杜文杰

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦白龍洗煤廠，山西 霍州 031400）

1 前言

洗煤在煤炭工業(yè)中占據(jù)很重要的位置，其中跳汰洗煤則是其中最有代表性的一種工藝手法，在國(guó)內(nèi)洗煤行業(yè)占有50%的份額，跳汰機(jī)為其中最為關(guān)鍵性的設(shè)備之一。跳汰工藝好壞很大程度上取決于跳汰機(jī)的各個(gè)控制系統(tǒng)，床層松散度狀態(tài)監(jiān)測(cè)為其中的核心系統(tǒng)。目前白龍洗煤廠由于傳統(tǒng)跳汰機(jī)的松散度識(shí)別限制，導(dǎo)致無法很好地適應(yīng)松散度變化的煤層，造成原煤的大量浪費(fèi)，增加了企業(yè)的成本。為了更好地實(shí)現(xiàn)洗煤工藝的精進(jìn)，同時(shí)為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能號(hào)召以及適應(yīng)日益精進(jìn)的智能技術(shù)，以白龍洗煤廠為研究對(duì)象，從床層的松散度狀態(tài)監(jiān)測(cè)出發(fā)，結(jié)合模糊控制算法，設(shè)計(jì)一套松散度監(jiān)控風(fēng)閥智能模糊控制系統(tǒng)[1-4]，旨在提高原煤的分選煤質(zhì)量，節(jié)約資源，提高效益。

2 跳汰機(jī)松散度概述

2.1 理論概述

床層松散為煤料在洗選跳汰過程中床層在吸氣排氣以及水流沖擊綜合作用下的效果，床層松散度即為在整個(gè)跳汰床層中除去煤層以外其余部分所占的百分比[5]。其定義式如下所示：

式中：m為床層松散度，%；V為整個(gè)跳汰層體積，m3；V0為跳汰層中煤層體積，m3。

2.2 床層松散度的影響因素

松散度作為洗煤過程中的重要參數(shù)，其會(huì)直接對(duì)跳汰機(jī)的分層效果產(chǎn)生影響。為了實(shí)現(xiàn)床層的分層效果，其床層必須達(dá)到一定的松散程度，而性質(zhì)差異越大的粒子之間其松散程度越好，所以床層松散與跳汰分層密切相關(guān)。為了達(dá)到最佳的洗選狀態(tài)，其床層必須有最合適的松散狀況。煤料的分層過程一般是：將原煤混料投入跳汰機(jī)中，其中會(huì)存在部分密度較低的物質(zhì)被壓在下層，部分密度較大的物質(zhì)被擠在上層，經(jīng)過跳汰以后，物質(zhì)會(huì)在自身比重之下，上浮或下沉，而為了保證物質(zhì)上浮或下沉順暢進(jìn)行，則需要保證床層有合適的松散度來降低物質(zhì)在上下移動(dòng)過程中的碰撞。

在原煤的洗選跳汰過程中其風(fēng)壓、水壓以及跳汰的頻率以及周期、幅度等都會(huì)直接影響床層的松散度，是調(diào)節(jié)松散度的關(guān)鍵因素，很大程度上決定了洗煤工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。根據(jù)查閱資料可知，在洗選過程中通過分析調(diào)節(jié)水流的狀況進(jìn)而改變床層的松散度。

水流的脈動(dòng)是由上升與下降兩部分組成的，即向上水流從靜止加速至最大速度與下降至零位以及向下水流從靜止加速至最大速度與下降至零位。當(dāng)上升水流加速過程中床層被托起，盡可能將密度較大的物質(zhì)產(chǎn)生位移，使得床層下部達(dá)到一定的松散，而上升水流減速時(shí)，床層由于被托舉至完全脫離篩板后緩慢減速從而使得床層松散均勻充分；同理當(dāng)下降水流加速向下時(shí)，密度較低的煤粒開始下降，此階段中床層的松散度會(huì)達(dá)到最佳，故應(yīng)適當(dāng)增加此階段的時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)下降水流減速時(shí)，此階段會(huì)將體積大的煤塊與煤矸石壓實(shí)，降低松散度，因此需要縮短該階段的時(shí)長(zhǎng)。

