林 星，劉海增，呂文豹，張青松

(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南 232001)

選煤生產(chǎn)中，煤泥水濃度是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)指標(biāo)，煤泥水濃度的精確檢測對于提高生產(chǎn)效率，降低藥劑消耗等有著重要的意義[1].如果濃縮機(jī)煤泥水下層濃度嚴(yán)重超標(biāo)，會導(dǎo)致濃縮機(jī)底部產(chǎn)生過度負(fù)載，使設(shè)備無法運(yùn)行甚至損壞。針對這種情況，濃縮過程中一般都添加絮凝劑幫助煤泥快速沉降，但是絮凝劑的用量，很大程度上取決于濃度的檢測。絮凝劑用量過多，會造成藥劑的浪費(fèi)。反之絮凝劑用量過少，會導(dǎo)致濃縮機(jī)上層溢流水中煤泥含量過高，使選煤效率下降，而且高濃度的溢流水進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)也可能導(dǎo)致其他設(shè)備出現(xiàn)故障[2-3].因此，通過對濃縮機(jī)內(nèi)煤泥水濃度的檢測，準(zhǔn)確控制絮凝劑的添加，是保證濃縮機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵[4].本文采用雙管壓差法測量密度間接測量煤泥水的濃度，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對濃縮機(jī)內(nèi)部不同深度的液體檢測。

1 雙管壓差濃度檢測裝置的設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1.雙管壓差法測量裝置是通過氣體壓縮機(jī)釋放氣體后，將雙管內(nèi)的懸浮液體排出，在底部形成穩(wěn)定的靜壓力，在濃縮機(jī)中，不同深度液體的濃度是不斷變化的，所產(chǎn)生的壓力也大不相同，因此可以通過測量雙管內(nèi)部的壓差，間接測算出濃縮機(jī)不同深度下的濃度。

1—導(dǎo)軌；2—電機(jī)；3—PLC；4—懸臂;5—節(jié)流閥；6—過濾裝置；7—空氣壓縮機(jī)；8—雙管;9—測量筒；10—壓差傳感器；11—直流電源;12—上位機(jī)

1.2 裝置檢測原理

測量裝置進(jìn)入被測懸浮液，長管與短管深度分別為h1和h2，氣源產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)過過濾調(diào)壓裝置，除去油水及其它雜質(zhì)。將凈化后的壓縮空氣分別通入測量管，同時調(diào)節(jié)節(jié)流閥使得測量管內(nèi)被測懸浮液排出，并且在兩個管子底部均能產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡。

根據(jù)流體力學(xué)的原理，節(jié)流閥前后壓降隨流速的增大而增大。由于節(jié)流孔的直徑比壓差測量管小得多，對流體阻力很大，所以流體通過節(jié)流閥和測量管時，其動壓力主要降落在節(jié)流孔上，而測量管中由于阻力很小，故其兩端產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)。

因此當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到動平衡時，兩管內(nèi)的靜壓力p1與p2應(yīng)該分別等于它們所排開的液柱，即：

p1=p0+ρgh1

(1)

p2=p0+ρgh2

(2)

p=p1-p2=ρgΔh

(3)

只要可以測出壓差p就可以算出被測液的密度ρ.

懸浮液中，在固體密度穩(wěn)定的情況下，其濃度c和密度ρ存在著對應(yīng)關(guān)系。而轉(zhuǎn)換條件是需要知道煤泥水中固體顆粒的密度ρ1，水的密度為ρ0，即：

(4)

由于水的密度為1 g/cm3，所以可將上式轉(zhuǎn)換為：

(5)

1.3 裝置功能分析

該煤泥水濃度檢測系統(tǒng)建成后能實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)實(shí)現(xiàn)自動測量，清楚了解濃縮機(jī)中煤泥水濃度的空間分布情況。

2)煤泥水濃度檢測裝置為后續(xù)加藥奠定了基礎(chǔ)，可以根據(jù)實(shí)時檢測濃度實(shí)現(xiàn)對藥劑的精準(zhǔn)添加。

3)濃縮機(jī)中煤泥水濃度分布測量的整個過程通過可編程控制器 PLC 和上位機(jī)共同實(shí)現(xiàn)自動控制，不僅可以提高選煤廠的自動化程度，還可以減少人力、節(jié)省時間。

2 雙管壓差濃度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)部件組成

系統(tǒng)部件組成見圖2，系統(tǒng)部件主要有上位機(jī)、電動機(jī)、電磁閥、測量裝置、氣源和壓差傳感器等組成。

圖2 系統(tǒng)部件組成圖

1)輸入部分使用PC上位機(jī)連接西門子S7-200 SMART PLC，通過配置相應(yīng)的模塊，將開關(guān)量信號和模擬量信號送到控制器中，經(jīng)過編寫程序下載到PLC完成相應(yīng)的操作。

