摘要：介紹了重介淺槽分選自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制算法、功能及特點(diǎn)，并分析了該系統(tǒng)在五龍礦選煤廠重介淺槽分選工藝中的應(yīng)用情況。實(shí)踐應(yīng)用表明：重介淺槽分選自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，易于維護(hù)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：重介淺槽分選；自動(dòng)控制系統(tǒng)；密度控制；模糊算法

五龍煤礦選煤廠于1957年6月建成投產(chǎn)，采用篩分--手選工藝，年原煤處理能力為150萬(wàn)噸。經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)能改造和工藝完善后，生產(chǎn)能力達(dá)到300萬(wàn)t/a。隨著煤層賦存條件的變化及綜采技術(shù)的應(yīng)用，入洗原煤煤質(zhì)變差，原煤矸石含量越來(lái)越大，原煤生產(chǎn)系統(tǒng)存在的問(wèn)題越來(lái)越突出，尤其是準(zhǔn)備車間的篩分破碎工藝已無(wú)法滿足正常的排矸要求，排矸效率低，帶煤損失嚴(yán)重，制約了礦井與選煤廠的生產(chǎn)。為了適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的需求和煤質(zhì)與市場(chǎng)的變化，五龍礦選煤廠在充分調(diào)研、論證的基礎(chǔ)上，對(duì)原煤車間進(jìn)行技術(shù)改造，采用了粗煤泥分選和XZQ1635型重介質(zhì)淺槽排矸工藝，并對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，從而使原煤分選過(guò)程全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，達(dá)到提質(zhì)增收的目的。

1.重介淺槽自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1硬件配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)重介淺槽分選工藝的要求，考慮到數(shù)字量、模擬量處理量大，電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、閥門(mén)操作頻繁，大功率變頻器控制要求高，供電電源受變頻諧波干擾，順控程序復(fù)雜且需要靈活調(diào)整等因素，選用西門(mén)子公司S7-300系列模塊化PLC和ET200M 分布式I/O構(gòu)建控制系統(tǒng)。其中，CPU為315-2DP， I/O模塊按帶電熱拔插設(shè)計(jì)，每個(gè)I/O模塊均安裝在熱插拔底板模塊上，更換任意一個(gè)I/O模塊時(shí)都不會(huì)影響其他模塊的正常工作。CPU、分布式I/O模塊設(shè)置在配電室的威圖柜內(nèi)，PLC接地需單獨(dú)做儀表接地極，與電氣地完全隔離。機(jī)柜中的PLC系統(tǒng)直流電源采用1+1冗余設(shè)計(jì)，直流電源允許并聯(lián)使用，而且不必停機(jī)即可更換。PLC系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一由長(zhǎng)延時(shí)的在線式UPS供電，現(xiàn)場(chǎng)的一次儀表信號(hào)通過(guò)信號(hào)隔離器接人相應(yīng)的模擬量模塊通道，AO模擬量輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔離器隔離后控制變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)、電動(dòng)執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作、故障狀態(tài)DI信號(hào)經(jīng)中間繼電器隔離后接入數(shù)字量模塊通道，DO信號(hào)經(jīng)輸出繼電器控制設(shè)備啟停。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三層結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控管理級(jí)（上位機(jī)）、過(guò)程控制級(jí)（PLC控制器）和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）。第一層監(jiān)控級(jí)采用工程師站和操作員站結(jié)構(gòu)，工程師站/操作員站配置兩套DELL工業(yè)計(jì)算機(jī)，采用西門(mén)子公司組態(tài)軟件WinCC6.2SP2RT/RC1024實(shí)現(xiàn)對(duì)淺槽重介選煤過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)以太網(wǎng)卡和SCALANCE X204-2與CPU315-2DP進(jìn)行TCP/IP以太網(wǎng)通訊， 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)預(yù)留兩個(gè)光纖接口，以便于與廠級(jí)管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊。第二層是過(guò)程控制級(jí)， CPU通過(guò)ET200M對(duì)密度、液位、壓力、磁選尾礦中磁性物含量、頻率、流量、閥位等參數(shù)實(shí)時(shí)采集，并利用PR0FIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊至工程師站/操作員站的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。第三層是現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，一方面將設(shè)備電動(dòng)機(jī)變頻頻率、工作電流、密度、液位等數(shù)據(jù)通訊到主站PLC的寄存器中，另一方面將主站對(duì)設(shè)備頻率、壓力、開(kāi)度、液位、接觸器吸合與斷開(kāi)的控制數(shù)據(jù)發(fā)到目標(biāo)裝置。

