基于PLC的浮选柱自动控制系统的设计与实现 -.pdf

第4 6 卷第1 2 期 2 0 1 4 年 第1 2 期 煤炭工程 COAL ENGI NEERI NG Vo 1 ． 4 6， No ． 1 2 No ． 1 2，2 01 4 do i 1 0． I 1 7 9 9 ／c e 2 01 41 2 0 4 3 基于 P L C的浮选柱 自动控 制系统 的设计 与实现 董志 勇，李 璐 ，王然风 太原理 工大学 矿业 工程 学院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 为 了解决煤矿选煤厂浮选柱 自动化程度低、调整不及 时、工人 劳动强度大、产品数 质量指标稳定性差等问题 ，提 出了基 于 P L C的浮选柱 自动控 制 系统设计方案。该 系统通过 P L C 实现 了对入浮浓度 、泡沫层厚度、药剂制度的在线 自动控制 ，以及浮选过程干煤泥处理量、药剂 消耗量的统计功能，同时系统能够实现对浮选柱现场运行状况的远程监控。实际使用表 明系统 运行稳定、控制效果 良好、工人 劳动强度降低、产品数质量指标得到明显提 高。 关键词 选煤厂 ；浮选柱 ；P L C；自动控制；远程监控 ；专家系统 中图分类号 T D 9 4 3；T P 2 7 3 文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 1 2 - 0 1 3 1 -0 4 De s i g n a n d I mpl e me nt a t i o n o f Aut o ma tic Co nt r o l Sy s t e m f 0 r F l o tati o n Co l u mn Ba s e d o n P LC DON G Z h i y o n g，L I L u，W ANG Ra nf e n g C o l l e g e o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4，C h i n a A b s t r a c t A i m i n g a t t h e u n t i me l y a d j u s t m e n t ，h i【g h l a b o r i n t e n s i t y a n d u n s t abl e p r o d u c t q u a n t i t y a n d q u a l i t y i n d e x e s ， c a u s e d b y l o w l e v e l o f a u t o ma t i o n， i n fl o t a t i o n c o l u mn o f c o a l p r e p a r a t i o n p l a n t ， a d e s i g n s c h e me of a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f flo t a t i on c o l u mn ba s e d o n PLC wa s p r o po s e d，r e a l i z i ng t h e a u t o ma t i c c o n t r o l of flo a t i n g c o n c e n t r a t i o n，f o a m l a y e r t h i c k n e s s ，r e a g e n t r e g i me ，t h e s t a t i s t i c s of d r y s l i me p r o c e s s i n g c a p a c i t y，r e a g e n t c o n s u mp t i o n ，a n d r e mo t e mo n i t o ri n g of t h e fl o t a t i o n c o l u mn o p e r a t i o n s t a t u s ． T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o w e d t h a t ，t h e s y s t e m wa s s t a b l e a n d e f f e c t i v e ， r e d u c i n g l a b o r i n t e n s i t y， a n d i mp r o v i n g t h e p r o d u c t q u a n t i t y a n d q u ali t y i n d e x e s ． Ke y wo r d sc o al p r e p a r a t i o n p l a n t ；flo t a t i o n c o l umn；PLC；a ut o ma t i c c o n t r o l ； r e mo t e mo n i t o rin g； e x pe r t s y s t e m 浮选柱作为处理微细粒物料的新型浮选设备，以其良 好的分选效果，近几年在选煤厂得到广泛应用。