选煤厂分选生产过程先进控制.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 2N o ．6 N o v ．2 0 0 3 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 3 0 6 0 7 0 10 4 选煤厂分选生产过程先进控制 丁恩杰1 ，何亚群2 ，马方清1 1 ．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要先进控制是用来处理那些常规控制效果不理想，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题． 本文分析了D C S 系统的发展现状，给出了选煤厂综合自动化系统的层次结构．利用先进控制理 论技术实现了选煤厂浮选生产过程仿人智能控制；跳汰生产过程多变量模糊控制；煤泥离心脱水 神经网络控制；以及全厂设备状态的智能检测方法．本控制系统在兖州矿业集团一选煤厂已经成 功应用，取得了可观的经济社会效益． 关键词先进控制；现场总线；计算机网络；选煤厂自动化 中图分类号T D9 2 8 ．9文献标识码A 分布式D C S 计算机控制系统已广泛应用于各 种工业过程，但是大多数应用仅限于在回路、车间 或局部生产环节等操作与控制，所采用的控制策略 也是以P I D 方式占多数，还未进一步综合工业生 产过程实际，对生产过程中的关键设备，采用先进 控制，如自适应控制、非线型控制、神经元控制、故 障诊断等．另一方面，分布式系统D C S 应该向现场 总线F C S ，网络控制方向发展，将实时生产过程控 制系统和信息管理系统紧密联系起来，实现计算机 综合生产系统．计算机综合生产系统主要体现在以 下几方面 1 以过程控制为核心，把工段车间或分厂的 分散型自动控制系统实现联网控制； 2 实现自动测试系统，实现在线分析和离线 分析信息的联网控制； 3 扩展信息管理实现各种生产和管理信息自 动化，创造最佳经济效益． 选煤厂计算机控制系统正在向现场总线控制 化、信息化、网络化以及生产过程先进控制方向发 展． 1 选煤厂综合自动化系统层次 当前D S C 系统正在向F C S 系统以及计算机 综合生产自动化方向发展，本文为兖州矿业集团一 选煤厂设计的一种计算机基于现场总线全厂控制 系统如图1 所示．控制系统的组成有如下几部分． 1 生产经营管理级 生产经营管理级负责向厂、矿决策机构提供现 场的过程数据，作为决策机构对产品进行数量、质 量分析的依据，同时决策机构可以直接对产品结构 进行调整，以适应市场供求关系变化． 2 生产管理优化级 完成自动控制测试，实现产品离线分析，如对 入选原煤的筛分组成、沉浮试验等离线分析，以确 定人选原煤的可选性．随着可选性的变化，以便调 整底层级，即生产装置控制级的控制策略，实现智 能控制．离线分析数据，通过网络进入整个C I P S 系统． 3 区域计算机监督级 区域计算机监督级完成整个生产过程的顺序 控制，以及监测各个过程工况参数，对各个生产过 程进行协调控制，进行生产过程数据库的不断更新 管理． 4 生产过程控制级 对主要生产环节，如跳汰机、离心机、浮选机、 重介系统等实现生产过程先进控制．先进控制策略 一般包括智能模糊控制、自适应控制、解耦控制、 仿人智能控制等，先进控制一般由单独工控计算机 实现．P I 。c 系统对生产过程或子环节进行顺序控 制及P I D 调节，并可由若干P 1 ．C 实现各个局部生 产过程控制．如原煤系统、跳汰机系统、浮选系统、 装车系统，可分别由P L C l ，P L C 2 ，P L C 3 ，P L C 4 实 收稿日期z2 0 0 3 0 5 1 4 作者简介丁恩杰 1 9 6 2 一 ，男．山东省青岛市』、，中国矿业大学副教授．工学博士，从事通讯与现场总线方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报 现控制 图1 基于现场总线选煤厂计算机控制系统结构示意图 F i g ．1 B a s i cf r a m eo f f i e l db u sc o n t r o ls y s t e mi nac o a lp r e p a r i n gp l a n 2 选煤厂典型生产过程先进控制 随着计算机控制系统应用的迅速发展，在分布 式系统或现场总线控制系统中引入先进控制方法 策略可以克服生产过程中的时变性、不确定性及外 部扰动的随机性，及不可检测等问题．在对兖州矿 业集团一选煤厂建立基于现场总线全厂生产控制 系统中，对主要生产过程实施的先进控制策略如 下． 2 ．1浮选生产过程仿人智能控制 根据浮选工艺特点，要达到较高精煤回收率， 降低设备成本必须对以下主要参数实施控制1 对特定的煤和特定的浮选机，其入选煤泥浆浓度必 须控制在最佳值范围；2 对特定的煤种和特定的 药剂，吨煤药剂耗量必须控制在一个最优值范围 内；3 对特定的浮选机均有固定的通过能力，入选 煤泥量大，浮选机效率小，入选煤泥量小浮选机工 作在欠负荷状态，不能充分发挥其工作效率，浮选 机其工作负荷应该控制在一个最优值；4 ’浮选生产 过程中对特定的浮选机其入选煤泥浆浓度应控制 在最佳范围内． 浮选车问环境差，人工劳动强度大，因此设计 一个仿人智能控制系统，实现浮选生产过程仿人智 能控制，不仅能够提高生产效率，而且能够有效地 减轻人工劳动强度，改善工作环境，创造较为可观 第3 2 卷 经济效益，浮选生产过程仿人智能控制实现如图2 所示． 图2 选煤厂浮选生产过程仿人控制系统实现结构框图 F i g ．2H u m a nL i k ec o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o nf o r f l o a t i n gp r o c e s s 2 ．2 跳汰生产过程多变量模糊控制 跳汰机是原煤生产过程中最基本设备．在原煤 洗选加工过程中．跳汰选煤是极为复杂的过程，跳 汰选煤的基本问题是原煤分层和产品分离．影响原 煤分层和产品分离的原因，可以分为两类其一是 跳汰机的机械结构，为此世界各国根据自己本国原 煤的主要特征，研制了多种跳汰机，改进其结构 风 阀、筛板、溢流堰、排料机构等 使其有利于原煤分 层和产品分离；其二是控制方式的改变．