摘要: 針對(duì)浮選成本高、效率低，浮選精煤質(zhì)量難以保證的問題，呂家坨選煤廠的浮選自動(dòng)加藥及乳化控制系統(tǒng)采用以 S7 － 300 PLC 為控制器，用插入式電磁流量計(jì)和煤泥濃度計(jì)分別檢測(cè)進(jìn)入浮選系統(tǒng)的流量和濃度，PLC 計(jì)算藥劑的加入量，變頻控制計(jì)量泵，乳化器實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)藥劑實(shí)施乳化和加入。生產(chǎn)實(shí)踐表明，控制軟件采用人工智能技術(shù)并結(jié)合數(shù)字濾波，使測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)曲線，藥劑消耗量準(zhǔn)確可靠。
開灤能源化工股份有限公司呂家坨選煤廠(以下簡(jiǎn)稱呂家坨選煤廠) 設(shè)計(jì)能力為 3. 0 Mt /a，生產(chǎn)工藝為重介、浮選聯(lián)合工藝，該廠浮選工藝為原生煤泥和重介分流煤泥進(jìn)入 2 個(gè)煤泥混料桶，然后進(jìn)入 2 個(gè)礦漿預(yù)處理器，1 個(gè)礦漿預(yù)處理器供料2 個(gè)浮選機(jī)，4 個(gè)浮選機(jī)的精礦進(jìn)入再選預(yù)處理器，供再選浮選機(jī)。呂家坨選煤廠煤泥水量大，浮選系統(tǒng)設(shè)備多、工藝復(fù)雜，每班操作人員少，實(shí)現(xiàn)其全面自動(dòng)化控制是非常必要的。
浮選是洗選 ＜ 0. 5 mm 煤泥*有效的方法，利用浮選可以降低煤泥的灰分和硫分。在我國，煤泥浮選的處理量一般占全部入選量的 20% 左右。因 此，在煤炭潔凈生產(chǎn)中，強(qiáng)化、優(yōu)化浮選過程是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的浮選生產(chǎn)都是依靠浮選司機(jī)經(jīng)驗(yàn)操作，生產(chǎn)效率較低，一些主要工藝參數(shù)，如礦漿流量、礦漿濃度、藥劑添加、尾礦灰分等都沒有做到實(shí)時(shí)定量。人工操作相對(duì)于自動(dòng)加藥和乳化作業(yè)既不準(zhǔn)確也不及時(shí)，造成浮選成本高、效率低，浮選精煤質(zhì)量難以保證。對(duì)該過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以提高精煤產(chǎn)率、準(zhǔn)確控制精煤灰分、節(jié)省浮選藥劑、改善工作環(huán)境和降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
浮選自動(dòng)加藥及乳化控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定浮選精煤灰分，提高藥劑分散度及顆粒接觸面積起到了一定的作用，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也是選煤廠實(shí)現(xiàn)人工智能控制的有效單元。
1 硬件構(gòu)成
該系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)控制柜，配有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和礦漿濃度計(jì)、流量計(jì)、藥劑計(jì)量泵、藥劑乳化裝置等單元組成，根據(jù)選煤廠浮選工藝的設(shè)計(jì)，在操作面板和工控機(jī)均設(shè)有起泡劑和捕收劑的設(shè)定旋鈕電位器，旋鈕設(shè)定只針對(duì)噸干煤泥的藥比，且具有全部的手、自動(dòng)操作裝置。儀表柜內(nèi)裝有流量計(jì)和濃度計(jì)等二次檢測(cè)儀表，乳化器的操作及控制在裝置本身上。開關(guān)電源、隔離模塊、PLC 等安裝在操作臺(tái)內(nèi)部，為提高系統(tǒng)的可靠性，所有控制和信號(hào)線纜全部采用 ＲVVP － 銅芯聚氯乙烯絕緣屏蔽型護(hù)套軟電纜，該電纜外層有較密的銅網(wǎng)屏蔽，信號(hào)穩(wěn)定可靠。
1. 1 PLC 可編程序控制器
