李連生，朱金波，劉亮亮

(安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232001)

選煤廠常用的浮選設(shè)備分為機械攪拌式浮選機和噴射式浮選機，結(jié)合兩種浮選機的特點，研制了射流-攪拌耦合式浮選機，現(xiàn)已投入試驗。耦合式浮選機控制系統(tǒng)的設(shè)計不同于傳統(tǒng)浮選機，設(shè)計較為復(fù)雜，既要解決多變量狀態(tài)下的液位檢測、藥劑添加、動能補償?shù)燃夹g(shù)問題，又要解決浮選輔助設(shè)備集成控制、傳感器精準度及抗干擾能力以及PID算法等優(yōu)化升級問題[1].

本文在介紹射流-攪拌耦合式浮選機工作原理的基礎(chǔ)上，對選煤廠浮選系統(tǒng)的構(gòu)造組成進行闡述，并對該浮選機的浮選系統(tǒng)進行自動優(yōu)化設(shè)計，以解決選煤廠浮選機智能化不足的問題，實現(xiàn)系統(tǒng)對各個參數(shù)協(xié)同調(diào)控的智能化浮選。

1 浮選系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 浮選設(shè)備

噴射-攪拌耦合式浮選機結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，圖中黑色虛線箭頭代表浮選槽內(nèi)部礦漿流向,黑色實線箭頭代表外部管道礦漿流向[2]. 噴射-攪拌耦合式浮選機包括傳感器、循環(huán)泵、加藥裝置等輔助設(shè)備，在S7-200 PLC控制中心的作用下，采集液位、濃度、壓力等狀態(tài)變量，間接控制變頻器與開關(guān)機構(gòu)，實現(xiàn)浮選機入料泵啟停、加藥裝置動作、閘門開關(guān)以及調(diào)節(jié)電動機頻率、噴嘴沖擊壓力和攪拌動能一系列執(zhí)行操作，這些執(zhí)行機構(gòu)最終服務(wù)于浮選工作，實現(xiàn)對煤泥浮選系統(tǒng)整體運行的協(xié)同控制。

1—轉(zhuǎn)數(shù)傳感器 2—補償電機 3—吸氣量傳感器4—加水電磁閥 5—浮力式液位計 6—循環(huán)泵7—卸料電磁閥 8—礦漿濃度計 9—管道壓力表10—電磁流量計 11—密度傳感器圖1 噴射-攪拌耦合式浮選機結(jié)構(gòu)示意圖

噴射-攪拌耦合式浮選機工作過程：在入料口入料，由礦漿流量計和礦漿濃度計采集數(shù)據(jù)；達到設(shè)定液位值后，停止入料，經(jīng)PID運算控制加藥裝置動作，同時循環(huán)泵抽取礦漿沖擊驅(qū)動輪，帶動底部攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)氣泡礦化；精礦上浮至液面形成穩(wěn)定的泡沫層，通過前后電機驅(qū)動刮板刮出,尾礦下沉至槽底，浮選模式結(jié)束后經(jīng)電磁閥門排出。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)造

在整個選煤廠工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，智能化浮選系統(tǒng)是控制體系的重要分支，其設(shè)計原則：1) 滿足選煤廠集控平臺對浮選系統(tǒng)的集中應(yīng)用管理。2) 滿足浮選系統(tǒng)能單獨運行。3) 滿足與選煤廠其它控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)煤泥浮選智能過程控制[3]. 選煤廠煤泥浮選系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 煤泥浮選系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，煤泥浮選系統(tǒng)主要包含管理層、控制層和物理層3部分。管理層作為選煤廠系統(tǒng)控制的首層，由集控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，構(gòu)成了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“大腦”。控制層作為第2層，由配電系統(tǒng)、浮選控制中心和指示系統(tǒng)3部分組成，其配電系統(tǒng)主要由高低壓電源組成，浮選控制中心主要包含S7-200系列PLC模塊和人機設(shè)備，指示系統(tǒng)主要由儀表及指示燈組成，由此構(gòu)成了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“心臟”。物理層作為第3層，主要是由傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成，構(gòu)成了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“手腳”。這3層整體上構(gòu)成了選煤廠煤泥浮選系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，又滿足了智能化浮選系統(tǒng)的設(shè)計原則。

2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 浮選系統(tǒng)過程控制

浮選系統(tǒng)過程控制見圖3. 從圖3可以看出，初始設(shè)定主要包含液位設(shè)定、加藥設(shè)定、速度設(shè)定、卸料設(shè)定4個部分，決定了浮選機浮選系統(tǒng)運行參數(shù)配置；浮選過程控制主要包含入料系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、動能系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)4個小系統(tǒng)，其運行模式主要是由傳感器采集數(shù)據(jù)，在PLC控制中心進行浮選系統(tǒng)狀態(tài)分析，由PLC閉環(huán)控制驅(qū)動變頻器和接觸開關(guān)，從而實現(xiàn)操作和監(jiān)控功能。

圖3 浮選系統(tǒng)過程控制圖

2.1.1 入料系統(tǒng)

液位值是浮選過程控制的重要參數(shù)，其設(shè)定決定了浮選過程中液位的高低和入料泵的啟停。其中，在圖1浮選機結(jié)構(gòu)圖中，左上角是入料泵控制的初始入料管，右上角是電磁閥控制的中間加水管，兩種類型的管起到浮選過程中提升浮選液位和便于浮選刮泡的作用；對于浮選過程中，液位突增加，浮選機左右兩邊搭配的電動調(diào)節(jié)閘的閘板會自動降低液位。液位的檢測一般采用液位傳感器，而浮選過程中產(chǎn)生大量干擾氣泡，礦物顆粒的黏附等問題，都會影響測量裝置的準確性。因此，該設(shè)計的入料系統(tǒng)采用的是浮力式液位計，由浮球和拉線位移傳感器組成，其優(yōu)點是：1) 能夠抵消泡沫層的干擾，檢測到泡沫層下方的真實液位。2) 成本低，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強。3) 輸出模擬信號，便于信號采集[4].