原煤性质 改变了，必须改变对跳汰机的控制，才可能创造利 万方数据 第6 期 丁恩杰等选煤厂分选生产过程先进控制 7 0 3 于分层的环境，使物料得到充分分层，使产粘得到 及时分离口】．跳汰选煤仿人智能控制系统依据优秀 操作工操作跳汰过程，实现跳汰选煤多变量过程新 的控制方法，解决跳汰选煤多变量过程控制实际问 题．同时智能控制系统提出一种根据人料，中煤、精 煤、矸石进行分选效率在线评定方法，用来协调给 料、排料、风、水控制．控制系统中给料、排料、风、水 控制分别有5 个模糊控制回路实现．每个模糊控制 回路采用常规模糊控制器设计方法设计o ．跳汰选 煤系统多变量模糊控制如图3 所示． 图3 跳汰生产过程多变量模糊控制 F i g ．3 M u l t i V a r i a b l ef u z z yc o n t r o ls t r u c t u r ef o r j i g g i n gp r o c e s s 原煤 脏舟 2 ．3 全厂生产过程设备状态智能检测 通过研制基于红外光和磁效应的传感检测装 置，实现对鼓风机油压、轴温度以及皮带机、锚链运 输机、斗子提升机、浓缩机等实现运行状态的智能 检测．当设备的运行参数偏离给定值，则进行智能 调节控制，使其正常，超限时及时报警，自动保护， 极大地降低设备的故障率． 2 ．4 离心机负载神经网络控制 煤泥离心脱水系统，由于系统存在随机干扰， P 1 D 常规控制效果欠佳．众所周知P I D 控制在工业 过程控制中一直占领主导地位o ] ．目前在运动控 制、航天控制及其他控制的应用中P I D 控制达到 9 0 ％以上，化工系统占9 5 ％以上[ “．有关P I D 控制 器的各种设计方法仍在不断研究之中”。．在基本 P I D 控制器设计使用过程中，其增益K r ，K n K o 一 般依据操作人员经验以及动态系统的特性进行试 探性调整．本文将采用一种依据人工神经网络方法 实现P I D 控制器增益K ，，K r ，K 。优化调整，如图4 所示． 图4 基于神经网络离心系统回路P I D 控制设计 F i g ．4 P I DN e u r a lB a s e dc o n t r o ls t r u c t u r ef o r c e n t r f u g i n gp r o c e s s 本文设计了一个三层B P 神经网络，实现选煤 厂煤泥离心脱水系统闭环回路P I D 控制器参数 K ，，K r ，K o 自适应调整，见图4 ．其中输出层的神经 元数为N 。一3 ，中间层神经元数为M ，输人层神经 元数为N 。．M ，Ⅳ。可以根据被控对象的复杂程度 进行试探方法决定．有关B P 神经网络的设计、训 练问题可参考文献“] ． 3 结束语 选煤厂基于现场总线厂生产过程控制系统在 兖州矿业集团‘选煤厂已经成功应用．整个系统投 人运行2a 稳定可靠，由于采用先进控制策略全厂 精煤产率平均提高1 ．2 蹦，浮选车间药剂耗量节省 15 ％，设备故障率降低4 0 ％．整个基于现场总线选 煤厂生产过程控制系统能够及时为企业提供科学 管理决策依据．控制系统每年为企业新增加利税达 12 0 0 万元，经济社会效益显著．本文论述方法对 一般选煤厂实现生产过程控制具有重要参考意义． 参考文献 [ 1 ] 陈迹跳汰选煤的理沧与实践[ M ．北京煤炭工 业出版社，1 9 8 8 ． [ 2 ] 李士舅．模糊控制神经挣制和智能控制论[ M ] 哈 尔滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 8 ． [ 3 ]王伟．P I D 参数先进整定方法综述[ J ] ．自动化学 报，2 0 0 0 ．2 6 3 3 4 73 5 5 ． [ 4 ] I s a k s s o a A ，H a g g l u n dT ．E d i t o r i a lP I Dc o n t r o l [ Jj ， l E EP r o cC o n t r o lT h e o r yA p p l i c a t i o n ．2 0 0 2 1 4 9 1 12 ． [ 5 ] S i l v a ；J 。D a t t aA ．B h a t t a e h a r y y aSP ．N e wr e s u l t s o Ⅱt h es y n t h e s i so fP I Dc o n t r o l l e r s 【J ] I E E E T r a n s a e t i o n so nA u t o m a t i cC o n t r 0 1 ．2 0 0 2 ．4 7 2 2 4 1 2 5 2 ． [ 8 3H a y k i nS ．N e u r a ln e t w o r k sac o m p r e h e n s i v ef o u n d a t i o n [ M ] ．L o sA n g e l e s P r e n t i c eT f a UP r e s s ，1 9 9 9 ． 万方数据 7 0 4中国矿业大学学报第3 2 卷 A d v a n c e dP r o c e s sC o n t r o lf o rI n d u s t r i a l P r o c e s so fC o a lP r e p a r i n gP l a n t D I N GE n j i e l ，H EY a q u n 2 ，M AF a n g q i n 9 1 1 ．C o l l e g eo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ．C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t A d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l A P C i sf o r t h ep r o c e s s ，w h i c ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dc a nn o t e f f e c t i v ee o n t r o lt h er e s u l t s ．