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閱讀 8377 次 重介洗煤密度控制系統(tǒng)的設計

摘要:該聯(lián)盛150萬噸重介洗煤的控制系統(tǒng)是基于西門子300系列PLC和GE公司的IFIX組態(tài)軟件平臺進行設計開發(fā)的,選用了當今技術(shù)先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、信息通訊技術(shù),傳感器技術(shù)實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)和運行狀況的進行實時采集和同步監(jiān)控,該系統(tǒng)實現(xiàn)了重介洗煤密控系統(tǒng)的PID控制并滿足系統(tǒng)可擴充性、可升級性、標準化、易維護性的要求。...

重介洗煤密度控制系統(tǒng)的設計

彭麗

陜西奧托科技發(fā)展有限公司  郵編:710043

    從煤礦開采出來的原煤,因為含矸石和煤泥,不能完全滿足部分用戶的使用要求,需要將原煤經(jīng)過選洗,分成精煤、中煤和矸石,去除煤泥,原煤選洗之后可以降低原煤的灰分,硫分,提高原煤的品質(zhì),提高入爐煤的熱值,也有利于煤炭產(chǎn)品由單結(jié)構(gòu)、低質(zhì)量向多品種、高質(zhì)量轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)化,同時減少原煤在運輸中運力浪費,相對提高經(jīng)濟效率,節(jié)能潛力巨大。

    近幾年我國原煤入洗率提高較快,尤其是高效的重介質(zhì)選煤發(fā)展很快,在選煤工藝中所占比例已上升至45%左右,其重介選煤自動化技術(shù)也得到迅猛發(fā)展。

一、重介洗煤原理及組成

    1.物理原理:

    重介洗煤是利用了阿基米德原理,由于煤和矸石的密度都大于1,因此不能直接在水中分選,要想實現(xiàn)按密度分選,就需要用研細的礦物質(zhì)和煤泥水配置成一定密度的懸浮液,為了便于這種礦物質(zhì)的回收和檢測,選用了磁鐵礦粉,當合格懸浮液以一定的壓力和切角進入三產(chǎn)品旋流器后,在旋流器中形成一個垂直零速錐形分離面,在離心力和重力場的作用下,精煤、中煤、矸石懸浮于不同的層面,大于液體密度的下沉,小于液體密度的上浮,從而實現(xiàn)分選。

    2.密控系統(tǒng)組成:

    重介洗煤系統(tǒng)分為原煤系統(tǒng)、主洗系統(tǒng)、浮選系統(tǒng)和濃縮系統(tǒng)。其中主洗系統(tǒng)中的密度控制是整個重介洗煤的核心,密控系統(tǒng)包括上位機、PLC、旋流器入選壓力表、密度計、磁性物含量計、補水電動調(diào)節(jié)閥、超聲波液位計、分流箱執(zhí)行機構(gòu)、介質(zhì)泵等設備,密度控制效果的好壞直接影響到洗煤的質(zhì)量。

密度控制系統(tǒng)圖

二、重介洗煤密控系統(tǒng)功能

    1.概述:

    重介洗煤的密控系統(tǒng)是一個多參量、多任務,多設備同時參與監(jiān)控,不但要求其在發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)擾動時能快速穩(wěn)定,而且在原煤的灰分,含泥量等發(fā)生變化時,能自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)以滿足客戶對灰分的要求。本系統(tǒng)PLC選用西門子300系列產(chǎn)品為主控制器,采用多參量智能檢測技術(shù),采用PID的控制手段,和多任務的綜合平衡的控制方式使系統(tǒng)良性循環(huán)。選用GE公司的IFIX3.5做上位監(jiān)控軟件,PLC和計算機用以太網(wǎng)通訊,實現(xiàn)全廠的自動化監(jiān)控,。

    2.主要檢測儀表:

    核子密度計:

    伽瑪射線穿過物質(zhì)時,由于光電效應和散射效應而導致射線強度的減弱,其減弱程度和物質(zhì)的密度之間遵循指數(shù)定律。核子密度計是利用這一原理對管道中的懸浮液濃度進行測量的。本系統(tǒng)選用昆明冶金研究院研制的AMDEL核子密度計,管夾式安裝,非接觸測量, 4-20mA信號輸出,量程 0.5-8g/cm3