1.2特點(diǎn)

五龍礦選煤廠淺槽重介自動(dòng)化系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、可靠。淺槽重介自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)均采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)、控 制算法及完善、可靠的抗干擾技術(shù)，系統(tǒng)投產(chǎn)后一直運(yùn)行正常。

（2）系統(tǒng)投資費(fèi)用低。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用ET200M遠(yuǎn)程PLC控制分站與現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備接線，PLC威圖柜體與低壓配電柜體并柜安裝，既節(jié)省大量纜線投資，又減少了電氣 安裝的工作量。

（3）系統(tǒng)維護(hù)工作量減少，效率得到提高在集控室操作員站計(jì)算機(jī)上就可直觀發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備的故障原因，比如接觸器誤動(dòng)作、變頻器故障、電動(dòng)機(jī)綜保故障等，大大縮短了設(shè)備維護(hù)時(shí)間，提高了工作效率，將影響生產(chǎn)的時(shí)間降至最少。

2.控制算法

2.1 PID閉環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制點(diǎn)如密度、液位、壓力、頻率等使用PID閉環(huán)控制算法。工程師站中西門(mén)子PLC編程軟件采用的是SIMATIC STEP 7 V5. 4 SP3.1，其中的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（Standard Library）中有一個(gè)預(yù)定義的SFB41/FB41，就是實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制算法的功能塊，可直接調(diào)用，調(diào)用時(shí)賦予一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊 （DB塊）即可。

2.2模糊-PI 雙模控制器設(shè)計(jì)

淺槽重介變頻排矸等復(fù)雜多變的被控對(duì)象采用 PID控制應(yīng)用效果不理想，應(yīng)尋找更有效的控制方法。模糊控制算法能根據(jù)原煤中矸石含量調(diào)整排矸量，最大限度地提高淺槽重介設(shè)備利用率、降低設(shè)備磨損。

傳統(tǒng)的模糊控制器以系統(tǒng)誤差 e 和誤差變化ec 為輸入語(yǔ)句變量，具有類似常規(guī)的比例微分（Proportional Differential，PD）控制器的特性。由于PD 控制器可以獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，但無(wú)法消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。而傳統(tǒng)的比例積分（PI）控制器具有很高的穩(wěn)態(tài)精度，并且具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

因此，本系統(tǒng)結(jié)合模糊控制器與 PI控制器的各自優(yōu)點(diǎn)采用了一種模糊-PI雙模控制器。其由PI控制器和基本模糊控制器組成?；灸：刂破髦饕瓿蓪?duì)系統(tǒng)的非線性控制；PI控制器主要完成當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于零時(shí)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)和較小的穩(wěn)態(tài)誤差。兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。PI控制器與模糊控制器相結(jié)合的雙模模糊控制器的原理框圖如圖（1）。

圖中的特征識(shí)別主要是針對(duì)系統(tǒng)的誤差而言：

a. 當(dāng)|e|

b. 當(dāng)|e|>es時(shí)，系統(tǒng)處于PI控制器控制模式，以克服當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于零時(shí)，模糊控制器可能產(chǎn)生的震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差。

誤差絕對(duì)值的設(shè)定es的選取要適當(dāng)。es太大，基本模糊控制器作用的程度較大，要注意克服系統(tǒng)可能引起的震蕩現(xiàn)象；es太小，基本模糊控制器作用的程度較小，它對(duì)系統(tǒng)的非線性控制作用不太明顯。

