一种选煤厂跳汰机控制系统介绍

摘要: 目前，我国选煤厂的主要选煤设备是跳汰机，跳汰选煤的自动化程度决定了原煤洗选的效率和产品的质量。然而，跳汰选煤是极为复杂的工业过程，目前我国大部分选煤厂跳汰机自动化程度低、洗选效率差。文章从系统组成、硬件组成、软件组成、算法设计以及功能等几个方面介绍了一种灰分回控跳汰机控制系统。应用该系统，可以对给煤量、排料量、数控风阀、总风量和总水量等实现自动控制，大大提高了跳汰选煤的自动化程度。实践表明，该系统运转可靠, 能很好地满足选煤厂的洗煤工艺要求。系统的使用大大提高了选煤厂的洗选效率, 系统采用触摸屏操作, 界面美观, 简便易行, 选煤厂及跳汰司机反映良好。

关键词：选煤厂；跳汰机；自动控制；灰分回控；组成；算法；功能

中图分类号：P618.11文献标识码：A 文章编号：

0 引言

目前，我国选煤厂的主要选煤设备是跳汰机，其性能的好坏直接影响到生产效率的高低。跳汰选煤目标是实现原煤分层和产品分离，跳汰选煤是极为复杂的工业过程，其复杂性主要体现在：经上百年的研究，至今仍没有得到一致公认的跳汰理论。目前国内许多选煤厂现用跳汰机自动化程度不太高，其结构存在很多不足之处。国内多数跳汰机控制系统只是实现了自动排料、给煤控制等相对独立的控制。实现煤炭灰分闭环控制是跳汰机控制系统追求的理想目标 。

多数选煤厂配备的灰分在线检测控制系统的灰分数据反馈速度要比煤质的变化滞后很多, 灰分数据回控到洗选过程后很难取得好的效果, 我们把灰分在线检测控制系统用于配煤过程和ZZ A 跳汰机控制系统结合起来构成半闭环控制系统, 有效地控制了煤炭的灰分指标精度。下面对该系统进行介绍。

一、系统的组成

跳汰机控制系统的结构图如图1 所示。

图1 跳汰机控制系统结构图

本系统包含6 个控制回路, 分别实现对给煤量、总风量和总水量、煤炭灰分回控、排料量、数控风阀等的控制。

1) 给煤量控制。给煤的粒度分布与密度分布的变化最影响跳汰机处理量, 因此, 在原煤性质变化很大的情况下, 跳汰司机可以手动调整跳汰机给煤量以适应不同煤质的洗选。矸石段床层厚度是决定给煤量的另一个重要因素, 矸石层厚度超过某个经验值影响正常洗选时自动按比例调整给煤电机的转速, 以此保证系统的稳定运行。

2) 总水量和总风量控制。总水量实行手动控制, 一般在粗颗粒中, 密度高的颗粒越多, 则用水量也就越多。因此, 决定给水多少的自然条件是入料粒度和密度组成。但是多数选煤厂的检测设备还不能对原煤的粒度和可选性在线检测, 总水量和总风量的控制还必须由跳汰司机通过眼观手探, 即观察水面的波动和探测床层的松散度来手动控制。手动调节的几个原则是: ① 若原煤中煤粉较多, 加大喷水量, 防止打团； ②当原煤质量好, 含精煤多时, 加大水量, 同时加大给煤量, 相反风量、给煤量减小；③ 当发现洗选的矸石中有损失的细粒精煤时, 床层不够松散加大水量。

3) 煤炭灰分回控。用灰分仪测定洗选后煤炭的灰分值, 采样取平均值与灰分设定值得到灰分差值, 调节闸板的左右开度来控制中煤和精煤的掺杂比例, 尽可能高精度的得到用户所需要的煤炭灰分, 系统的煤炭产品灰分指标可达1% 。

4) 自动排料控制。自动排料控制的目的是通过控制排料量维持床层的稳定。用超声波传感器( 精度为0. 5% ) 检测煤层中浮标的高度作为床层厚度, 把检测信号送入PLC 中, 与设定床层厚度得到厚度差, 由模糊PID 算法得到输出送入变频器, 驱动电机带动排料轮进行排料, 最终达到通过床层厚度变化来调节排料轮转速排料并保持稳定床层的目的。

