重介浅槽分选自动控制系统的应用

摘要：介绍了重介浅槽分选自动控制系统的构成、控制算法、功能及特点，并分析了该系统在五龙矿选煤厂重介浅槽分选工艺中的应用情况。实践应用表明：重介浅槽分选自动控制系统运行稳定可靠，控制效果良好，易于维护，创造了显著的经济效益。

关键词：重介浅槽分选；自动控制系统；密度控制；模糊算法

五龙煤矿选煤厂于1957年6月建成投产，采用筛分--手选工艺，年原煤处理能力为150万吨。经过多次扩能改造和工艺完善后，生产能力达到300万t/a。随着煤层赋存条件的变化及综采技术的应用，入洗原煤煤质变差，原煤矸石含量越来越大，原煤生产系统存在的问题越来越突出，尤其是准备车间的筛分破碎工艺已无法满足正常的排矸要求，排矸效率低，带煤损失严重，制约了矿井与选煤厂的生产。为了适应煤矿生产的需求和煤质与市场的变化，五龙矿选煤厂在充分调研、论证的基础上，对原煤车间进行技术改造，采用了粗煤泥分选和XZQ1635型重介质浅槽排矸工艺，并对其系统进行技术改造，从而使原煤分选过程全面实现自动化，达到提质增收的目的。

1.重介浅槽自动控制系统

1.1硬件配置和网络结构

根据重介浅槽分选工艺的要求，考虑到数字量、模拟量处理量大，电动调节机构、阀门操作频繁，大功率变频器控制要求高，供电电源受变频谐波干扰，顺控程序复杂且需要灵活调整等因素，选用西门子公司S7-300系列模块化PLC和ET200M 分布式I/O构建控制系统。其中，CPU为315-2DP， I/O模块按带电热拔插设计，每个I/O模块均安装在热插拔底板模块上，更换任意一个I/O模块时都不会影响其他模块的正常工作。CPU、分布式I/O模块设置在配电室的威图柜内，PLC接地需单独做仪表接地极，与电气地完全隔离。机柜中的PLC系统直流电源采用1+1冗余设计，直流电源允许并联使用，而且不必停机即可更换。PLC系统、上位机监控系统统一由长延时的在线式UPS供电，现场的一次仪表信号通过信号隔离器接人相应的模拟量模块通道，AO模拟量输出信号经信号隔离器隔离后控制变频器、电动调节阀门、电动执行器等现场控制设备。现场设备的工作、故障状态DI信号经中间继电器隔离后接入数字量模块通道，DO信号经输出继电器控制设备启停。

控制系统网络分为三层结构，即监控管理级（上位机）、过程控制级（PLC控制器）和现场控制级（现场设备）。第一层监控级采用工程师站和操作员站结构，工程师站/操作员站配置两套DELL工业计算机，采用西门子公司组态软件WinCC6.2SP2RT/RC1024实现对浅槽重介选煤过程的实时监控。通过计算机内以太网卡和SCALANCE X204-2与CPU315-2DP进行TCP/IP以太网通讯， 网络交换机预留两个光纤接口，以便于与厂级管理系统进行联网通讯。第二层是过程控制级， CPU通过ET200M对密度、液位、压力、磁选尾矿中磁性物含量、频率、流量、阀位等参数实时采集，并利用PR0FIBUS-DP网络通讯至工程师站/操作员站的数据库中进行存储和处理。第三层是现场控制级，一方面将设备电动机变频频率、工作电流、密度、液位等数据通讯到主站PLC的寄存器中，另一方面将主站对设备频率、压力、开度、液位、接触器吸合与断开的控制数据发到目标装置。

1.2特点

五龙矿选煤厂浅槽重介自动化系统具有如下特点：

（1）系统技术先进、可靠。浅槽重介自动化系统的硬件、软件设计均采用先进的控制系统、控 制算法及完善、可靠的抗干扰技术，系统投产后一直运行正常。

（2）系统投资费用低。采用PROFIBUS-DP现场总线技术，利用ET200M远程PLC控制分站与现场电气设备接线，PLC威图柜体与低压配电柜体并柜安装，既节省大量缆线投资，又减少了电气 安装的工作量。