在洗煤過程中，風(fēng)壓的設(shè)置與配合在很大程度上也會(huì)影響床層的松散度。針對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)合理的調(diào)配各風(fēng)閥進(jìn)氣、排氣的最佳比例，使床層達(dá)到合適的松散度。首先需要合理的安裝空氣閥組，在跳汰機(jī)的矸石區(qū)與中煤區(qū)空氣室總共安有3組空氣閥。由于矸石重量大、體積大，為了將其托起所需的壓力較大，因此此段中設(shè)置兩組氣閥，中煤區(qū)則只需要安裝一組氣閥即可。壓力較大的氣閥可以選擇與高低壓風(fēng)包相連，而所需壓力較小的氣閥則可選擇連接一個(gè)風(fēng)包即可。通過氣閥的開關(guān)交替實(shí)現(xiàn)氣流的吸入和排出，從而實(shí)現(xiàn)水流的脈動(dòng)。故在進(jìn)行床層的跳汰時(shí)需要根據(jù)不同煤質(zhì)對(duì)應(yīng)的不同松散度來調(diào)節(jié)氣閥的工作時(shí)間，才能提高洗選效率。

2.3 床層松散度的檢測(cè)方式

在圖1所示的跳汰室中，分布著矸石、中煤以及精煤等物質(zhì)，各物質(zhì)由于密度以及體積的不同，其松散度也是各異的。為了提高洗選效率，在執(zhí)行跳汰周期前，應(yīng)該對(duì)室內(nèi)物質(zhì)的松散度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。根據(jù)松散度的定義式可知，松散度可以通過測(cè)量床層各段高度來進(jìn)行表示，在跳汰機(jī)內(nèi)放入5個(gè)密度可調(diào)的浮標(biāo)，根據(jù)各段物質(zhì)的密度來調(diào)整浮標(biāo)的密度，再通過超聲波測(cè)量各層浮標(biāo)的高度來檢測(cè)床層各段的高度，從而得出各層的松散度。現(xiàn)以矸石層為例進(jìn)行計(jì)算（其余層類比）。矸石層浮標(biāo)放置示意圖如圖1，其中，A為矸石的位置，B為煤層的位置，C為水位。

圖1 矸石層浮標(biāo)位置側(cè)視與俯視圖

式中：s為跳汰室的橫截面積，m2；h1為矸石層原高度，m；dh1為松散后矸石層浮標(biāo)上升高度，m。

故其矸石層的松散度公式如下：

3 模糊控制基礎(chǔ)

在洗選煤過程中，影響洗選效果的變量數(shù)量多，每個(gè)變量之間都存在相互的關(guān)聯(lián)，且大多為非線性的關(guān)系，煤層與煤質(zhì)存在瞬變性，因此傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)控制模型無法滿足這種情形的使用。為了更好地適應(yīng)這種多變的外部影響，選擇使用模糊控制方法來進(jìn)行控制。

模糊控制其實(shí)就是當(dāng)變量關(guān)系呈現(xiàn)非線性時(shí)，將人的經(jīng)驗(yàn)作為控制的模型，以模糊邏輯推理以及語言變量的數(shù)學(xué)類工具，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能控制的方法。模糊控制系統(tǒng)與一般的控制系統(tǒng)的區(qū)別在于系統(tǒng)選擇模糊控制器且由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過A/D及D/A轉(zhuǎn)接口來實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的互聯(lián)與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)控制圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

4 松散度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以白龍洗煤廠為研究對(duì)象，結(jié)合煤質(zhì)的特點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先基于控制模糊理論建立松散度控制系統(tǒng)。松散度模糊控制系統(tǒng)是基于氣閥與床層松散度的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)氣閥各參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，將松散度控制在最適合的范圍內(nèi)。其系統(tǒng)主要由厚度檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、PLC、氣閥驅(qū)動(dòng)組成，具體聯(lián)系圖如圖3。在具體實(shí)施過程中，系統(tǒng)控制必須提前連接地線，在電源中增加濾波裝置，保證電流的質(zhì)量。

