摘要: 針對浮選成本高、效率低，浮選精煤質量難以保證的問題，呂家坨選煤廠的浮選自動加藥及乳化控制系統(tǒng)采用以 S7 － 300 PLC 為控制器，用管道式流量計和煤泥濃度計分別檢測進入浮選系統(tǒng)的流量和濃度，PLC 計算藥劑的加入量，變頻控制計量泵，乳化器實時準確的對藥劑實施乳化和加入。生產實踐表明，控制軟件采用人工智能技術并結合數(shù)字濾波，使測量、計算數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)曲線，藥劑消耗量準確可靠。
開灤能源化工股份有限公司呂家坨選煤廠(以下簡稱呂家坨選煤廠) 設計能力為 3. 0 Mt /a，生產工藝為重介、浮選聯(lián)合工藝，該廠浮選工藝為原生煤泥和重介分流煤泥進入 2 個煤泥混料桶，然后進入 2 個礦漿預處理器，1 個礦漿預處理器供料2 個浮選機，4 個浮選機的精礦進入再選預處理器，供再選浮選機。呂家坨選煤廠煤泥水量大，浮選系統(tǒng)設備多、工藝復雜，每班操作人員少，實現(xiàn)其全面自動化控制是非常必要的。
浮選是洗選 ＜ 0. 5 mm 煤泥*有效的方法，利用浮選可以降低煤泥的灰分和硫分。在我國，煤泥浮選的處理量一般占全部入選量的 20% 左右。因 此，在煤炭潔凈生產中，強化、優(yōu)化浮選過程是一個十分重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的浮選生產都是依靠浮選司機經驗操作，生產效率較低，一些主要工藝參數(shù)，如礦漿流量、礦漿濃度、藥劑添加、尾礦灰分等都沒有做到實時定量。人工操作相對于自動加藥和乳化作業(yè)既不準確也不及時，造成浮選成本高、效率低，浮選精煤質量難以保證。對該過程實現(xiàn)自動控制，可以提高精煤產率、準確控制精煤灰分、節(jié)省浮選藥劑、改善工作環(huán)境和降低工人的勞動強度。
浮選自動加藥及乳化控制系統(tǒng)對穩(wěn)定浮選精煤灰分，提高藥劑分散度及顆粒接觸面積起到了一定的作用，獲得了較好的經濟效益和社會效益，也是選煤廠實現(xiàn)人工智能控制的有效單元。
1 硬件構成
該系統(tǒng)設有自動控制柜，配有工業(yè)控制計算機和礦漿濃度計、流量計、藥劑計量泵、藥劑乳化裝置等單元組成，根據(jù)選煤廠浮選工藝的設計，在操作面板和工控機均設有起泡劑和捕收劑的設定旋鈕電位器，旋鈕設定只針對噸干煤泥的藥比，且具有全部的手、自動操作裝置。儀表柜內裝有流量計和濃度計等二次檢測儀表，乳化器的操作及控制在裝置本身上。開關電源、隔離模塊、PLC 等安裝在操作臺內部，為提高系統(tǒng)的可靠性，所有控制和信號線纜全部采用 ＲVVP － 銅芯聚氯乙烯絕緣屏蔽型護套軟電纜，該電纜外層有較密的銅網屏蔽，信號穩(wěn)定可靠。
1. 1 PLC 可編程序控制器
系統(tǒng)控制核心由西門子 S7 － 300 的 CPU 及模擬量、數(shù)字量輸入∕輸出模塊組成，輸入∕輸出通道均采取光電隔離等措施，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，可穩(wěn)定工作在較惡劣的生產環(huán)境中。軟件采用 SIEMENS STEP7 6. 0 編程，用戶界面全部漢化，各功能采用菜單提示，界面友好，易于操作。控制程序主要完成的功能: 數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、控制模型運算、PID 輸出、存貯、顯示生產主要工藝參數(shù)及運行歷史曲線。呂家坨選煤廠采用 3 臺礦漿預處理器、6 臺 16 m3機械攪拌式浮選機，分兩期施工，在軟件設計時采用兩臺 PLC 并行運行方式，兩臺控制柜分別控制南北浮選系統(tǒng)和新系統(tǒng)，內部含有 SIEMENS S7 － 300 系列 PLC，ABB 變頻器。計算機組成網絡系統(tǒng)，與兩臺 PLC 組成 MPI網絡，系統(tǒng)*大的優(yōu)點是獨立運行能力強。對計量泵的控制是輸出動力電源，由變頻器直接接線到計量泵電動機。輸入信號是兩臺流量計、兩臺濃度計，是 4 ～ 20 mADC 信號。控制柜采用 380VAC 動力電源。