    超聲波液位:

    根據(jù)測量超聲波發(fā)射后到遇到障礙物反射回來接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。超聲波液位計就是利用這個原理測量液位的。主要用于選煤廠的合格介質(zhì)桶、煤介混合桶、稀介桶、煤泥桶的液位測量。本系統(tǒng)選用德國的E+H超聲波液位計,量程1-6米。

    磁性物含量測量計:

    重介質(zhì)選煤時的懸浮液由磁鐵礦粉與水配制而成,并拌有洗選過程中的煤泥,其中水和煤泥是非磁性物質(zhì),因磁鐵礦粉導磁率比較高,均勻分布在懸浮液中,重介質(zhì)懸浮液流經(jīng)一個感應線圈時,線圈的電感量發(fā)生變化,并與懸浮液的磁鐵礦粉含量成正比。由此而檢測出磁性物含量值,本系統(tǒng)選用唐山煤研分院設計的CG型磁性物含量儀,靈敏度比較高,量程為0-1000mg/L

    壓力變送器:

    主要作用是監(jiān)測旋流器入口壓力。本系統(tǒng)選用西門子的PMC壓力變送器,量程0-0.6MPa

    3.控制系統(tǒng):

    3.1,硬件選型

    可編程序控制器:PLC采用西門子公司的300系列產(chǎn)品。

    上位監(jiān)控軟件:美國GE公司的IFIX3.5

    3.2旋流器恒壓入料控制

    本旋流器采用無壓給料方式,懸浮液用介質(zhì)泵壓入旋流器形成漩渦流,旋流器的入口壓力的增高,可以加速分選的過程,但是,隨著入料壓力繼續(xù)增加,懸浮液分布不均,容易出現(xiàn)懸浮液濃縮,分選效果下降,旋流器入口壓力過小,會造成懸浮液無法承載載體運轉(zhuǎn)所需的動力,所以旋流器的入口壓力應控制在合理范圍內(nèi)。一般保持恒壓控制,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,本系統(tǒng)介質(zhì)泵采用變頻器控制,泵體電機參數(shù):電壓等級:10KV,功率:560KW,額定電流43A,旋流器入口壓力穩(wěn)定在0.22MPa

    現(xiàn)場壓力傳感器檢測的0-0.6MPa模擬信號,經(jīng)過PLCA/D轉(zhuǎn)換將4-20mA信號轉(zhuǎn)換為0-27648數(shù)字量,用FC105塊將0-27648轉(zhuǎn)換成變量對應數(shù)字量,用這個轉(zhuǎn)換后的對應數(shù)字量作為FB41(稱為連續(xù)控制的PID)的參考輸入,這樣PID會根據(jù)這個參考輸入(即目標值)和上位計算機的壓力給定值比較計算PID的控制量,此控制量經(jīng)過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成4-20mA輸出驅(qū)動變頻器,變頻器根據(jù)PLC的輸出信號對應輸出050HZ的頻率信號控制合介泵轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)閉環(huán)控制,從而達到控制入口壓力的目的。

    3.3合介桶液位的控制:

    合介桶的液位控制也是重介質(zhì)分選過程中的重要環(huán)節(jié):液位過高,會溢出跑介,液位過低,會造成打空泵現(xiàn)象,密度不穩(wěn)定,本系統(tǒng)開啟后合介桶液位保持在1.52.5m之間,當系統(tǒng)檢測到合介桶液位低時,經(jīng)PLCPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出4-20mA信號給補水調(diào)節(jié)閥,補水調(diào)節(jié)閥接收4-20mA信號轉(zhuǎn)換成0-100%開度,自動補加水、加介或關(guān)分流箱開度以減少分流到稀介桶的懸浮液,當合介桶液位高時,打開分流箱開度以增大分流。且停車前把合格介質(zhì)桶液位調(diào)到1.5m以下,防止停泵時,介質(zhì)桶溢流。

    懸浮液回流液回流到介質(zhì)桶時,液體噴濺對超聲波測量造成干擾,需要加DN400導向桶,如圖:

