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摘要：該聯盛150萬噸重介洗煤的控制系統是基于西門子300系列PLC和GE公司的IFIX組態軟件平臺進行設計開發的，選用了當今技術先進的計算機技術、網絡技術、信息通訊技術，傳感器技術實現對現場設備的數據和運行狀況的進行實時采集和同步監控，該系統實現了重介洗煤密控系統的PID控制并滿足系統可擴充性、可升級性、標準化、易維護性的要求。...

重介洗煤密度控制系統的設計

彭麗

陜西奧托科技發展有限公司郵編：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，提高入爐煤的熱值，也有利于煤炭產品由單結構、低質量向多品種、高質量轉變，實現產品的優質化，同時減少原煤在運輸中運力浪費，相對提高經濟效率，節能潛力巨大。

近幾年我國原煤入洗率提高較快，尤其是高效的重介質選煤發展很快,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也得到迅猛發展。

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，要想實現按密度分選，就需要用研細的礦物質和煤泥水配置成一定密度的懸浮液，為了便于這種礦物質的回收和檢測，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，從而實現分選。

2.密控系統組成：

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

密度控制系統圖

二、重介洗煤密控系統功能

1.概述：

重介洗煤的密控系統是一個多參量、多任務，多設備同時參與監控，不但要求其在發生系統內擾動時能快速穩定，而且在原煤的灰分，含泥量等發生變化時，能自動調節控制系統以滿足客戶對灰分的要求。本系統PLC選用西門子300系列產品為主控制器，采用多參量智能檢測技術，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良性循環。選用GE公司的IFIX3.5做上位監控軟件，PLC和計算機用以太網通訊，實現全廠的自動化監控，。

2.主要檢測儀表：

核子密度計：

伽瑪射線穿過物質時，由于光電效應和散射效應而導致射線強度的減弱，其減弱程度和物質的密度之間遵循指數定律。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：

根據測量超聲波發射后到遇到障礙物反射回來接收的時間差計算出發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桶、煤介混合桶、稀介桶、煤泥桶的液位測量。本系統選用德國的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，因磁鐵礦粉導磁率比較高，均勻分布在懸浮液中，重介質懸浮液流經一個感應線圈時，線圈的電感量發生變化，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：

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

3.控制系統：

3.1，硬件選型

可編程序控制器：PLC采用西門子公司的300系列產品。

上位監控軟件：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，隨著入料壓力繼續增加，懸浮液分布不均，容易出現懸浮液濃縮，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所需的動力，所以旋流器的入口壓力應控制在合理范圍內。一般保持恒壓控制，以保證系統的穩定，本系統介質泵采用變頻器控制，泵體電機參數：電壓等級：10KV，功率：560KW,額定電流43A，旋流器入口壓力穩定在0.22MPa。

現場壓力傳感器檢測的0-0.6MPa模擬信號，經過PLC的A/D轉換將4-20mA信號轉換為0-27648數字量，用FC105塊將0-27648轉換成變量對應數字量，用這個轉換后的對應數字量作為FB41（稱為連續控制的PID）的參考輸入，這樣PID會根據這個參考輸入（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，此控制量經過模擬量輸出模塊轉換成4-20mA輸出驅動變頻器，變頻器根據PLC的輸出信號對應輸出0—50HZ的頻率信號控制合介泵轉速，實現閉環控制，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分選過程中的重要環節：液位過高，會溢出跑介，液位過低，會造成打空泵現象，密度不穩定，本系統開啟后合介桶液位保持在1.5—2.5m之間，當系統檢測到合介桶液位低時，經PLC的PID調節器調節輸出4-20mA信號給補水調節閥，補水調節閥接收4-20mA信號轉換成0-100%開度，自動補加水、加介或關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桶液位調到1.5m以下,防止停泵時，介質桶溢流。

懸浮液回流液回流到介質桶時，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的范圍內，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，系統的煤泥含量是根據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PLC的PID調節器輸出4-20mA信號驅動分流箱的開度，形成閉環控制。當系統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節懸浮液的粘度，提高分選效果，磁性物含量計和密度計的測量與分流箱執行機構閉環。本將系統的煤泥含量控制穩定在40-50%的范圍內。

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為與煤泥有關的系數，A=δ煤泥/（δ煤泥-1000）；

B為與煤泥和磁性物有關的系數，B＝δ磁/（δ磁-1000）。

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

煤泥含量計算公式為：G=3.22(P-1000)1.29F

在不同的合格介質密度和煤泥含量下磁性物含量對照關系表見附圖

3.5循環懸浮液密度控制：

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，從而實現分選。合格的懸浮液密度是重介洗煤的關鍵，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據綜合計算，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，介質泵上行管路上的密度值，當懸浮液的密度高時，自動調節合介泵出口調節閥的開度（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死區設定