1. 2 管道式流量計
流量計一般采用電磁式結構，根據(jù)現(xiàn)場工藝狀況，分別在原礦漿管道和稀釋水管道上，根據(jù)管徑選用不同的規(guī)格，管徑一般在100 ～ 500 mm 之 間。本系統(tǒng)采用 LZD 一體防爆型管道式流量計，整體設計符合 GB 3836-2000 爆炸性氣體使用環(huán)境要求，儀器儀表特點為: **的單片機智能化管理，分流量段進行修正，確保流量計量的準確性與穩(wěn)定性; 傳感器測量管內無活動及阻流部件，因此無壓力損失，無阻塞; 合理選用襯里材料及電極材料，可實現(xiàn)良好的耐腐蝕性和耐磨性; 測量不受液體的密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響; 低頻矩形波勵磁，不受工頻及現(xiàn)場各種雜散干擾的影響，工作穩(wěn)定可靠; 不受流體方向影響，正、反向均可準確計量; 高阻快速響應電路，無失真采集微弱信號和快速反應流量變化; 寬量程比 (0. 3 ～ 10 m /s)，滿量程流速范圍寬; 具有小信號切除功能，用戶可通過設置切除干擾性小流量; 大屏幕多參數(shù)同步顯示，瞬時流量、流速、正負向累計總量以及報警提示等; 故障自診斷功能，當流量計工作異常時，測量界面顯示故障部位及報警; 紅外遙控功能、磁力感應式非接觸操作以及按鍵接觸操作，操作多樣、方便。測量精度可達 1. 5% ，相對濕度在 5% ～ 95% 之間。
安裝方向可垂直、水平、傾斜，但水平安裝時要求二電極的中心軸線處于水平狀態(tài)，安裝應保證測量管內能充滿介質，不能有不滿管現(xiàn)象或有大量氣泡通過傳感器。對于液固兩相介質，*好是垂直安裝，流體自下而上流動。這樣既可避免固體顆粒在測量管中沉積，又使襯里的磨損均勻，延長使用壽命。為了避免在安裝后形成旋渦流，應保證連接管、密封件、接地環(huán)及感應器這四者同心連接，不要相互錯開。要求前置直管段長為 5 倍管道內徑，后置直管段長為 3 倍管道內徑。
1. 3 濃度計
濃度計一般分為同位素濃度計和雙膜盒差壓濃度計。雖然同位素濃度計的測量精度較高，但由于價格昂貴難于維護和管理，目前現(xiàn)場一般推薦使用雙膜盒式濃度計，該儀表安裝容易、使用安全和易于管理，實踐證明這種方式的濃度計也能滿足生產要求。選煤廠浮選生產中，入浮濃度是一個重要參數(shù)，它直接關系到洗選效果與精煤產率。*佳入浮濃度由小浮選試驗得出，多數(shù)選煤廠*佳入浮濃度在 80 ～ 120 g /L 之間。主要技術參數(shù)為: 測量精度為 0. 25% ，通過儀表量程的遷移，選取密度測量變化范圍為 1 000 ～ 1 200 g /L 的上下限值，對應測量信號為 4 ～ 20 mA，實際誤差應在±0. 5 g /L。管徑范圍為 0 ～ 750 mm，環(huán)境溫度為 － 10 ～ 50 ℃。
1. 4 變頻式藥劑計量泵
計量泵在市場上有多種方式，其流量調節(jié)基本有兩種: 一是調節(jié)泵的柱塞行程長度; 二是采用變頻器改變電源頻率調節(jié)泵速，后者便于實現(xiàn)流量的控制和計算機管理。主要技術參數(shù)為: 測量精度為±1% ，測量范圍為 0 ～ 300 L /h 可調，環(huán)境溫度為－ 10 ～ 50 ℃。
1. 5 單一藥劑乳化器
選煤廠浮選藥劑乳化裝置是將藥劑和水制成乳化液，實現(xiàn)藥劑的合理使用，將對浮選效果和節(jié)約藥劑起到一定的作用。在使用中可根據(jù)藥劑和水的配制比例觀察藥劑的乳化效果，通過乳化器操作箱內的的電位器調整水泵轉速，即調整乳化壓力。自動加藥控制是根據(jù)入浮流量與入浮濃度的檢測結果，控制起泡劑與捕收劑的加入。乳化器的工作原理如圖 1 所示。
2 控制原理及功能
2. 1 藥劑自動添加原理
藥劑添加是浮選生產中的重要環(huán)節(jié)，其添加量的大小、準確與否和油醇配比等都直接影響產品的質量、效果及經濟效益。傳統(tǒng)浮選司機憑經驗調節(jié)油嘴加藥，沒有做到定量，在流量、濃度、煤質發(fā)生變化時，不能及時調節(jié)，產品質量難以保證，尾礦跑粗現(xiàn)象嚴重。