（3）系统维护工作量减少，效率得到提高在集控室操作员站计算机上就可直观发现故障设备的故障原因，比如接触器误动作、变频器故障、电动机综保故障等，大大缩短了设备维护时间，提高了工作效率，将影响生产的时间降至最少。

2.控制算法

2.1 PID闭环控制算法的实现

系统控制点如密度、液位、压力、频率等使用PID闭环控制算法。工程师站中西门子PLC编程软件采用的是SIMATIC STEP 7 V5. 4 SP3.1，其中的标准库（Standard Library）中有一个预定义的SFB41/FB41，就是实现PID闭环控制算法的功能块，可直接调用，调用时赋予一个背景数据块 （DB块）即可。

2.2模糊-PI 双模控制器设计

浅槽重介变频排矸等复杂多变的被控对象采用 PID控制应用效果不理想，应寻找更有效的控制方法。模糊控制算法能根据原煤中矸石含量调整排矸量，最大限度地提高浅槽重介设备利用率、降低设备磨损。

传统的模糊控制器以系统误差 e 和误差变化ec 为输入语句变量，具有类似常规的比例微分（Proportional Differential，PD）控制器的特性。由于PD 控制器可以获得良好的动态特性，但无法消除系统的静态误差。而传统的比例积分（PI）控制器具有很高的稳态精度，并且具有算法简单、稳定性好、可靠性高的优点。

因此，本系统结合模糊控制器与 PI控制器的各自优点采用了一种模糊-PI双模控制器。其由PI控制器和基本模糊控制器组成。基本模糊控制器主要完成对系统的非线性控制；PI控制器主要完成当系统的误差趋于零时，保持系统稳定状态和较小的稳态误差。两者的转换根据事先给定的偏差范围实现自动转换。PI控制器与模糊控制器相结合的双模模糊控制器的原理框图如图（1）。

图中的特征识别主要是针对系统的误差而言：

a. 当|e|

b. 当|e|>es时，系统处于PI控制器控制模式，以克服当系统误差趋于零时，模糊控制器可能产生的震荡和稳态误差。

误差绝对值的设定es的选取要适当。es太大，基本模糊控制器作用的程度较大，要注意克服系统可能引起的震荡现象；es太小，基本模糊控制器作用的程度较小，它对系统的非线性控制作用不太明显。

模糊控制器设计所涉及的五个主要步骤为：模糊化、建立模糊推理规则、确定规则信度、选择关系生成方法和推理合成算法以及反模糊化。

以密度控制为例：其输入变量为密度误差和误差变化率，输出变量为电流。

隶属函数部分定义了密度误差和误差变化率2个变量，这两个语言变量都包括了5个语言值：NM、NS、ZE、PS、PM。2个输入变量论域范围相同，都是[-3 3]，所采用的隶属函数也相同，并且每个隶属函数都选用等腰直角三角形隶属函数，密度误差、误差变化率和输出变量量化因子选为10（实际中，输入、输出量化因子Ke、Kec以及输出比例因子Ku可调），输入变量的隶属函数如图（2）：

NM=negative medium（负中）；NS=negative small（负小）；NE=zero（零）；PS=positive small（正小）；PM=positive medium（正中）。

模糊规则表的建立：密度误差（Theta）和误差变化率（dTheta）作为模糊逻辑系统的输入变量。电流作为模糊逻辑系统的输出变量。这样，Thera、dThera和电流根据 “if a and b，then c”规则。

PLC编程软件SIMATIC STEP 7 V5.4标准库 （Standard Library ）中没有模糊控制块，可根据模糊算法在PLC里自行编写模糊控制程序。自行编写的程序功能完善、灵活、精练，测试完成后封装成功能块FC块（Function Block），方便调用。编写模糊控制程序需注意如下问题：手动、自动双向无扰动切换，以保证手动、自动转换过程中对生产工艺参数无影响；控制输出值上下限幅在人/机界面HMI上可调整，保证设备运行在安全范围内；输入量因子Ke、Kec、输出比例因子Ku等调节参数在人/机界面HMI上可调整，符合现场人员的操作习惯；模糊控制程序要下载到PLC存储器中，在 定时中断中调用，保证系统自动控制功能的稳定、精准、可靠运行。