    3.4循環(huán)懸浮液煤泥含量控制

    重介選煤工藝要求合格懸浮液中煤泥含量在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi),煤泥含量太低,懸浮液粘度不夠,容易濃縮,造成洗出來的煤灰分偏高;煤泥含量太高,不利于精煤、中煤、矸石的分層,并會增大介耗,系統(tǒng)的煤泥含量是根據(jù)磁性物含量和密度值反饋計算得出的,煤泥含量在上位計算機上輸入,通過PLCPID調(diào)節(jié)器輸出4-20mA信號驅(qū)動分流箱的開度,形成閉環(huán)控制。當系統(tǒng)計算的煤泥含量低于工藝要求時,減少精煤弧形篩下分流箱的開度減少分流量,當系統(tǒng)中的煤泥含量過高時,通過打分流的辦法降低煤泥含量從而自動調(diào)節(jié)懸浮液的粘度,提高分選效果,磁性物含量計和密度計的測量與分流箱執(zhí)行機構(gòu)閉環(huán)。本將系統(tǒng)的煤泥含量控制穩(wěn)定在40-50%的范圍內(nèi)。

    煤泥含量計算公式:G=A(P-1000)BF,式中,

    G為煤泥含量,kg/m3

    F為磁性物含量,kg/m3

    P為懸浮液密度,kg/m3

    A為與煤泥有關(guān)的系數(shù),A=δ煤泥/(δ煤泥-1000);

    B為與煤泥和磁性物有關(guān)的系數(shù),B=δ磁/(δ磁-1000)。

    其中:δ煤泥=1450kg/m3,δ磁=4500kg/m3,計算得出A=3.22B=1.29

    煤泥含量計算公式為:G=3.22(P-1000)1.29F

    在不同的合格介質(zhì)密度和煤泥含量下磁性物含量對照關(guān)系表見附圖

    3.5循環(huán)懸浮液密度控制:

    在旋流器中形成一個垂直零速錐形分離面,在離心力和重力場的作用下,精煤、中煤、矸石懸浮于不同的層面,大于液體密度的下沉,小于液體密度的上浮,從而實現(xiàn)分選。合格的懸浮液密度是重介洗煤的關(guān)鍵,只有合格的懸浮液密度才可以使中精煤、中煤、矸石在離心力和重力場中很好的懸浮于不同的層面,便于精確分選,根據(jù)客戶對需要煤的灰分要求和入洗原煤的灰分和煤泥含量的數(shù)據(jù)綜合計算,計算出本次懸浮液的密度要求,首先在上位計算機上輸入密度設定值,介質(zhì)泵上行管路上的密度值,當懸浮液的密度高時,自動調(diào)節(jié)合介泵出口調(diào)節(jié)閥的開度(0-100%)補加清水,密度低時,補加干磁鐵礦粉提高密度,或采用分流的辦法輔助合介桶的密度控制。

 

    3.6死區(qū)設定

    在控制系統(tǒng)中,當偏差比較小時,設備平凡動作,會導致系統(tǒng)小幅振蕩,給設備帶來危害和能源的浪費,從控制的要求來說,帶死區(qū)的PID控制可以防止以上問題,是人為地設置一個不靈敏區(qū)域,當設定值與過程值的絕對差值小于死區(qū)設定值時,減弱或切除控制輸出,而不做PI調(diào)節(jié),當設定值與過程值的絕對差值大于死區(qū)設定值時,按正常的PI繼續(xù)調(diào)節(jié)。

    3.7 PID調(diào)節(jié)參數(shù)

    采用PLCPID的閉環(huán)自動控制能解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。

    a.首先確定PID控制器的P控制器 的比例系數(shù),選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作,首先去掉PID的積分項和微分項,令Ti=0Td=0,僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界震蕩,再反過來,從此時的比例增益P逐漸減小,直至系統(tǒng)振蕩消失,記錄此時的比例增益P,設定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

    b.確定積分時間常數(shù)Ti ,比例增益P確定后,設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值,然后逐漸減小Ti,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,之后在反過來,逐漸加大Ti,直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti,設定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

    本系統(tǒng)采用系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào),最終確定PI參數(shù)。

四、上、下位軟件系統(tǒng)

