)稱(chēng)重儀、新舊系統(tǒng)分流箱氣動(dòng)閥。

模擬量輸出：模擬量輸出包括加介管道上調(diào)節(jié)閥、清水加入量計(jì)算、新舊系統(tǒng)分流箱氣動(dòng)閥。

數(shù)字量輸入：數(shù)字量輸入包括清水電動(dòng)閥全開(kāi)、全關(guān)信號(hào)，風(fēng)閥開(kāi)關(guān)信號(hào)等。

數(shù)字量輸出：數(shù)字量輸出包括清水電動(dòng)閥、鼓風(fēng)機(jī)、加介泵等。

3 設(shè)備儀表選型

3.1 傳感器選型及說(shuō)明

3.1.1 液位檢測(cè)儀表

超聲波液位計(jì)是一種集超聲、電子、軟件于一體的液位測(cè)量產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油化工、礦業(yè)、環(huán)保監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、空間定位等領(lǐng)域。其工作原理為超聲波探頭發(fā)出超聲波束，超聲波束經(jīng)測(cè)量對(duì)象表面反射后，回到探頭處，測(cè)量出整個(gè)傳播時(shí)間，由此計(jì)算測(cè)量對(duì)象具體的物位。備介桶液位傳感器選取上海賀森機(jī)電設(shè)備有限公司的EA超聲波液位計(jì)，共1個(gè)。液位檢測(cè)儀表選型，見(jiàn)表1。

表1 液位檢測(cè)儀表選型

根據(jù)工藝得知，此處選取超聲波液位計(jì)最為合適。此介質(zhì)桶為頂部開(kāi)放式柱錐桶，可利用超聲波脈沖來(lái)測(cè)量液位的高低，因此要選擇超聲波液位計(jì)。此外，相較于放射性測(cè)位計(jì)，超聲波液位計(jì)不需要防護(hù)；相較于激光測(cè)位儀，超聲波液位計(jì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，適于選煤廠(chǎng)使用。介質(zhì)桶高度為2.0 m，根據(jù)液位計(jì)選取原則，選取量程為0～3 m的液位計(jì)，該量程下的超聲波液位計(jì)的超聲聲束角小、測(cè)距盲點(diǎn)距離短，適用于小型桶槽或設(shè)備。

3.1.2 流量檢測(cè)儀表

超聲波流量計(jì)廣泛應(yīng)用于化工、冶金、自來(lái)水公司、水利等幾乎所有與液體相關(guān)的在線(xiàn)測(cè)量及監(jiān)控領(lǐng)域。它可以實(shí)現(xiàn)液體流速、流量的測(cè)量和流體開(kāi)關(guān)及流體辨別等功能。其工作原理為超聲波束在液體中傳播時(shí)，管道內(nèi)液體流動(dòng)會(huì)使其傳播速度發(fā)生變化，這種變化與液體流速成正比。超聲波流量計(jì)便利用這一原理來(lái)測(cè)量流量大小。測(cè)量合介桶加水的流量傳感器選用北京格樂(lè)普高新技術(shù)有限公司的GLP-TDS-100YAG-100L型號(hào)的超聲波流量計(jì)，共1個(gè)。流量檢測(cè)儀表選型見(jiàn)表2。結(jié)合工藝及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求，檢測(cè)的目標(biāo)液體為水，最大加水量小于100 L/h，液體管道公稱(chēng)直徑為200 mm，所選擇的流量計(jì)的測(cè)量范圍合適，且其公稱(chēng)直徑與管道一致，可滿(mǎn)足正常安裝及使用，所以選擇GLP-TDS-100YAG-100L型號(hào)的超聲波流量計(jì)是滿(mǎn)足要求的。

表2 流量檢測(cè)儀表選型

3.2 泵及閥的選型

加介泵：加介泵選用抗腐蝕、耐磨蝕的ZD系列的渣漿泵，該類(lèi)型的渣漿泵在水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及耐磨材料上，都考慮到其耐腐蝕和磨損的特點(diǎn)。該型泵廣泛用于電力、冶金、煤炭、建材等行業(yè)，用于運(yùn)輸含有固體顆粒的流體。加介泵選用50ZD-D40型號(hào)的渣漿泵，共2臺(tái)。ZD型系列渣漿泵選型見(jiàn)表3。

表3 ZD型系列渣漿泵選型

補(bǔ)水閥：補(bǔ)水閥選用D941X型電動(dòng)法蘭閥，共1個(gè)，選型見(jiàn)表4。

表4 D941X電動(dòng)法蘭閥選型

加介閥：加介閥選用PZ943H電動(dòng)刀型閘閥，共4個(gè)，選型見(jiàn)表5。

表5 PZ943H電動(dòng)刀型閘閥選型

高壓風(fēng)閥：高壓風(fēng)閥選用AXO-CHQ-008電動(dòng)閥，共1個(gè)，選型見(jiàn)表6。

表6 CHQ-008電動(dòng)閥選型

3.3 控制裝置PLC選型

在本次設(shè)計(jì)中，選取PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比較高，所占空間比較小，并且能夠滿(mǎn)足本次設(shè)計(jì)要求。PLC的程序是較為簡(jiǎn)單的梯形圖，編輯起來(lái)相對(duì)容易，容易學(xué)習(xí)與理解，并且修改程序方便。在確定選用西門(mén)子S7-200系列后需要進(jìn)行模塊的選取，首先要確定輸入輸出模塊的相應(yīng)數(shù)量，這就要考慮到與實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)一。根據(jù)實(shí)際情況，看是否需要擴(kuò)展機(jī)架，并需要考慮冗余。由加介控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變量的分析可以看出，該系統(tǒng)共有14個(gè)模擬量，21個(gè)數(shù)字量。流程邏輯順序圖如圖3所示。

圖3 流程邏輯順序

4 結(jié)語(yǔ)

介耗是重介質(zhì)選煤廠(chǎng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理和成本核算等環(huán)節(jié)的重要技術(shù)指標(biāo)。重介質(zhì)分選是我國(guó)選煤生產(chǎn)中的主要分選方式，是今后選煤發(fā)展的主要方向。重介質(zhì)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化是保證分選效果的重要條件之一，是重介質(zhì)分選過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。從人工成本降低以及降低介耗等方面考慮，完成了從制介到加介環(huán)節(jié)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。目前該自動(dòng)添加系統(tǒng)還處于試用階段，還需要進(jìn)一步的研究完善工作，以期在未來(lái)能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用。