模糊控制器設(shè)計(jì)所涉及的五個(gè)主要步驟為：模糊化、建立模糊推理規(guī)則、確定規(guī)則信度、選擇關(guān)系生成方法和推理合成算法以及反模糊化。

以密度控制為例：其輸入變量為密度誤差和誤差變化率，輸出變量為電流。

隸屬函數(shù)部分定義了密度誤差和誤差變化率2個(gè)變量，這兩個(gè)語(yǔ)言變量都包括了5個(gè)語(yǔ)言值：NM、NS、ZE、PS、PM。2個(gè)輸入變量論域范圍相同，都是[-3 3]，所采用的隸屬函數(shù)也相同，并且每個(gè)隸屬函數(shù)都選用等腰直角三角形隸屬函數(shù)，密度誤差、誤差變化率和輸出變量量化因子選為10（實(shí)際中，輸入、輸出量化因子Ke、Kec以及輸出比例因子Ku可調(diào)），輸入變量的隸屬函數(shù)如圖（2）：

NM=negative medium（負(fù)中）；NS=negative small（負(fù)?。籒E=zero（零）；PS=positive small（正小）；PM=positive medium（正中）。

模糊規(guī)則表的建立：密度誤差（Theta）和誤差變化率（dTheta）作為模糊邏輯系統(tǒng)的輸入變量。電流作為模糊邏輯系統(tǒng)的輸出變量。這樣，Thera、dThera和電流根據(jù) “if a and b，then c”規(guī)則。

PLC編程軟件SIMATIC STEP 7 V5.4標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) （Standard Library ）中沒(méi)有模糊控制塊，可根據(jù)模糊算法在PLC里自行編寫(xiě)模糊控制程序。自行編寫(xiě)的程序功能完善、靈活、精練，測(cè)試完成后封裝成功能塊FC塊（Function Block），方便調(diào)用。編寫(xiě)模糊控制程序需注意如下問(wèn)題：手動(dòng)、自動(dòng)雙向無(wú)擾動(dòng)切換，以保證手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)無(wú)影響；控制輸出值上下限幅在人/機(jī)界面HMI上可調(diào)整，保證設(shè)備運(yùn)行在安全范圍內(nèi)；輸入量因子Ke、Kec、輸出比例因子Ku等調(diào)節(jié)參數(shù)在人/機(jī)界面HMI上可調(diào)整，符合現(xiàn)場(chǎng)人員的操作習(xí)慣；模糊控制程序要下載到PLC存儲(chǔ)器中，在 定時(shí)中斷中調(diào)用，保證系統(tǒng)自動(dòng)控制功能的穩(wěn)定、精準(zhǔn)、可靠運(yùn)行。

2.3模擬量濾波程序

由于重介懸浮液密度、液位、壓力、流量、頻率、閥位反饋等模擬量在運(yùn)行中受到變頻器等非線 性元件的電源諧波和現(xiàn)場(chǎng)EMC等作用，測(cè)量值中夾雜一些干擾信號(hào)，影響PID、模糊閉環(huán)控制效 果，為此在硬件上采取信號(hào)隔離技術(shù)的同時(shí)，在軟件上增加模擬量數(shù)字濾波算法。采取的算法是改進(jìn) 的算術(shù)均值濾波法，即每個(gè)模擬量在一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣N次，首先對(duì)這N個(gè)數(shù)值進(jìn)行排隊(duì)，剔除最大值和最小值，然后對(duì)剩余數(shù)值取算術(shù)平均值，做為實(shí)際的模擬量采集值。由于N次采樣中連續(xù)幾次受干擾的可能性很小，故可有效地消除隨機(jī)干擾的影響。

3.系統(tǒng)功能

3.1主要控制功能

（1）順序控制功能。淺槽重介分選工藝是一個(gè)典型的以時(shí)間為基礎(chǔ)，以各個(gè)環(huán)節(jié)檢測(cè)執(zhí)行為條件的順序控制。自動(dòng)化系統(tǒng)的功能是完成所有設(shè)備順序、步驟、各控制點(diǎn)及安全聯(lián)鎖等一系列相互關(guān)聯(lián)的操作，每一順序中含有不同的操作步驟和控制要點(diǎn)。設(shè)備集中控制程序嚴(yán)格按國(guó)標(biāo)GB50359—2005《煤炭洗選工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求編制，并經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試合格后投入使用。