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

3.7 PID調節參數

采用PLC的PID的閉環自動控制能解決系統的穩定性、快速性和準確性。PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。

a.首先確定PID控制器的P控制器的比例系數，選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作，首先去掉PID的積分項和微分項，令Ti=0、Td=0，僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界震蕩，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調試完成。

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

本系統采用系統空載、帶載聯調，最終確定PI參數。

四、上、下位軟件系統

4.1上位監控軟件

本項目采用美國GE公司 iFix3.5軟件，組態方便，具有完備的圖形組態、報表組態等功能。集控系統通過上位監控系統完成系統監控操作，過程控制，監控系統通過以太網從PLC讀取現場設備的狀態、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。

監控軟件除洗煤處理過程實時動態監控外，還記錄密控系統中的各類數據，對檢測值、計算數據、統計表進行自動存儲、顯示和打印，并可進行歷史數據查詢。

實現系統的參數設置和調整，發布調度控制命令

以柱形圖、曲線圖、報表等方式顯示實時數據

4.2下位編程軟件

STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態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，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，顯示循環時間，顯示性能數據（可能的輸入/輸出、位存儲、計數器、定時器和塊的數量）同時還有在線幫助功能，使編程調試輕松自如，

五、結論：

密控系統不是單一的單回路控制，是多回路的綜合控制和整體協調過程，保證旋流器入口壓力的前提下，密度控制的同時協調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的精確控制。經過現場運行實踐，本密控系統能完全保證洗煤的質量要求，系統穩定，運行可靠。

參考文獻:

1.《選煤廠設計手冊》，煤炭工業出版社，2005

2.《選礦廠設計參考資料》，冶金工業出版社，2003

3.基于OPC的洗煤密度控制系統的設計與實現

4.控制系統PID參數設計與調試，2008

5.step7-300梯形圖手冊

附錄1

FB41稱為連續控制的PID用于控制連續變化的模擬量。

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

結合幫助文檔中的PID框圖研究以下的參數，可以起到事半功倍的效果。　　　　

A.所有的輸入參數：

COM_RST: BOOL: 重新啟動PID：當該位TURE時：PID執行重啟動功能，復位PID 內部參數到默認值；通常在系統重啟動時執行一個掃描周期，或在PID進入飽和狀態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規格化后的值（常用），因此，這個位為FALSE；

P_SEL：BOOL：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。一般當發現PID功能的積分值增長比較慢或系統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；一般的控制系統不用；

CYCLE ： TIME：PID采樣周期，一般設為200MS；

SP_INT： REAL：PID的給定值；

PV_IN ： REAL：PID的反饋值（也稱過程變量）；

PV_PER： WORD：未經規格化的反饋值，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；

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

LMN_HLM： REAL：PID上極限，一般是100%；

LMN_LLM： REAL：PID下極限；一般為0%，如果需要雙極性調節，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： REAL：PID輸出值比例因子；

LMN_OFF： REAL：PID輸出值偏置值（OFFSET）；

I_ITLVAL：REAL：PID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：部分輸出參數說明：

LMN ：REAL：PID輸出；

LMN_P ：REAL：PID輸出中P的分量；（可用于在調試過程中觀察效果）

LMN_I ：REAL：PID輸出中I的分量；（可用于在調試過程中觀察效果）

LMN_D ：REAL：PID輸出中D的分量；（可用于在調試過程中觀察效果）

規格化的方法：（即變量相對所占整個值域范圍內的百分比對應與27648數字量范圍內的量）對于輸入和反饋執行：變量*100/27648，然后將結果傳送到PV-IN和SP-INT,對于輸出變量，執行：LMN*27648/100，然后將結果取整傳送給PQW即可。

附錄2：在不同的合格介質密度和煤泥含量下磁性物含量對照關系表
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)		合格介質密度(g/cm3)
磁性物含量(g/L)		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	47	93	140	186	233	279	326	372	419	465	512	558	605	651	698	744	791	837	884	930	977	1023
	55	44	87	131	175	219	262	306	350	393	437	481	524	568	612	656	699	743	787	830	874	918	962
	60	41	81	122	163	203	244	285	325	366	406	447	488	528	569	610	650	691	732	772	813	854	894
	65	37	75	112	149	186	224	261	298	336	373	410	447	485	522	559	597	634	671	708	746	783	820
	70	34	67	101	134	168	201	235	269	302	336	369	403	437	470	504	537	571	604	638	672	705	739
	75	29	59	88	118	147	177	206	236	265	295	324	354	383	413	442	472	501	531	560	590	619	649
	80	25	50	75	100	125	150	174	199	224	249	274	299	324	349	374	399	424	449	474	498	523	548
	85	20	40	59	79	99	119	139	159	178	198	218	238	258	277	297	317	337	357	376	396	416	436
	90	14	28	42	56	70	84	98	112	126	141	155	169	183	197	211	225	239	253	267	281	295	309
	95	8	15	23	30	38	45	53	60	68	75	83	90	98	105	113	120	128	135	143	150	158	165