2.3模拟量滤波程序

由于重介悬浮液密度、液位、压力、流量、频率、阀位反馈等模拟量在运行中受到变频器等非线 性元件的电源谐波和现场EMC等作用，测量值中夹杂一些干扰信号，影响PID、模糊闭环控制效 果，为此在硬件上采取信号隔离技术的同时，在软件上增加模拟量数字滤波算法。采取的算法是改进 的算术均值滤波法，即每个模拟量在一个采样周期内采样N次，首先对这N个数值进行排队，剔除最大值和最小值，然后对剩余数值取算术平均值，做为实际的模拟量采集值。由于N次采样中连续几次受干扰的可能性很小，故可有效地消除随机干扰的影响。

3.系统功能

3.1主要控制功能

（1）顺序控制功能。浅槽重介分选工艺是一个典型的以时间为基础，以各个环节检测执行为条件的顺序控制。自动化系统的功能是完成所有设备顺序、步骤、各控制点及安全联锁等一系列相互关联的操作，每一顺序中含有不同的操作步骤和控制要点。设备集中控制程序严格按国标GB50359―2005《煤炭洗选工程设计规范》要求编制，并经严格测试合格后投入使用。

（2）重介悬浮液密度控制功能。介质密度控制跟踪精煤产品灰分，灰分高时降低密度，灰分低时提高密度。重介悬浮液密度自动控制是一个以精煤产品预期灰分下的密度为设定值，密度实际检测值为反馈信号，通过调节合介与稀介之间分流量，辅助以调节合介桶的补水量来实现设定密度稳定的闭环自动调节系统。

（3）液位控制功能。合格介质桶、磁选尾矿桶设有液位检测仪，在PLC控制程序中统一考虑密度和液位的自动控制。当重介悬浮液密度达到要求时，合格介质桶液位的高低决定系统中是否补充 磁铁矿粉。液位过高，合格重介质的密度肯定降低，应加大分流量进行浓缩，此时，密度和液位自动控制的动作一致。

（4）合介泵出口压力控制功能。合格介质泵出口管线上设有压力变送器，实时检测合格介质流量的压力。通过调节合介泵的运转速度来实现浅槽重介分选过程中合格介质上升流、水平流流量的调节，由于合介泵采用变频调速技术，在满足浅槽重介系统正常生产的前提下达到了节能降耗的目的。

3.2系统调试

系统调试是一个非常重要的过程，也是不断发现问题并解决问题的过程。PLC编程软件SIMATIC STEP 7提供了十分完善的调试手段，选择在线监控，可十分直观地观看程序执行情况、网络运行情况。由于采用结构化编程，整个自动化系统按工艺流程分为各控制子部分，各个子部分编程为各不相同的系统功能块（FC块）。在主程序（OB1） 中可根据工艺条件调用各功能块，分别控制各子部 分的设备动作，完成系统的工艺需求和控制要求。在出现故障时，通过查询诊断缓冲区信息，能很快查明故障原因。可随时修改功能块（FC块）程序，向CPU内存下载程序不需CPU停机即可完成，特别适合中、大型自动化系统调试。系统可对 PLC系统采集的密度、压力、液位、频率、调节阀门开度等模拟量参数进行多次校正，确定设定参数，最终达到最佳效果；系统密度、压力、液位的控制精度稳定在设定值±0.5%之间，满足工艺系统要求。

4.应用效果

五龙矿选煤厂浅槽重介自动化系统包括设备集中控制、重介悬浮液密度控制、介质桶液位控制、合介泵变频控制、空压机自动控制等。该系统投用后，排矸效率明显提高，分选密度调节范围宽、精度高、易调节，解决了矸石量大制约选煤生产的问题。其配套辅助设备实现无人值守，减少了操作人员，大幅降低了工人的劳动强度，系统运行稳定可靠，控制效果良好，洗选能力相应提高，产生了显著的经济效益。

作者简介：

韩彦春（1983―），女，辽宁阜新人，工程师，硕士研究生，主要从事电力电子、机电控制等工程设计方面的研究。