5) 数控风阀控制。作用是在跳汰室产生脉动水流, 使物料在跳汰室分层, 本系统通过设定风阀的周期频率参数完成风阀动作的控制。

二、硬件组成

系统的硬件结构包括CPU 及功能模块、灰分回控部分和自动排料和数控风阀控制部分，如图2 所示。

图2 系统硬件结构图

1) CPU 及功能模块 。PLC、电源及辅助电路、A/ D 模块、D/ A 模块、RS 485 通信模块、液晶显示触摸屏、系统操作面板( 包括启动/停止、紧急急停、电位器、报警、手动/自动等) 。

2) 灰分回控部分。灰分分析仪, 左右挡板限位传感器, 灰分混合驱动电机, 系统输出控制电路。

3) 自动排料和数控风阀控制部分。检测床层厚度的电压型超声波传感器( 精度0. 5 %) , 送原煤、排矸石、排中煤3 台变频器( 注意变频器的负载选择设为风机、水泵类变转矩负载) , 数控风阀驱动模块。

三、软件结构

系统的软件部分包括对触摸屏操作界面的设计和PLC 应用程序的设计。操作界面使用触摸屏的组态软件, 主要有:

1) 洗选原煤的自动运行画面。显示各个电机的状态、运行频率、跳汰频率以及各段气室电磁阀的状态, 并设有执行系统功能的5 个操作按钮。系统的自动运行画面如图3 所示。

图3 洗选原煤的自动运行画面

2) 灰分回控的自动运行画面。显示的主要参数有 : ① 灰分设定值( %) : 用户设定的参数值,在自动运行方式下, 该参数是灰分控制的目标值。② 灰分检测值( %) : 是系统通过RS 485 通讯电缆接收到“ 灰分检测仪”的当前灰分值。该数值每半分钟由“ 灰分检测仪”更新一次。③灰分平均值(%) : 是系统通过人工设定的“ 采样次数”值, 对接收到的“ 灰分检测值”求得的平均值。例如: “ 采样次数”设定为20, 则本系统通过对接收到的20 次“ 灰分检测值”累加以后, 除以20 所得到的即为该项“ 灰分平均值”。

此画面还设有挡板驱动电机的状态, 用来显示电机当前处在“ 停止”、“ 灰分增加”或者“ 灰分减少”运行状态。“ 灰分增加”、“ 灰分减小”触摸键用在手动方式下, 控制挡板驱动电机的运转。“ 灰分增加”、“ 灰分减小”触摸键具有自保功能, 一旦按下后, 要想使该动作无效, 必须再次触摸该按键。设置“ 报警”键, 系统在运行过程中“ 灰分平均值”大于“ 灰分极限” 设定值时, 系统开始进行声光报警。

3) 手动操作画面。设置了各段对应电磁阀的开关控制按键和电机的启动开关。

4) 床层曲线画面。实时显示矸石段、中煤段的床层变化曲线。

5) 参数设置画面。参数设置包括自动排料参数和灰分回控参数2 部分: ①设置画面的参数的设置分为矸石段和中煤段两部分, 均是针对各段的电磁阀动作时间的参数； ② 煤炭灰分回控参数包括采样次数、PID 参数、换向延时、灰分极限、允许偏差等参数。

6) 异常报警和紧急停止。当变频器运行异常时发出报警信号, 应及时检查变频器的报警记录并纠正报警原因, 并按屏幕中“ 异常复位”按键使变频器复位, 然后, 按屏幕中的“ 启动运行”使系统再次开始运行。“ 急停事件开关”是专门为系统运行过程中出现紧急事件快速关闭系统而设立的, 按下此键, 系统将立即停止各个部分的运行。

四、 算法设计

排料过程是典型的大滞后、非线性、多参数耦合的复杂系统, 极难建立精确的数学模型, 如果采用比例控制或常规PID 控制容易造成大排大放、跑煤等问题。本系统采用模糊PID 控制算法, 模糊PID 控制器的主要设计思路是: 先将输入偏差e 和偏差变化率ec 模糊化得到E 和EC , 再找出PID 的3 个参数K P , K I , K D 与偏差E 和偏差变化率EC 之间的模糊关系, 在运行中通过实时检测E 和E C, 根据模糊控制原理对3 个参数进行在线修改, 以满足在不同的E 和EC 对控制参数的不同要求, 使被控对象具有良好的动态和静态性能。其模糊控制流程图如图4 所示。