系統(tǒng)控制核心由西門子 S7 － 300 的 CPU 及模擬量、數(shù)字量輸入∕輸出模塊組成，輸入∕輸出通道均采取光電隔離等措施，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，可穩(wěn)定工作在較惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中。軟件采用 SIEMENS STEP7 6. 0 編程，用戶界面全部漢化，各功能采用菜單提示，界面友好，易于操作。控制程序主要完成的功能: 數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、控制模型運(yùn)算、PID 輸出、存貯、顯示生產(chǎn)主要工藝參數(shù)及運(yùn)行歷史曲線。呂家坨選煤廠采用 3 臺(tái)礦漿預(yù)處理器、6 臺(tái) 16 m3機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，分兩期施工，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用兩臺(tái) PLC 并行運(yùn)行方式，兩臺(tái)控制柜分別控制南北浮選系統(tǒng)和新系統(tǒng)，內(nèi)部含有 SIEMENS S7 － 300 系列 PLC，ABB 變頻器。計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與兩臺(tái) PLC 組成 MPI網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)*大的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立運(yùn)行能力強(qiáng)。對(duì)計(jì)量泵的控制是輸出動(dòng)力電源，由變頻器直接接線到計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)。輸入信號(hào)是兩臺(tái)流量計(jì)、兩臺(tái)濃度計(jì)，是 4 ～ 20 mADC 信號(hào)。控制柜采用 380VAC 動(dòng)力電源。
1. 2 插入式電磁流量計(jì)
流量計(jì)一般采用電磁式結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況，分別在原礦漿管道和稀釋水管道上，根據(jù)管徑選用不同的規(guī)格，管徑一般在100 ～ 500 mm 之 間。本系統(tǒng)采用 LZD 一體防爆型插入式電磁流量計(jì)，整體設(shè)計(jì)符合 GB 3836-2000 爆炸性氣體使用環(huán)境要求，儀器儀表特點(diǎn)為: **的單片機(jī)智能化管理，分流量段進(jìn)行修正，確保流量計(jì)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性; 傳感器測(cè)量管內(nèi)無活動(dòng)及阻流部件，因此無壓力損失，無阻塞; 合理選用襯里材料及電極材料，可實(shí)現(xiàn)良好的耐腐蝕性和耐磨性; 測(cè)量不受液體的密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響; 低頻矩形波勵(lì)磁，不受工頻及現(xiàn)場(chǎng)各種雜散干擾的影響，工作穩(wěn)定可靠; 不受流體方向影響，正、反向均可準(zhǔn)確計(jì)量; 高阻快速響應(yīng)電路，無失真采集微弱信號(hào)和快速反應(yīng)流量變化; 寬量程比 (0. 3 ～ 10 m /s)，滿量程流速范圍寬; 具有小信號(hào)切除功能，用戶可通過設(shè)置切除干擾性小流量; 大屏幕多參數(shù)同步顯示，瞬時(shí)流量、流速、正負(fù)向累計(jì)總量以及報(bào)警提示等; 故障自診斷功能，當(dāng)流量計(jì)工作異常時(shí)，測(cè)量界面顯示故障部位及報(bào)警; 紅外遙控功能、磁力感應(yīng)式非接觸操作以及按鍵接觸操作，操作多樣、方便。測(cè)量精度可達(dá) 1. 5% ，相對(duì)濕度在 5% ～ 95% 之間。
安裝方向可垂直、水平、傾斜，但水平安裝時(shí)要求二電極的中心軸線處于水平狀態(tài)，安裝應(yīng)保證測(cè)量管內(nèi)能充滿介質(zhì)，不能有不滿管現(xiàn)象或有大量氣泡通過傳感器。對(duì)于液固兩相介質(zhì)，*好是垂直安裝，流體自下而上流動(dòng)。這樣既可避免固體顆粒在測(cè)量管中沉積，又使襯里的磨損均勻，延長(zhǎng)使用壽命。為了避免在安裝后形成旋渦流，應(yīng)保證連接管、密封件、接地環(huán)及感應(yīng)器這四者同心連接，不要相互錯(cuò)開。要求前置直管段長(zhǎng)為 5 倍管道內(nèi)徑，后置直管段長(zhǎng)為 3 倍管道內(nèi)徑。
1. 3 濃度計(jì)