邢台矿洗 煤 厂煤 泥浮选 B系统浮选设 备为 F C MC旋流 一微泡 浮选 柱 ， 入浮流量、入料浓度 、充气量、矿浆液位、冲洗水 、药剂 制 度等都对 浮选 过程有着重要的影响 0 j 。然而 由于浮选过 程环境恶劣，工艺复杂，长期以来都是由现场工人手动操 作，自动化水平较低，导致精煤回收率低 ，精煤灰分波动 较大。针对该厂现状设计 了一套浮选柱分选过程影响因素 在线监 测和 自动控制 系统 ，系统 主要包 括浮选 入料浓 度 自 动控制、泡沫层厚度 矿浆液位 自动控制 、药剂添加 自动 控制、干煤泥量和药剂量统计功能，系统运行后稳定 了浮 选产品指标，提高了浮选精煤回收率 ，同时降低了工人劳 动强度，提高了工作效率。 1 浮选柱 自动控制系统的功能设计 1 ． 1浓度 自动控 制 一 般情况下 ，浮选最佳人料浓度为 8 0～1 2 0 g ／ L，邢台 矿洗煤 厂浮选工 艺为 直接 浮选 ，煤 泥水进 入浮 选人料 桶后 由泵打入矿浆预处理器，入料浓度波动较大，从而造成浮 选 司机操作 频繁 、浮 选产 品质量 波动 等现象 。浓 度 自动控 制系统 由同位素浓度计、控制器、电控气动阀门组成 J ， 采用 P I D控制 ，阀 门控制稀 释水 量 ，放射性 同位 素密 度计 测量煤泥水密度，然后再由 P L C通过测量得到的密度计算 出煤泥水浓度，测量精度可达 0 ． 5 ％，稳定性 良好，计算 公式见式 1 。 q l O O O 8 p一1 ／ 61 1 收稿 日期 2 0 1 31 21 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 9 7 4 0 9 4 ；山西省 自然科学基金资助项目 2 0 0 9 0 1 1 0 3 4 作者简介董志勇 1 9 8 9一 ，男，河南许昌人，从事煤矿综合自动化理论和实践研究，Em a i l 8 4 7 6 1 6 0 4 5 q q ． c o m。 引用格式董志勇，李璐，王然风．基于 P L C的浮选柱 自动控制系统的设计与实现 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 1 2 1 3 11 3 4 ． 1 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第 1 2 期 式中，q为浮选人料浓度， L ；P为煤泥水密度， o m ；6为煤泥 真密度，g ／ c m ；根据现场 实验结果 6 1 ．6 9g ／ c m。 。 当安装在煤泥水管道上的浓度计检测到煤泥水实时浓 度后 ，与设定值进行比较，根据差值控制器输出相应信号 给电控气动阀门，调节阀门开度大小控制稀释水量，进而 实现人料浓度控 制。控制原理如 图 1 所示 。 图 1 浮选柱入料浓度 自动控制原理框图 1 ． 2泡沫层厚度 矿浆液位 自动控制 浮选柱内矿浆液位的稳定控制是实现其正常运行的重 要前提和保证，矿浆液位控制的实质是泡沫层厚度的控制。 对于邢台矿洗煤厂 F C MC浮选柱而言，浮选柱液位采用 u 型管法 ，该方法基于 u型管原理 ，将尾煤通过 U型管引流 至与浮选柱矿浆液位等高的尾煤箱中，再通过人工手动旋 转提升螺杆来调节尾煤箱中尾煤排放 口的高度，进而调控 矿浆液位 。考虑在对浮选柱做最小改动的基础上实现 液位自动控制，在尾煤排放 口处安装超声波液位传感器来 间接测量浮选柱液位 ，同时在尾煤排放 口处安装电控液 动推杆代替原有手动旋转提升螺杆。浮选柱液位 泡沫层厚 度 测量模型示意 图如 图 2所示 。 图 2 浮选柱泡沫层厚度测量模型 由图 2可得浮选柱泡沫层厚度测量模型 H Hs H4； H2 H4一 H3 式中，日 。 