张 平

（西山煤电集团机电修造园区，山西 太原030053）

引言

原煤是由煤、矸石等多种矿物质组成的混合物，其中煤的密度为1 200～1 700 kg/m3，精煤的密度为1 400～1 500 kg/m3，中 煤 的 密 度 为1 400～1 800 kg/m3，矸石的密度为1 800～2 600 kg/m3。选煤厂重介质选煤过程即根据原煤中各矿物混合物密度的不同，利用密度原理并辅以机械方法和液流原理将精煤、中煤、矸石进行分离[1]。选煤厂重介质分选过程应用重介质悬浮液，将原煤放入由密度不同的固相和液相组成的重介质悬浮液中，密度大于该悬浮液的物料下沉，密度小于该悬浮液的物料上浮，进而将精煤、中煤以及矸石分离。为提高重介质分选效率以及控制精度，采用智能化控制方案，实现重介质选煤过程悬浮液密度的智能化控制，实现参数自整定和在线修改[2]。国内外相关专家就选煤厂重介质分选过程悬浮液密度控制方法展开一系列研究，如53SU1000型重介质选煤自动测控系统，采用PID控制算法，实现重介质悬浮液各参数的动态平衡；如国内研制的“IZK型重介质选煤自动控制系统”，通过控制精煤灰分，实现悬浮液PID参数自适应，实现精煤灰分在线控制，悬浮液密度控制精度达0.006 kg/L[3]；如利用PLC控制系统，实现重介质选煤悬浮液密度、黏度、液位等核心参数的自动回控和自整定，将重介质分选过程进行模块化、过程化模糊控制[4]。在汲取选煤厂重介质分选过程悬浮液密度已有控制方案和控制理论的基础上，契合重介质选煤工艺，优化组合，提出悬浮液密度智能控制方案，提高控制精度、稳定性以及实时性。

1 系统设计

选煤厂重介质分选过程悬浮液密度智能控制方案系统设计框图见图1所示，采用双闭环智能控制方案实现悬浮液密度智能控制，其中外环以精煤灰分反馈值与设定值之间的差值为输入变量，通过灰分仪测得的精煤灰分为反馈量，经控制器、PID模糊控制器处理后实时调节悬浮液密度；内环以悬浮液密度反馈值与设定值之间的差值为输入变量，通过密度仪测得的悬浮液密度为反馈量，经PID模糊控制器逻辑判断后调节悬浮液密度[5-7]；调节悬浮液密度的方法可通过智能控制补水阀、分流阀、加介泵实现；在重介质分选过程中，将混料桶液位、补水阀开度以及磁性物含量值实时数据反馈至PID模糊控制器输入，作为逻辑判断、调节悬浮液密度的依据。在该系统设计方案中，设置三个控制器，协同完成重介质分选过程悬浮液密度智能控制过程。

图1 重介质分选过程悬浮液密度智能控制方案系统设计框图

2 控制方案设计

2.1 硬件功能的实现

选煤厂重介质分选过程悬浮液密度智能控制方案硬件实现框图见下页图2所示，采用西门子S7 300系列PLC作为核心控制器，模糊PID控制算法基于该控制器实现[8]。S7-300 PLC控制器的被控对象为两个混合桶的密度、液位以及加水阀，一个稀介桶加水阀以及对应的补水阀和分流阀。该智能控制方案工作时，PLC控制器通过选煤厂已有的以太网TCP/IP通信连接将数据实时上传至工业控制机以及液晶显示屏，用于实时监控该方案的工作过程，发生故障时，进行故障声光报警。

图2 重介质分选过程悬浮液密度智能控制方案硬件功能实现流程图

选用CPU315-2PN/DP西门子PLC作为核心控制器，该控制器的数据处理速度、响应时延满足系统设计要求。该控制器的防护等级满足选煤厂较恶劣使用环境，防振动、防潮效果明显。根据悬浮液密度智能控制系统要求，扩展321、322、331以及332输入/输出以及TCP/IP模块。重介质分选过程悬浮液密度智能控制方案控制系统部分I/O端口分配见表1所示，其中模拟量输入信号统一为4～20 mA电流信号。

表1 S7-300 PLC控制系统I/O端口分配（部分）

2.2 软件功能的实现

基于S7 CPU315-2PN/DP西门子PLC控制器，采用模块化编程实现选煤厂重介质分选过程悬浮液密度智能控制方案，其中模糊查表核心软件流程的实现见图3所示。根据PID模糊控制器设计方案，将偏差的量化因子、偏差变化率的量化因子、比例因子以及两个偏移量参数写入PLC控制器的数据存储区域；开启定时器T1，定时间长为50 ms，当定时时间达到后，PLC控制器利用输入偏差（精煤灰分设定值与灰分仪反馈值）计算偏差的变化率ec，并将该结果保存至数据存储区域；将偏差、偏差变化率分别与偏差的量化因子、偏差变化率的量化因子相乘，获取模糊控制值E1以及E2；将E1、E2与对应的偏移量参数相加，得到的控制值在PLC数据存储区的实际位置并完成模糊查表操作，得到实际输出控制值；将输出控制值进行反模糊化，得到控制相应分流阀的实际控制值，通过控制补水阀、分流阀以及加介泵自适应调整悬浮液的密度。

图3 模糊查表PLC软件流程框图

3 应用分析

将设计并实现的悬浮液密度智能控制方案应用于选煤厂重介质分选过程，利用密度计测量并统计悬浮液密度数据。将重介质分选过程悬浮液密度理想值与经模糊PID控制后的悬浮液密度值进行对比，如下页图4所示，悬浮液密度值分布于1.376～1.392 kg/L之间。由图4可知，采用模糊PID智能控制方案后，通过控制分流阀、补水阀以及加介泵，可自适应调整悬浮液密度，使得实际值逼近理想值，提高精煤灰分，提升重介质分选生产效率。

4 结语

选煤厂智能化建设是选煤厂提质增效、由劳动密集型向技术密集型转变的必由支路。重介质分选过程作为选煤厂选煤工艺关键步骤之一，其智能化建设尤为必要。重介质分选过程中悬浮液密度的智能控制是提升精煤灰分、提高重介质分选效率的关键因素。利用模糊PID智能控制方案，使得悬浮液密度实际值无限逼近理想值，实现悬浮液密度的智能、自适应控制。该方案对于促进选煤厂智能化建设具有一定的借鉴意义。

图4 重介质分选过程悬浮液密度PID模糊控制值与理想值对比