STD － Ⅲ型浮選工藝參數(shù)自動測控系統(tǒng)通過雙膜盒差壓計測量原礦漿濃度; 采用管道式流量計測量原礦漿流量，由 PLC 計算出入浮干煤泥量和藥劑的瞬時添加量，用變頻式計量泵完成浮選藥劑的添加。通過上位機還可以打印小時、班、天及月的運行數(shù)據(jù)，更加有利于生產管理及技術分析，藥劑自動原理如圖 2 所示，k1、k2、k3 是計算修正參數(shù)。以 PID 算法為核心，通過優(yōu)化控制程序計算出藥劑給定量，在捕收劑和起泡劑管道上分別安裝藥劑測量裝置，用于檢測藥劑的添加量。當藥劑測量值小于藥劑給定量時，PID 輸出增大，反之則減小。加藥泵變頻器控制原理如圖 3 所示。

2. 2 改變藥強控制浮選精煤灰分
在控制系統(tǒng)中，通過對入浮礦漿的流量、濃度檢測，計算出入浮的煤泥量，根據(jù)人工設定的藥劑加入量/噸煤泥，計算出起泡劑和捕收劑的加入量，然后通過在線乳化，分別送到礦漿預處理器和浮選機各室。調節(jié)藥強旋鈕可以改變噸煤耗油量，這樣選煤廠可根據(jù)客戶要求，方便生產出不同灰分等級的浮選精煤產品。
2. 3 乳化器構成及操作
射流泵可產生一定壓力，通過文李氏管將藥劑吸入，并和水形成乳化液。
電氣操作箱通過對電機頻率的調整可使射流泵改變供水壓力，即達到調整乳化效果。操作箱上有啟動、停止按鈕，可控制射流泵的運行，操作箱內部有一個電位器，可用來調節(jié)射流泵電機的轉速，即調節(jié)射流泵產生的水壓力，可通過乳化器上的壓力表觀察，一般壓力調節(jié)到 0. 25 ～ 0. 4 MPa 之間即可，在變頻器的小顯示屏上可查看運轉速度，電機電流等參數(shù)。
在乳化裝置的進水管處應安裝有閥門，工作前將該進水閥們打開，然后開啟操作箱的啟動按鈕，注意觀察供水壓力，通常在 0. 25 ～ 0. 5 MPa 范圍內調整 (注意觀察乳化效果) 調整射流泵壓力。該裝置停止時，按操作箱上的停止按鈕，關閉進水閥門。
系統(tǒng)的控制柜、操作臺和現(xiàn)場儀表在布線時，要信號線與動力線嚴格分開，無法分開的地方控制線要求穿管，以防動力電源干擾控制信號。

2. 4 參數(shù)設定操作
系統(tǒng)具有電腦操作和控制柜手動操作，而電腦操作又有手動和自動兩種方式，在自動狀態(tài)下有測量參數(shù)的實際值和人工給定值得選擇。手動運行是通過拖動鼠標條改變藥劑量的添加。選擇自動時系統(tǒng)是根據(jù)流量、濃度、起泡劑設定、捕收劑設定，自動確定藥劑的加入量，此時手動拖動鼠標條是沒用的。藥劑比是由捕收劑除起泡劑運算所得，在自動運行時，需**調整起泡劑設定和捕收劑設定。
3 結語
以呂家坨選煤廠應用前后的對比，在正確使用的情況下，除穩(wěn)定產品煤質量、縮小精煤灰分區(qū)間外，回收 率 可 提 高 1 ～ 1. 5 個 百 分 點，以 選 煤 廠(3. 0 Mt /a) 年處理60 萬 t 浮選煤泥計算，可多產出商品煤 0. 6 ～0. 9 萬 t ，按噸精煤中煤差價 500 元計算，可增加收入300 ～450 萬元 ; 另外還使浮選藥劑的消耗下降了 10 ～15 個百分點，節(jié)省藥劑 180 ～ 270萬元。浮選自動加藥及乳化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了浮選生產過程中參數(shù)的精確實時檢測、內部數(shù)據(jù)浮點運算及精準的藥劑加入量自動控制，實時在線的藥劑乳化及加入，降低浮選藥劑消耗、穩(wěn)定了浮選精煤灰分、提高了浮選精煤產率、減輕了工人勞動強度。該系統(tǒng)通過多種網絡接口可實現(xiàn)與全廠自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，下一步可結合浮選精煤灰分和尾礦灰分的測量，采用大數(shù)據(jù)處理技術構建浮選灰分智能控制閉環(huán)，實現(xiàn)浮選精煤灰分的在線測控，對提高選煤廠的運行質量和經濟效益有較大的意義。

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