为为浮选柱实际液位； 为浮选柱泡沫层厚 度； 为超声波液位计探头距浮选柱溢流堰垂直距离 液 位计安装后距离 固定不变 ； 为超声波 液位计测 量距离 ， 即超声波液位计探头距尾煤排放 口液面距离； 为超声波 液位计探头距浮选柱底部实际距离 液位计安装后距离固定 不变 。 泡沫层厚度控制系统可选择就地与远程两种控制模式， 当选择就地模式时，为人工现场手动操作，操作员可通过 按下就地箱上的提升或者下降按钮驱动电机的正反转，进 而控制电液推杆的提升或下降，这种模式不通过 P L C控制 1 3 2 器，为电气硬回路控制。当选择远程模式时，即为 P L C远 程控制，远程模式下通过现场触摸屏可选择远程手动和远 程自动两种远程控制方式，当选择远程手动时，浮选司机 根据现场工况长按触摸屏中提升或者下降按钮 ，控制电液 推杆提升或者下降，进而调节液位升高或者降低，泡沫层 厚度变薄或者变厚，松开按钮则停止动作，该远程手动控 制属于开环控制 ；当通过触摸屏选择远程 自动时，浮选司 机根据现场工况设定浮选柱泡沫层厚度最佳值 ，P L C控制 器根据测量模型测得 的泡沫层 厚度 实时反 馈值 通过 闭环控 制实现泡沫层厚度的 自动控制 ，闭环逻辑如图 3 所 示。 实际泡沫 图 3 浮选柱泡沫层厚度 自动控制原理框图 1 ． 3 药剂添加 自动 控制 浮选药剂 自动添加分控系统在矿浆预处理器人料管道 上安装流量计和浓 度计 分别测 量浮选 入料 流量 和浓度 ，流 量计选用 O P T I F L U X 4 3 0 0 W电磁流量计，浓度计采用放射式 同位素浓度计，药剂添加执行机构选用德国进 口精密计量 螺杆泵。螺杆泵很好的解决了传统的执行机构如隔膜泵和 电磁阀的堵塞问题，并且计量精确。针对传统的基于吨干 煤泥量的浮选药剂 自动添加系统存在的执行机构动作频繁、 无法适应现场煤质的波动、在外界因素干扰下系统鲁棒性 差等问题，设计了基于专家系统的开放式浮选药剂 自动添 加系统。构建专家系统最核心的部分是专家系统知识的获 取 ，对于洗煤厂 浮选过 程 而言 ，经验 丰富 的浮选 司机往 往 可以根据现场工况波动依据 自己的经验及时调整药剂制度， 从 而获得 良好 的浮选 效果 ，因此该 系统采用 浮选 司机 多年 丰富的经验、现场技术人员的建议、实验室实验结果作为 专家系统知识库的来源，利用产生式规则 “ ⅡA a n d B T h e n C ” 的专 家规则构建专家规则表 ，通过实验室煤泥浮选实验 结果，结合现场工况确定 了专家规则表的主要判断知识来 源A、B分别为煤泥水浓度和干煤泥量，通过交互式接口设 计实现在上位机和 H M1 设备的专家规则表的输入和修改， 实现在工况波动情况下药剂制度的及时修改，具有良好的 开放性 J 。由于专家规则的区段性 ，当浓度和干煤泥量在 某个设定区 间内波动 时 ，药剂 制度不 会改 变 ，因而减 少 了 执行机构的动作频率，延长了执行机构寿命。同时由于邢 台矿洗煤厂人洗原煤分为邢台矿煤和邢东矿煤，分别利用 一 条原煤运输胶带进入洗煤厂 ，之后汇合到原煤入洗胶带， 煤质波动频繁 ，因而系统利用两 条胶带运 行信号以及原煤胶 带灰分仪信号，设定合理的原煤灰分阈值，预判人洗煤质的 变化，及时自动切换专家系统规则表，调整药剂制度从而很 好地实现了适应煤质变化的浮选柱药剂添加 自动控制。专家 系统程序框图如图4所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年第l 2 期 煤炭工程 图 4 专家 系统程序框 图 1 ． 4 药剂 用量 自动统 计功 能 邢 台矿洗煤厂 需要 对浮选 药剂 消耗 量进行 月统 计 、年 统计，在保证浮选精煤质量的前提下严格控制浮选药剂量， 从而控制生产成本 ，同时选煤厂药剂消耗量也是考察浮选 司机技能的一个重要指标，以往药剂用量是通过技术员定 时检查药剂消耗量 ，不具有实时性 ，该系统设计的药剂用 管理层 监控层 控制层 设备层 量统计功能利用 P L C的定时中断实现流量精确累计 ，计算 出药剂消耗量 和 干煤 泥处 理量 ，从 而得 到吨煤 泥药耗 。系 统实时显示包括干煤泥处理量、吨煤泥药耗、班药剂消耗 量、月药剂消耗量、年药剂消耗量，并在上位计算机 自动 保存历史数据，同时班药剂消耗量在每天 8点、1 6点 、0 点 自动清零 ，为下一个工作班 开始计量 。 