图4 模糊控制流程图

参数模糊自调整PID 控制器就是找出不同时刻PID 3 个参数与e 和ec 之间的模糊关系, 在运行中通过不断检测e 和ec, 根据模糊控制的原理进行在线修改, K P, K I , K D 的自整定原则如下:

1) 当偏差| e| 较大时, 为了加快系统的响应速度, 取较大的K P ； 为避免偏差e 的瞬时变大而出现的微分过饱和, 取较小的K D ； 为防止系统响应出现大的超调而积分饱和, 通常取K I= 0, 去掉积分作用。

2) 当偏差| e| 为中等大小时, 为使系统具有较小的超调, K P 应取得小些； K I 的取值要适中； K D的取值对系统的响应影响较大, 应取值适中。

3) 当偏差| e| 较小时, 为使系统具有良好的稳态性能, 应增大K P 和K I , 同时为避免系统在设定值附近出现振荡, 在| ec| 较大时, K D 取较小值,反之, K D 可取较大值。

4) 偏差变化量| ec| 的大小表明偏差变化的速率, | ec| 越大, K P 取值越小, K I 取值越大。

五、功能

1) 设置数控风阀参数 。风阀参数有3 个:① 进气电磁阀与排气电磁阀在一个跳汰周期内相位差百分比时间 ； ② 矸石段和中煤段充气、膨胀、排气、休止占跳汰周期的百分比； ③ 跳汰频率( 次/ 分)。用户设定好跳汰频率以后, 可直接设置各个百分比参数, 系统会自动计算出百分比参数对应的时间并用于控制各个电磁阀的动作。参数中的“ 膨胀(% ) ”是不可调的, 系统会根据用户设定的“ 充气”、“ 排气”、“ 休止” 的百分比自动计算其值。

2) 提供手动、半自动、自动3 种运行方式。①手动方式下, 用户可通过触摸屏上的“ 手动操作”画面中设置的按键, 任意控制各个电磁阀、电机的运行。② 半自动方式下置为“ 手动”位置的电机需要操作人员使用对应的“ 频率调节”旋钮调节其转速。在这种运行方式下, 用户可凭借经验操作本系统。这种工作方式特别适合用于系统调试运行或在一些特殊操作过程中。③ 自动运行方式下,系统根据用户设定的“ 矸石段床层高度”、“ 中煤段床层高度”参数, 自动调节给煤电机、排矸石电机和排中煤电机的转速, 保证床层的稳定。在运行过程中, 给煤电机的转速将以尽量快的转速运行,以提高洗煤的工作效率。当出现矸石床层过厚而排矸石操作来不及时, 系统将自动降低给煤电机的转速。

3) 灰分在线回控。提供手动和自动2 种运行方式:① 手动方式下, 用户可通过本系统操作面板上设置的按键来调节灰分调节系统, 实现精煤与中煤的混合。用户可凭借经验操作本系统。这种工作方式特别适合用于系统调试运行或在一些特殊操作过程中。② 自动方式下, 用户设定的“ 灰分比例”参数, 自动调节灰分调节系统, 实现精煤与中煤的自动混合, 并最大限度地保证成品煤的灰分指标。

六、结束语

ZZ A 跳汰机自动控制系统保证了洗选过程中床层的稳定和有效分层, 由于1, 2 段物料层厚度稳定, 对调节风、水的要求大为减弱( 设置好参数以后只有煤质变化很大的情况下需要手动调整) , 自动排料控制和灰分回控结合构成跳汰机半闭环控制, 既保证了煤炭的灰分指标，又将风、水、给煤、排料的复杂控制简化成“ 自动排料控制和灰分回控为主, 风水微调为辅”的简化控制模式, 大大提高了跳汰机的自动化程度, 并取得了很好的应用效果。

该跳汰机自动控制系统自投入使用以来, 系统运转非常可靠, 采用触摸屏操作, 界面美观, 简便易行。系统的使用使选煤厂的洗选效率、洗选质量经济效益大大提高, 同时还保证了系统安全, 具有一定的推广价值。

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作者简介：刘玮,汉族，毕业于内蒙古科技大学，1994年7月15日参加工作，现就职于神华准格尔能源有限责任公司选煤厂，任装车车间任主任。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。