    4.1上位監(jiān)控軟件

    本項目采用美國GE公司 iFix3.5軟件,組態(tài)方便,具有完備的圖形組態(tài)、報表組態(tài)等功能。集控系統(tǒng)通過上位監(jiān)控系統(tǒng)完成系統(tǒng)監(jiān)控操作,過程控制,監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)從PLC讀取現(xiàn)場設備的狀態(tài)、信息顯示在操作員工作站和大屏幕顯示墻上,顯示總貌、分組、流程和操作畫面,顯示實時和歷史趨勢圖表、實時和歷史報警圖表等。

    監(jiān)控軟件除洗煤處理過程實時動態(tài)監(jiān)控外,還記錄密控系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù),對檢測值、計算數(shù)據(jù)、統(tǒng)計表進行自動存儲、顯示和打印,并可進行歷史數(shù)據(jù)查詢。

    實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設置和調(diào)整,發(fā)布調(diào)度控制命令

    以柱形圖、曲線圖、報表等方式顯示實時數(shù)據(jù)

    4.2下位編程軟件

    STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包,用S7-300的編程,在軟件中可以硬件組態(tài),通訊連接,程序編制,測試和下載,同時具有硬件診斷功能,STEP軟件的基于當前最新水平的人機控制工程設計,使用Syombol Editor 可以管理所有的共享符號,對于CPU還可以顯示出過程中的故障原因,顯示循環(huán)時間,顯示性能數(shù)據(jù)(可能的輸入/輸出、位存儲、計數(shù)器、定時器和塊的數(shù)量)同時還有在線幫助功能,使編程調(diào)試輕松自如,

五、結(jié)論:

    密控系統(tǒng)不是單一的單回路控制,是多回路的綜合控制和整體協(xié)調(diào)過程,保證旋流器入口壓力的前提下,密度控制的同時協(xié)調(diào)液位和煤泥含量的控制,液位和煤泥含量是一個范圍控制,密控是一個帶小范圍死區(qū)的精確控制。經(jīng)過現(xiàn)場運行實踐,本密控系統(tǒng)能完全保證洗煤的質(zhì)量要求,系統(tǒng)穩(wěn)定,運行可靠。

參考文獻:

1.《選煤廠設計手冊 》,煤炭工業(yè)出版社,2005

2. 選礦廠設計參考資料》,冶金工業(yè)出版社,2003

3.基于OPC的洗煤密度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.控制系統(tǒng)PID參數(shù)設計與調(diào)試,2008

5.step7-300梯形圖手冊

附錄1

    FB41稱為連續(xù)控制的PID用于控制連續(xù)變化的模擬量。

    PID的初始化可以通過在OB100中調(diào)用一次,將參數(shù)COM-RST置位; PID的調(diào)用可以在OB35中完成,一般設置時間為200MS

    結(jié)合幫助文檔中的PID框圖研究以下的參數(shù),可以起到事半功倍的效果。    

    A.所有的輸入?yún)?shù):

    COM_RST: BOOL: 重新啟動PID:當該位TURE時:PID執(zhí)行重啟動功能,復位PID 內(nèi)部參數(shù)到默認值;通常在系統(tǒng)重啟動時執(zhí)行一個掃描周期,或在PID進入飽和 狀態(tài)需要退出時用這個位;

    MAN_ON:BOOL:這個位是PID的手動/自動切換位,手動值ON;當該位為TURE時,PID功能塊直接將MAN的值輸出到LMN

    PEPER_ON BOOL:過程變量外圍值ON:過程變量即反饋量,此PID可直接使用過程變量PI(不推薦),也可使用 PIW規(guī)格化后的值(常用),因此,這個位為FALSE

    P_SELBOOL:比例選擇位:該位ON時,選擇P(比例)控制有效;一般選擇有效;

    I_SEL BOOL:積分選擇位;該位ON時,選擇I(積分)控制有效;一般選擇有效;

    INT_HOLD BOOL:積分保持,不去設置它;

    I_ITL_ON BOOL:積分初值有效,I-ITLVAL(積分初值)變量和這個位對應,當此位ON時,則使用I-ITLVAL變量積分初值。一般當發(fā)現(xiàn)PID功能的積分值增長比較慢或系統(tǒng)反應不夠時可以考慮使用積分初值;