T h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ndD C Sw e r ed i s c u s s e d ．a n dt h es t r u c t u r e0 { i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mf o rc o a lp r e p a r i n gp l a n t sw a sp r e s e n t e d ．U s i n ga d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n d t e c h n o l o g yt h eh u m a n l i k ei n t e l l i g e n tc o n t r o lf o rf l o a lp r o c e s s ，t h em u l t i v a r i a b l ef u z z yc o n t r o lf o rj i g g i n g p r o c e s s ，a n dt h eP I Dc o n t r o lb a s e do nn e u r a ln e t w o r kf o rc o a ls l u r r yc e n t r i f u g i n gp r o c e s sw e r ec a r r i e do u t ． A ni n t e l l i g e n tm e t h o df o rm o n i t o r i n gt h es t a t e so fe q u i p m e n ti nc o a lp r e p a r i n gp l a n t sw a sa l s op r e s e n t e d ．T h e A P Ch a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nac o a lp r e p a r i n gp l a n ti nY a n z h o uM i n i n gG r o u p ．I tc a nb r i n gg r e a t e c o n o m i cb e n e f i t ． K e yw o r d s a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ；f i e l db u sc o n t r o l } c o m p u t e rn e t w o r k s ；c o a lp r e p a r i n gp l a n ta u t o m a t i o n 责任编辑陈其泰 上接第6 9 7 页 S t u d yo ft h eD y n a m i c sC h a r a c t e r i s t i c sf o rF i n eC o a lF l o t a t i o n T A OY o u j u n l ，L UM a i x i 2 ，C A IZ h a n 9 1 ，K U A N GY a l i l ，Z H A OY u e m i n l 】．S c h o o lo fC h e m i c a lE n i e e r J n ga n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 2 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n g v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h er i o t a t i o nd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dv a r i a t i o nl a wo ff i n ec o a l sw i t hd i f f e r e n td e n s i t i e sw e r e s t u d i e d ．T h er e l a t i o nb e t w e e nf l o t a t i o nr a t ea n dd o s a g eo ff l o t a t i o nr e a g e n tw a sa l s od i s c u s s e d ．A n dt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef l o t a t i o 3r a t ec o n s t a n t f o rf i n ec o b la n dd i f f e r e n to p e r a t i o n v a r i a b l e sw a se s t a b l i s h e d ．I na d d i t i o n ，t h ep r a c t i c a li n d u s t r yf l o t a t i o nw a sp r e d i c t e db a s e do nt h ef l o t a t i o n r a t ec o n s t a n t o fs l u r r yw i t hd i f f e r e n td e n s i t ya n dt h ec o n t i n u o u sd y n a m i c sm o d e lo fc o a lf l o t a t i o n ．T h e r e s u l ts h o w st h a tc o r r e c t e dc o n t i n u o u sd y n a m i c sm o d e lo fc o a lf l o t a t i o ni sr e l i a b l e ．a n dt h ep r e d i c t i o na c c u r a c y i sg o o d ． K e yw o r d s s l u r r y ；d e n s i t y ；d y n a m i c s ；f l o t a t i o nr a t ec o n s t a n t 责任编辑邓群 万方数据