圖3 模糊控制系統(tǒng)的工作聯(lián)系圖

系統(tǒng)信號(hào)接入模塊中，將超聲波檢測(cè)連接厚度檢測(cè)傳感器與水位高度傳感器，將采集的信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至系統(tǒng)模糊控制器（載體PLC）中，經(jīng)過模糊算法，控制氣閥驅(qū)動(dòng)的輸出。氣閥驅(qū)動(dòng)是由半導(dǎo)體晶體管與繼電器等元器件組成，進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)氣閥動(dòng)作。氣閥為電磁控制，主要由氣路設(shè)備、數(shù)控裝置以及氣閥三部分組成。觸摸屏顯示選擇三菱公司的可視化編程觸摸屏，可以實(shí)時(shí)顯示氣閥的參數(shù)以及跳汰周期等的動(dòng)態(tài)運(yùn)行曲線，同時(shí)還可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。上位機(jī)與PLC之間是將RS-485通訊模塊作為中間橋梁來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換連接。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

跳汰機(jī)風(fēng)閥智能模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為3部分：PC與PLC互通模塊、氣閥的控制部分、模糊控制部分。PC與PLC的互通部分，采用傳統(tǒng)的串口通信模式，將PC的指令轉(zhuǎn)化為PLC各元器件執(zhí)行的數(shù)據(jù)與狀態(tài)，同時(shí)也可以將PLC的數(shù)據(jù)信號(hào)回傳PC端進(jìn)行分析以及監(jiān)測(cè)。如下簡(jiǎn)單介紹一種串行指令的助記符號(hào)RS，RS的使用方式見表1。

表1 RS的使用方式

為了最大程度地提高氣閥的控制精度，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)采用了定時(shí)的功能，定時(shí)中斷響應(yīng)。確定跳汰的頻率后，其跳汰的周期會(huì)確定下來，設(shè)定進(jìn)氣、排氣以及膨脹期后，休止期的時(shí)長(zhǎng)為周期與其余進(jìn)程做差，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)在相同的時(shí)間間隔中設(shè)定中斷次數(shù)，程序一旦經(jīng)過中斷處，氣閥動(dòng)作立即終止。

模糊控制設(shè)計(jì)采用一對(duì)二、一對(duì)多的控制器，將矸石層、煤層的實(shí)時(shí)松散度與具有良好分層效果的理論值做差以及差值的變化率作為輸入信號(hào)，通過模糊算法將其進(jìn)行模糊化，輸出各氣閥的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模糊化控制，進(jìn)而提高原煤的洗選質(zhì)量。

5 系統(tǒng)應(yīng)用分析

跳汰機(jī)內(nèi)床層的厚度影響著松散度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致分層破壞。通過監(jiān)測(cè)床層的松散度，經(jīng)過模糊控制系統(tǒng)進(jìn)而控制水壓以及風(fēng)閥，從而調(diào)節(jié)床層不同位置的松散度。其中煤矸石層前后段將松散度保持在0.2～0.4，煤層將松散度維持在0.25～0.45間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳的分層效果，提高跳汰機(jī)的工作效率。目前在洗煤廠小范圍使用下，同樣是10 t的原煤，采用傳統(tǒng)的跳汰分層出煤量?jī)H能達(dá)到目前模糊系統(tǒng)分層煤量的80%，增加了試用車間出煤量，同時(shí)節(jié)約了成本。

6 結(jié)語

跳汰洗煤作為洗煤工藝中最有代表性的一種手法，占有很大的份額，跳汰洗煤的工藝好壞很大程度決定了洗煤業(yè)的質(zhì)量。以白龍洗煤廠為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款松散度監(jiān)控與風(fēng)閥智能模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前處于小范圍適用性使用階段，預(yù)計(jì)全廠使用后將會(huì)實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約達(dá)到30%。該系統(tǒng)將跳汰洗煤質(zhì)量的床層松散度狀態(tài)作為研究重點(diǎn)，分別從床層的松散度狀態(tài)監(jiān)測(cè)出發(fā)結(jié)合模糊控制算法，設(shè)計(jì)一套松散度監(jiān)控風(fēng)閥智能模糊控制系統(tǒng)，在一定程度上可以提高分選煤質(zhì)量，節(jié)約不可再生的資源，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。