2 浮选柱 自动控制系统的结构组成 该系统控制器选用西门子 s 7 2 0 0系列 P L C，具有体 积小 ，运行稳定可靠等特点，C P U型号为 2 2 6 X P C N，扩展 模块选用两个四通道模拟量输入扩展模块 E M 2 3 1采集两台 浮选柱传感器信号，主要包括入料浓度、流量、浮选柱液 位、循环矿浆压力、原煤皮带灰分等，两个双通道模拟量 输出扩展模块 E M2 3 1 通过输出42 0 MA电流信号控制变频 器频率从而控制螺杆泵的流量实现药剂 自动添加 to ] ，现场 控制柜 HMI 设备选用西门子 S M A R T一1 0 0 0触摸屏，实现 现场参数的实时监测和修改 ，通过 以太 网通讯模块 C P 2 4 3 1 利用 O P C通讯协议 实现 P L C与上 位机 的通讯 ，调 度室 上位机采用研华工控机 ，利用西门子 WI N C C组态界面实现 浮选过程的远程监控、历史数据保存和查询等功能。控制 系统结构如图5所示。 调度室上位机 L 型 一 _J I以 太 网 通 讯 P P I 通汛 l 广 浮选入料浓度 浮选入料流量 循 环矿浆压力 浮选柱液位 C P U2 2 6 l C P 2 4 3 1 l E M2 3 1 l E M2 3 1 l E M2 3 2 煤 种 1 胶带运行信号 煤 种 2 胶带运行信号 原煤胶带秤信号 原煤测灰仪信号 泡沫 层厚度 自动控制 药剂添加 f } 入料浓度 自 动控制 I l 自 动控制 统计功能 fl耋 ff f f蓁 fl差ff霉 霎fl萋fl蓁H萋f f鋈f f翥 图 5 控制 系统结构示意 图 3 系统技术优势及运行效果 系统在运行过程中，主要有以下优势 ①实现了浓度 的闭环 P I D控制、泡沫层厚度 液位 的非 P I D闭环控制， 保证了入料浓度、液位和泡沫层的稳定性；②实现了基于 专家系统的浮选药剂的自动添加，避免了工人与药剂的直 接接触，降低了工人劳动强度且加药精确；③实现了浮选 柱干煤泥处理量和药剂消耗量的自动统计，吨煤泥药耗的 计量 ，为洗煤厂生产管理提供了重要的参考指标；④实现 了煤质变化的预先判断，提高了系统的适应性；⑤每个分 控系统均有手、自动选择，保证在控制系统故障情况下仍 可实现人工手动调节 ，提高了系统的稳定性和可靠性。 该系统应用于冀 中能源邢台矿洗煤厂 3 6 0 5和 3 6 0 6浮 选柱，为了验证浮选柱 自动控制系统的效果进行 了现场试 】 3 3 吨煤 泥药耗 月药剂 用量 班药 剂用量 干煤 泥处 理量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第1 2 期 验 。试验期 间 3 6 0 5浮选柱仍为浮选 司机人工手动调节， 3 6 0 6浮选柱为浮选柱 自动控制 系统 自动调 节 。实验 结果 见 表 1 。 表 1 工业试验结果对 比表 项 目 浮精灰分标准 浮精 尾矿 药剂量／ ⋯ 均值／ ％ 方差／ ％ 产率／ ％ 灰分／ ％ k g． h 一 由表 1可知 使用浮选柱 自动控制系统后，浮精灰分 均值降低 0 ． 7 9 ，标 准方 差降低 1 ． 0 5 ％，浮精 产率增 加 2 ． 0 6 ％，尾矿灰分提高9 ． 6 7 ％ ，同时药剂用量节省 1 3 ． 5 ％ ， 浮选产品指标及其稳定性得到了显著提升，药耗明显降低 ， 效果显著。 4结语 本文详细介绍了邢台矿选煤厂浮选柱 自动控制系统的 设计和实现，主要包括浓度分控系统、泡沫层厚度 液位 分控系统、药剂添加分控系统、干煤泥量及药剂用量 自动 统计功能。邢台矿选煤厂浮选柱 自动控制系统应用后，相 比传统的人工手动调节，浮选产品数质量指标及其稳定性 都得到了明显提高，药剂用量和工人劳动强度降低 ，经济 效益明显，同时系统具有调度室远程监控功能，极大的提 、 高了洗煤厂生产管理效率。 参考文献 上接 第 1 3 0页 试验累计使用锚杆钻头 8只，其中中心水眼式 P D C锚 杆钻 头 4只，累计 进 尺 1 8 1 m，单 只钻 头 平 均进 尺 为 4 5 ． 2 5 m；直槽式 P D C锚杆钻头4只，累计进尺2 2 3 m，单只 钻头平均进尺 5 5 ． 7 5 m。试验详细记 录见表 l 。 试验过程 中 ，钻 头都 没有 出现掉 片 及堵 塞 水路 现 象 ， 钻头能很好的满足现场施工要求 ，钻头均属于正常使用报 废。由表 1 数据可以得出，直槽式 P D C锚杆钻头寿命比普 通中心水眼式 P D C锚杆钻头寿命提高2 3 ％。 表 1 锚杆钻头试验数据 注 常规中心水眼式锚杆钻头施 工锚杆孔 3 m 5 9个 、注浆孔 4 m 1个 ；直槽 式锚杆钻头施 工锚杆q L 3 m 6 1个 、锚索 L 6 m 6 个 、注浆孔 4 m 1个。 