2.1.2 檢測系統(tǒng)

加藥量是浮選過程控制的重要參數(shù)，其設(shè)定會影響浮選效率和質(zhì)量。該設(shè)計的檢測系統(tǒng)主要由電磁流量計和礦漿濃度計組成，電磁流量計安裝于循環(huán)通道和入料通道，礦漿濃度計則安裝在浮選機的入料通道內(nèi)，通過對流進浮選機的總礦漿流量和濃度的檢測，系統(tǒng)會自動計算出流進的總干煤泥量，經(jīng)運行模式下的判斷與計算，驅(qū)動加藥裝置的計量泵添加藥量，浮選自動加藥裝置算法原理見圖4. 采用特殊加藥裝置，除了可以避免藥物變質(zhì)和計量泵加藥不準，還具有防止管道出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象的功能。

圖4 浮選自動加藥裝置算法原理圖

2.1.3 動能系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速是浮選過程控制的重要參數(shù)，其設(shè)定取決于最佳浮選方案的選擇。該設(shè)計的浮選系統(tǒng)通過上機位可添加和保存方案數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真正的智能性。其中，噴射-攪拌耦合式浮選機相比其它類型浮選機，需要配置動能補償功能，其目的是為了預(yù)防因葉輪轉(zhuǎn)速過低，導(dǎo)致吸氣量不足和能量浪費達不到正常浮選條件。具體執(zhí)行流程，通過轉(zhuǎn)數(shù)傳感器、吸氣量傳感器和壓力傳感器，利用PID運算檢測數(shù)值與設(shè)定值，從而反饋控制變頻器驅(qū)動電動機或循環(huán)泵補償動能，動能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5，經(jīng)PID運算下的動能系統(tǒng)主要由啟停裝置和變頻裝置組成，分別控制著刮板電機1、2，循環(huán)泵，入料泵，補償電機，清水泵，隔膜計量泵。

圖5 動能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.4 卸料系統(tǒng)

為了更好地提高浮選機的智能性，整個浮選系統(tǒng)采用啟?！肓稀铀帯∵x—卸料模式，彼此間相互聯(lián)系又相互獨立，可實現(xiàn)無人操作下的正常運行。對于卸料模式，電磁閘口開關(guān)會自動啟動，以底部壓力傳感器和浮力式液位計作為檢測信號，檢測物料是否卸完，搭配加水泵，可實現(xiàn)90%以上的清洗，清洗完畢后關(guān)閉閘門，滿足重復(fù)工作浮選要求，排除其它剩余物料的影響。

2.2 硬件設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備具體情況和PLC系列產(chǎn)品特征，煤泥智能浮選系統(tǒng)的硬件設(shè)計選用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型PLC參數(shù)表

硬件S7-200 SMART PLC選擇標準型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CU310 DP控制單元，可實現(xiàn)對電機的變頻控制。

2.3 通訊設(shè)置

通訊方式的選定需要滿足上位機、PLC、現(xiàn)場設(shè)備等進行通訊，因此，選擇PLC作為通訊核心，與現(xiàn)場其它系統(tǒng)西門子PLC之間以MPI通信；與觸摸屏通過RS485通訊；與變頻器通過PRFIBUS DP 模塊CP1542-5通訊。

2.4 人機界面設(shè)計

人機界面的設(shè)計是基于編程軟件STEP和組態(tài)軟件MCGS，配置工業(yè)控制計算機，實現(xiàn)對智能浮選系統(tǒng)的操作與監(jiān)控。上機位的主要作用：1) 浮選過程中監(jiān)控運行狀態(tài)，主要是接收信號和上傳顯示。2) 通過界面可修改浮選系統(tǒng)參數(shù)，也可切換運行模式。3) 通過傳感器采集數(shù)據(jù)，上機位可顯示變化曲線，方便監(jiān)控與結(jié)果分析。4) 具有故障報警和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，便于維修。人機主頁面圖見圖6.

圖6 人機主頁面圖

從圖6中可以看出，主頁面主要由浮選設(shè)定、運行設(shè)定、通信設(shè)定等窗口組成，構(gòu)成了選煤廠智能浮選系統(tǒng)過程控制的監(jiān)控平臺[5].

3 結(jié) 語

設(shè)計的煤泥浮選系統(tǒng)以西門子S7-200型PLC為控制核心，對入料系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、動能系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)進行工藝控制。在實際使用過程中，可根據(jù)煤泥浮選工藝要求和煤泥初始狀態(tài)，對浮選工藝中涉及的濃度、流量、壓力、速度等運行參數(shù)進行PID控制，可以提高浮選系統(tǒng)自動化水平和浮選精煤效率。

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