濃度計(jì)一般分為同位素濃度計(jì)和雙膜盒差壓濃度計(jì)。雖然同位素濃度計(jì)的測(cè)量精度較高，但由于價(jià)格昂貴難于維護(hù)和管理，目前現(xiàn)場(chǎng)一般推薦使用雙膜盒式濃度計(jì)，該儀表安裝容易、使用安全和易于管理，實(shí)踐證明這種方式的濃度計(jì)也能滿足生產(chǎn)要求。選煤廠浮選生產(chǎn)中，入浮濃度是一個(gè)重要參數(shù)，它直接關(guān)系到洗選效果與精煤產(chǎn)率。*佳入浮濃度由小浮選試驗(yàn)得出，多數(shù)選煤廠*佳入浮濃度在 80 ～ 120 g /L 之間。主要技術(shù)參數(shù)為: 測(cè)量精度為 0. 25% ，通過儀表量程的遷移，選取密度測(cè)量變化范圍為 1 000 ～ 1 200 g /L 的上下限值，對(duì)應(yīng)測(cè)量信號(hào)為 4 ～ 20 mA，實(shí)際誤差應(yīng)在±0. 5 g /L。管徑范圍為 0 ～ 750 mm，環(huán)境溫度為 － 10 ～ 50 ℃。
1. 4 變頻式藥劑計(jì)量泵
計(jì)量泵在市場(chǎng)上有多種方式，其流量調(diào)節(jié)基本有兩種: 一是調(diào)節(jié)泵的柱塞行程長(zhǎng)度; 二是采用變頻器改變電源頻率調(diào)節(jié)泵速，后者便于實(shí)現(xiàn)流量的控制和計(jì)算機(jī)管理。主要技術(shù)參數(shù)為: 測(cè)量精度為±1% ，測(cè)量范圍為 0 ～ 300 L /h 可調(diào)，環(huán)境溫度為－ 10 ～ 50 ℃。
1. 5 單一藥劑乳化器
選煤廠浮選藥劑乳化裝置是將藥劑和水制成乳化液，實(shí)現(xiàn)藥劑的合理使用，將對(duì)浮選效果和節(jié)約藥劑起到一定的作用。在使用中可根據(jù)藥劑和水的配制比例觀察藥劑的乳化效果，通過乳化器操作箱內(nèi)的的電位器調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，即調(diào)整乳化壓力。自動(dòng)加藥控制是根據(jù)入浮流量與入浮濃度的檢測(cè)結(jié)果，控制起泡劑與捕收劑的加入。乳化器的工作原理如圖 1 所示。
2 控制原理及功能
2. 1 藥劑自動(dòng)添加原理
藥劑添加是浮選生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，其添加量的大小、準(zhǔn)確與否和油醇配比等都直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、效果及經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)浮選司機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)油嘴加藥，沒有做到定量，在流量、濃度、煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，不能及時(shí)調(diào)節(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，尾礦跑粗現(xiàn)象嚴(yán)重。

STD － Ⅲ型浮選工藝參數(shù)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)通過雙膜盒差壓計(jì)測(cè)量原礦漿濃度; 采用插入式電磁流量計(jì)測(cè)量原礦漿流量，由 PLC 計(jì)算出入浮干煤泥量和藥劑的瞬時(shí)添加量，用變頻式計(jì)量泵完成浮選藥劑的添加。通過上位機(jī)還可以打印小時(shí)、班、天及月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，更加有利于生產(chǎn)管理及技術(shù)分析，藥劑自動(dòng)原理如圖 2 所示，k1、k2、k3 是計(jì)算修正參數(shù)。以 PID 算法為核心，通過優(yōu)化控制程序計(jì)算出藥劑給定量，在捕收劑和起泡劑管道上分別安裝藥劑測(cè)量裝置，用于檢測(cè)藥劑的添加量。當(dāng)藥劑測(cè)量值小于藥劑給定量時(shí)，PID 輸出增大，反之則減小。加藥泵變頻器控制原理如圖 3 所示。

2. 2 改變藥強(qiáng)控制浮選精煤灰分
在控制系統(tǒng)中，通過對(duì)入浮礦漿的流量、濃度檢測(cè)，計(jì)算出入浮的煤泥量，根據(jù)人工設(shè)定的藥劑加入量/噸煤泥，計(jì)算出起泡劑和捕收劑的加入量，然后通過在線乳化，分別送到礦漿預(yù)處理器和浮選機(jī)各室。調(diào)節(jié)藥強(qiáng)旋鈕可以改變噸煤耗油量，這樣選煤廠可根據(jù)客戶要求，方便生產(chǎn)出不同灰分等級(jí)的浮選精煤產(chǎn)品。
2. 3 乳化器構(gòu)成及操作
射流泵可產(chǎn)生一定壓力，通過文李氏管將藥劑吸入，并和水形成乳化液。