（2）重介懸浮液密度控制功能。介質(zhì)密度控制跟蹤精煤產(chǎn)品灰分，灰分高時(shí)降低密度，灰分低時(shí)提高密度。重介懸浮液密度自動(dòng)控制是一個(gè)以精煤產(chǎn)品預(yù)期灰分下的密度為設(shè)定值，密度實(shí)際檢測(cè)值為反饋信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)合介與稀介之間分流量，輔助以調(diào)節(jié)合介桶的補(bǔ)水量來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定密度穩(wěn)定的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（3）液位控制功能。合格介質(zhì)桶、磁選尾礦桶設(shè)有液位檢測(cè)儀，在PLC控制程序中統(tǒng)一考慮密度和液位的自動(dòng)控制。當(dāng)重介懸浮液密度達(dá)到要求時(shí)，合格介質(zhì)桶液位的高低決定系統(tǒng)中是否補(bǔ)充 磁鐵礦粉。液位過(guò)高，合格重介質(zhì)的密度肯定降低，應(yīng)加大分流量進(jìn)行濃縮，此時(shí)，密度和液位自動(dòng)控制的動(dòng)作一致。

（4）合介泵出口壓力控制功能。合格介質(zhì)泵出口管線上設(shè)有壓力變送器，實(shí)時(shí)檢測(cè)合格介質(zhì)流量的壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)合介泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)淺槽重介分選過(guò)程中合格介質(zhì)上升流、水平流流量的調(diào)節(jié)，由于合介泵采用變頻調(diào)速技術(shù)，在滿足淺槽重介系統(tǒng)正常生產(chǎn)的前提下達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

3.2系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是一個(gè)非常重要的過(guò)程，也是不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的過(guò)程。PLC編程軟件SIMATIC STEP 7提供了十分完善的調(diào)試手段，選擇在線監(jiān)控，可十分直觀地觀看程序執(zhí)行情況、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況。由于采用結(jié)構(gòu)化編程，整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)按工藝流程分為各控制子部分，各個(gè)子部分編程為各不相同的系統(tǒng)功能塊（FC塊）。在主程序（OB1） 中可根據(jù)工藝條件調(diào)用各功能塊，分別控制各子部 分的設(shè)備動(dòng)作，完成系統(tǒng)的工藝需求和控制要求。在出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)查詢?cè)\斷緩沖區(qū)信息，能很快查明故障原因。可隨時(shí)修改功能塊（FC塊）程序，向CPU內(nèi)存下載程序不需CPU停機(jī)即可完成，特別適合中、大型自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)可對(duì) PLC系統(tǒng)采集的密度、壓力、液位、頻率、調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度等模擬量參數(shù)進(jìn)行多次校正，確定設(shè)定參數(shù)，最終達(dá)到最佳效果；系統(tǒng)密度、壓力、液位的控制精度穩(wěn)定在設(shè)定值±0.5%之間，滿足工藝系統(tǒng)要求。

4.應(yīng)用效果

五龍礦選煤廠淺槽重介自動(dòng)化系統(tǒng)包括設(shè)備集中控制、重介懸浮液密度控制、介質(zhì)桶液位控制、合介泵變頻控制、空壓機(jī)自動(dòng)控制等。該系統(tǒng)投用后，排矸效率明顯提高，分選密度調(diào)節(jié)范圍寬、精度高、易調(diào)節(jié)，解決了矸石量大制約選煤生產(chǎn)的問(wèn)題。其配套輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，減少了操作人員，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，洗選能力相應(yīng)提高，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡(jiǎn)介：

韓彥春（1983—），女，遼寧阜新人，工程師，碩士研究生，主要從事電力電子、機(jī)電控制等工程設(shè)計(jì)方面的研究。