    D_SEL BOOL:微分選擇位,該位ON時,選擇D(微分)控制有效;一般的控制系統(tǒng)不用;

    CYCLE TIMEPID采樣周期,一般設為200MS

    SP_INT REALPID的給定值;

    PV_IN REALPID的反饋值(也稱過程變量);

    PV_PER WORD:未經(jīng)規(guī)格化的反饋值,由PEPER-ON選擇有效;(不推薦)

    MAN REAL:手動值,由MAN-ON選擇有效;

    GAIN REAL:比例增益;

    TI TIME:積分時間;

    TD TIME:微分時間;

    TM_LAG TIME:和微分有關(guān);

    DEADB_W REAL:死區(qū)寬度;如果輸出在平衡點附近微小幅度振蕩,可以考慮用死區(qū)來降低靈敏度;

    LMN_HLM REALPID上極限,一般是100%

    LMN_LLM REALPID下極限;一般為0%,如果需要雙極性調(diào)節(jié),則需設置為-100%;(正負10V輸出就是典型的雙極性輸出,此時需要設置-100%);

    PV_FAC REAL:過程變量比例因子

    PV_OFF REAL:過程變量偏置值(OFFSET

    LMN_FAC REALPID輸出值比例因子;

    LMN_OFF REALPID輸出值偏置值(OFFSET);

    I_ITLVALREALPID的積分初值;有I-ITL-ON選擇有效;

    DISV REAL:允許的擾動量,前饋控制加入,一般不設置;

    B:部分輸出參數(shù)說明:

    LMN REALPID輸出;

    LMN_P REALPID輸出中P的分量;(可用于在調(diào)試過程中觀察效果)

    LMN_I REALPID輸出中I的分量;(可用于在調(diào)試過程中觀察效果)

    LMN_D REALPID輸出中D的分量;(可用于在調(diào)試過程中觀察效果)

    規(guī)格化的方法:(即變量相對所占整個值域范圍內(nèi)的百分比 對應與27648數(shù)字量范圍內(nèi)的量)對于輸入和反饋執(zhí)行:變量*100/27648,然后將結(jié)果傳送到PV-INSP-INT,對于輸出變量 ,執(zhí)行:LMN*27648/100,然后將結(jié)果取整傳送給PQW即可

附錄2:在不同的合格介質(zhì)密度和煤泥含量下磁性物含量對照關(guān)系表

1、假設的磁性物固體密度為4.25g/cm3,煤泥固體密度為1.45g/cm3

磁性物含量(g/L)

合格介質(zhì)密度(g/cm3)

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

1.45

1.5

1.55

1.6

1.65

1.7

1.75

1.8

1.85

1.9

1.95

2

2.05

2.1

煤泥含量(%)

0

65

131

196

262

327

392

458

523

588

654

719

785

850

915

981

1046

1112

1177

1242

1308

1373

1438

5

64

128

192

256

320

384

448

512

576

640

704

768

832

896

960

1024

1088

1152

1216

1280

1344

1408

10

63

125

188

250

313

375

438

501

563

626

688

751

813

876

938

1001

1064

1126

1189

1251

1314

1376

15

61

122

183

244

305

366

427

488

549

610

671

732

793

854

915

976

1037

1098

1159

1220

1281

1342

20

59

119

178

237

297

356

416

475

534

594

653

712

772

831

890

950

1009

1069

1128

1187

1247

1306

25

58

115

173

230

288

346

403

461

518

576

634

691

749

806

864

921

979

1037

1094

1152

1209

1267

30

56

111

167

223

278

334

390

446

501

557

613

668

724

780

835

891

947

1003

1058

1114

1170

1225

35

54

107

161

215

268

322

376

429

483

537

590

644

698

751

805

859

912

966

1020

1073

1127

1180

40

51

103

154

206

257

309

360

412

463

515

566

618

669

720

772

823

875

926

978

1029

1081

1132

45

49

98

147

196

245

295

344

393

442

491

540

589

638

687

736

785

834

884

933

982

1031

1080

50

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(本文來源:陜西省土木建筑學會    文徑網(wǎng)絡:尹維維 編輯  文徑 審核

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