電氣操作箱通過對(duì)電機(jī)頻率的調(diào)整可使射流泵改變供水壓力，即達(dá)到調(diào)整乳化效果。操作箱上有啟動(dòng)、停止按鈕，可控制射流泵的運(yùn)行，操作箱內(nèi)部有一個(gè)電位器，可用來調(diào)節(jié)射流泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)射流泵產(chǎn)生的水壓力，可通過乳化器上的壓力表觀察，一般壓力調(diào)節(jié)到 0. 25 ～ 0. 4 MPa 之間即可，在變頻器的小顯示屏上可查看運(yùn)轉(zhuǎn)速度，電機(jī)電流等參數(shù)。
在乳化裝置的進(jìn)水管處應(yīng)安裝有閥門，工作前將該進(jìn)水閥們打開，然后開啟操作箱的啟動(dòng)按鈕，注意觀察供水壓力，通常在 0. 25 ～ 0. 5 MPa 范圍內(nèi)調(diào)整 (注意觀察乳化效果) 調(diào)整射流泵壓力。該裝置停止時(shí)，按操作箱上的停止按鈕，關(guān)閉進(jìn)水閥門。
系統(tǒng)的控制柜、操作臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)儀表在布線時(shí)，要信號(hào)線與動(dòng)力線嚴(yán)格分開，無法分開的地方控制線要求穿管，以防動(dòng)力電源干擾控制信號(hào)。

2. 4 參數(shù)設(shè)定操作
系統(tǒng)具有電腦操作和控制柜手動(dòng)操作，而電腦操作又有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，在自動(dòng)狀態(tài)下有測(cè)量參數(shù)的實(shí)際值和人工給定值得選擇。手動(dòng)運(yùn)行是通過拖動(dòng)鼠標(biāo)條改變藥劑量的添加。選擇自動(dòng)時(shí)系統(tǒng)是根據(jù)流量、濃度、起泡劑設(shè)定、捕收劑設(shè)定，自動(dòng)確定藥劑的加入量，此時(shí)手動(dòng)拖動(dòng)鼠標(biāo)條是沒用的。藥劑比是由捕收劑除起泡劑運(yùn)算所得，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，需**調(diào)整起泡劑設(shè)定和捕收劑設(shè)定。
3 結(jié)語
以呂家坨選煤廠應(yīng)用前后的對(duì)比，在正確使用的情況下，除穩(wěn)定產(chǎn)品煤質(zhì)量、縮小精煤灰分區(qū)間外，回收 率 可 提 高 1 ～ 1. 5 個(gè) 百 分 點(diǎn)，以 選 煤 廠(3. 0 Mt /a) 年處理60 萬 t 浮選煤泥計(jì)算，可多產(chǎn)出商品煤 0. 6 ～0. 9 萬 t ，按噸精煤中煤差價(jià) 500 元計(jì)算，可增加收入300 ～450 萬元 ; 另外還使浮選藥劑的消耗下降了 10 ～15 個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)省藥劑 180 ～ 270萬元。浮選自動(dòng)加藥及乳化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了浮選生產(chǎn)過程中參數(shù)的精確實(shí)時(shí)檢測(cè)、內(nèi)部數(shù)據(jù)浮點(diǎn)運(yùn)算及精準(zhǔn)的藥劑加入量自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)在線的藥劑乳化及加入，降低浮選藥劑消耗、穩(wěn)定了浮選精煤灰分、提高了浮選精煤產(chǎn)率、減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)通過多種網(wǎng)絡(luò)接口可實(shí)現(xiàn)與全廠自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，下一步可結(jié)合浮選精煤灰分和尾礦灰分的測(cè)量，采用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)構(gòu)建浮選灰分智能控制閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)浮選精煤灰分的在線測(cè)控，對(duì)提高選煤廠的運(yùn)行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益有較大的意義。

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