2)測量部分由雙管、氣體壓縮機(jī)、調(diào)壓過濾器和節(jié)流閥構(gòu)成，將氣體壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣體經(jīng)過過濾、調(diào)壓后送入雙管，再通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制雙管內(nèi)的壓力，使得在底部勻速且緩慢地產(chǎn)生小氣泡，最后通過壓差傳感器測得此位置下雙管內(nèi)的壓差。

3)輸出部分包括上位機(jī)輸出測量深度以及壓差，由系統(tǒng)記錄，并計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

2.2 PLC軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備功能和使用情況，完成各設(shè)備之間的連線和通訊，然后使用PLC軟件，編輯輸入量、輸出量、模擬量、編寫程序并錄入和編譯后下載運(yùn)行。

PLC軟件程序設(shè)計(jì)順序功能見圖3.首先需檢查裝置啟動前的位置是否在指定位置，然后再啟動裝置，使電機(jī)正轉(zhuǎn)動，待測量裝置向下移動20 cm后停止轉(zhuǎn)動，待裝置穩(wěn)定后靜待10 s，記錄此時傳感器的數(shù)據(jù)。電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動并重復(fù)上述過程，直到裝置移動100 cm，測量結(jié)束，關(guān)閉氣源，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動使測量裝置復(fù)位，測量結(jié)束。整理數(shù)據(jù)并分析結(jié)果。

圖3 順序功能圖

2.3 人機(jī)界面及硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備具體情況和PLC系列產(chǎn)品特征，煤泥水濃度檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)選用S7-200 SMART型號的西門子PLC，該型號PLC控制器的主要參數(shù)見表1.

表1 S7-200 SMART CPU-SR20參數(shù)表

硬件S7-200 SMART PLC選擇標(biāo)準(zhǔn)型CPU-SR20，其集成了模擬和數(shù)字I/O端口、PROFINET通訊接口，附加模塊包含遠(yuǎn)程通訊模塊、A/D模塊、D/A模塊等。選用PM340模塊S120變頻器，搭配CU310DP控制單元，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的啟?？刂?。

人機(jī)界面控制設(shè)計(jì)見圖4.在PLC的編程調(diào)試過程中，同時進(jìn)行系統(tǒng)觸摸屏監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與編程工作。觸摸屏界面采用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)完成。該系統(tǒng)的主頁面主要控制電機(jī)的啟停，以及監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并且可以實(shí)現(xiàn)報警、監(jiān)控、調(diào)制、數(shù)據(jù)分析等，實(shí)現(xiàn)了集中控制[5]，能夠直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 人機(jī)界面控制設(shè)計(jì)圖

3 模擬現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析

為了研究該雙管壓差測量系統(tǒng)的實(shí)用性，取濃縮機(jī)內(nèi)0.4～2.4 m的深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每隔0.2 m測量一次，共計(jì)11個取樣測試點(diǎn)。先用壓差密度計(jì)測量，使用抽水裝置將相應(yīng)深度的液體抽出，并通過稱重和測量體積，計(jì)算出實(shí)際密度，最后與雙管壓差密度計(jì)測得的數(shù)據(jù)對比。

對上位機(jī)中得到的數(shù)據(jù)以及人工稱重測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5.

圖5 實(shí)驗(yàn)效果對比圖

從圖5可以看出，隨著待測液體液位深度的增加，各徑向采樣點(diǎn)處的密度隨之升高，在小于0.75 m深度時增速較慢，出現(xiàn)測量密度大于實(shí)際密度，是由上層液體由于待測液體中懸浮物自然沉降所帶來的誤差。當(dāng)深度大于0.85 m時增幅又變大，相同深度處，密度差距較小，說明濃縮池在局部范圍內(nèi)待測液體深度的濃度變化對密度變化影響小。同時可以看出在密度變化分度值很小的情況下，傳感器測試所得到的密度與同步采樣獲得的密度在不同深度所對應(yīng)的密度值比較接近。

4 結(jié) 論

基于壓差法設(shè)計(jì)的煤泥水濃度檢測系統(tǒng)，以PLC為核心，通過雙管壓差密度測算的方法間接得出不同位置深度下煤泥水的濃度，可以有效地實(shí)現(xiàn)濃縮機(jī)內(nèi)不同深度下煤泥水濃度的智能化檢測。實(shí)驗(yàn)對比系統(tǒng)檢測測量與人工實(shí)際測量，其最終結(jié)果表明了此方法設(shè)計(jì)的煤泥水濃度檢測系統(tǒng)的可行性與可靠性，也保證了濃縮機(jī)工作的高效穩(wěn)定運(yùn)行。