4结论 1 本文设计研制了一种直槽式复合片锚杆钻头，该种 钻头主要有以下几个特点增大了复合片与钻头体的接触 面积 ，进而提高 了焊接强度 ；中心水 眼型式改 为直槽型式 ， 规避了中心水眼堵死情况 ；直槽式结构使钻头整体性更好， 钻头结构简单，便于加工 ，提高了生产效率。 1 3 4 张海军 ，刘炯 天 ，王永 田．矿用旋 流一静 态微泡 浮选 柱 的 分选原理及参数控制 [ J ] ．中国矿业，2 0 0 6 5 7 0 7 2 ． B ． J ． S h e a n ，J ． J ． C i ll i e r s ． A r e v i e w o f f r o t h fl o t a t i o n c o n t r o l[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f Mi n e r a l P r o c e s s in g．2 0 1 1 5 77 1 ． 范凌霄．德兴铜矿某选 煤厂浮选 自动控制 系统 [ J ] ．有色 金属工程 ，2 0 1 3 1 4 6 4 8 ． 王英 ，张 克． 常见 浮选液 位测 量 装置 的分 析及 对 比 [ J ] ．工矿 自动化 ，2 0 1 3，3 9 1 5 55 8 ． 王浩为．浮选柱液位 自动控 制系 统设计 [ J ] ．煤炭 工程 ， 2 0 1 3 8 1 3 71 3 9 ． 何胜春． 浮选 过程 液位检 测系统 的研究 [ J ] ．煤炭 学报 ， 2 0 0 0，2 5 5 5 3 85 4 1 ． 董志勇 ，李璐 ，王然风． 浮选柱泡 沫层厚度 自动控制 系 统 的设计和实现 [ J ] ．选煤技术 ，2 0 1 3 1 7 57 8 ． 蔡连成，滕健，张牧．专家系统基础与实现 [ M] ．天 津 天津大学出版社 ，1 9 9 0 ． 李璐 ，董志勇 ，王然 风．选 煤厂浮 选 自动加药 专家 系统 的设计与实现 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 3 1 1 1 61 8 ． 张卫．P L C在矿用浮选泵 中的应用 [ J ] ．煤炭技术， 2 0 1 2，3 1 5 I 1 8一l 1 9 ． 责任 编辑杨蛟 洋 2 在 芦岭 矿的试验结果 表明直槽式锚 杆钻头能很好 的 满足现场施工要求 ，而且该种钻头的使用寿命比普通中心 水眼式锚杆钻头使用寿命能提高 2 3 ％。 参考 文献 [ 1 ] 修 作量．英 国锚杆支 护技术 [ J ] ．煤炭科 学 技术 ，1 9 9 3， 2 l 1 2 5 45 6 ． [ 2] 修作量 ，王兴 库． 浅谈 煤巷 锚 杆支 护技 术 的现 状 与发 展 [ J ] ．煤矿开采 ，1 9 9 6 ，2 1 2 35 ． [ 3] 康红普 ，王金华 ，林健．煤矿巷 道支护技 术的研究 与应 用 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 1 0 ，3 5 1 1 1 8 0 91 8 1 3 ． [ 4] 宋海 涛 ，张益东 ，朱 卫 国．锚 杆支 护现 状及其 发展 [ J ] ． 矿山压力 与顶板管理 ，1 9 9 9 1 2 4 ． [ 5 ] 唐胜利，王永强，李锁智．煤矿井巷用 P D C锚杆钻头的研 究 [ J ] ．锚杆支护， 2 0 0 0 2 4 O 一 4 2 ． [ 6 ] 刘晓燕 ，李锁智 ，唐胜 利，等．金刚石锚 杆钻头类 型及其 合理选 择使用 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 0 2 3 6 0 6 1 ． [ 7 ] M T ／ T9 8 4 1 9 9 6煤矿用金刚石复合片锚杆钻头 [ s ] ． [ 8 ] 孙荣军 ，侯超 ，李锁智 ，等．直角槽式两翼型锚杆钻头 中国 ，Z 1 2 0 1 2 2 0 5 3 2 7 0 6 ．9[ P ] ．2 0 1 30 81 4 ． [ 9 ] 孙荣军 ，张朋．两翼锚 杆钻头 直槽 式弧角 型 中 国， Z 1 2 0 1 3 3 0 2 2 8 4 8 8 ． x [ P ] ．2 0 1 31 01 6 ． [ 1 O ] 张朋 ，孙荣军．两翼 锚杆 钻头 直槽 式整 片型 中 国 ， Z 1 2 0 1 3 3 0 2 2 8 2 3 2 ． 9 [ P] ．2 0 1 31 01 6 ． 责任编辑赵巧芝 、j 1j 1j 1 _ 心 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m