选煤厂机械搅拌式浮选机智能控制系统的研究.pdf

煤炭洗选加工选煤厂机械搅拌式浮选机智能控制系统的研究程 开(中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司,天津 300120)摘 要:阐述了选煤厂机械搅拌式浮选机的基本结构和工作原理,分析了其控制系统目前存在的问题。提出机械搅拌式浮选机智能控制系统的概念,并介绍了该控制系统的组成和原理,展望该控制系统的发展方向,采用物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、专家知识和经验等与煤炭开发技术装备进行深度融合,形成自主感知、实时高效互联、自主学习、智能分析决策、动态预测预警、协同控制的智能系统。希望该控制系统能够得到行业和市场的认可,促进智能化选煤厂的发展。关键词:选煤厂;机械搅拌式浮选机;智能控制;浮选加药控制;智能决策中图分类号:TD943 文献标识码:A 文章编号:1005-8397(2023)06-0006-07Research on intelligent control system of mechanical agitation flotation machinein coal preparation plantCHENG Kai(China Coal(Tianjin)Underground Engineering Intelligent Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300120,China)Abstract:This paper introduces the basic structure and working principle of mechanical agitation flotation machine in coal preparation plant,analyzes the problems existing in the control system of mechanical agitation flotation machine in coal preparation plant,and puts forward the concept of intelligent control system of mechanical agitation flotation machine;The composition and principle of the intelligent control system for mechanical agitation flotation machine are introduced;It is hoped that the control system can be recognized by the industry and the market,and can be popularized and applied,which can promote the control system of mechanical agitation flotation machine from automation to intelligence.At the end of the paper,it is pointed out that the current intelligent level of stand-alone equipment is relatively low and needs to be improved.Keywords:coal preparation plant;mechanical stirring flotation machine;intelligent control;flotation dosing control;intelligent decision-making收稿日期:2023-03-06 DOI:10.16200/ki.11-2627/td.2023.06.002作者简介:程 开(1978),男,河北三河人,2003 年毕业于河北农业大学农业机械化及其自动化专业,工学学士,中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司洗选装备研究所高级工程师。引用格式:程 开.选煤厂机械搅拌式浮选机智能控制系统的研究 J.煤炭加工与综合利用,2023(6):6-12.目前选煤厂所用浮选设备包括机械搅拌式浮选机、浮选柱(床)、喷射式浮选机和微泡浮选机,以及国外引进的 IF 浮选机、詹姆森浮选柱、威姆科浮选机和德国 KHD 微泡浮选机等。以机械搅拌式浮选机为主,约占 80%,其次为浮选柱约占 15%,喷射式浮选机约占 5%1。本文以选煤厂应用最多的机械搅拌式浮选机为研究对象,介绍其基本结构和工作原理,在此基础上,分析了其控制系统存在的问题,主要有缺少检测设备和电动执行型机构、浮选加药控制方法落后、日常维护量大、缺少有害气体检测等,提出机械搅拌式浮选机智能控制系统的概念,并设计了该控制系统的组成。1 选煤厂机械搅拌式浮选机的基本结构和工作原理1.1 机械搅拌式浮选机的基本结构常见机械搅拌式浮选机外形如图 1 所示,结6煤炭加工与综合利用 CAL PROCESSING&COMPREHENSIVE UTILIZATION No.6,2023构如图 2 所示,主要由槽体、搅拌机构、刮泡机构、尾矿提升装置、假底稳流装置、驱动机构等组成2。图 1 机械搅拌式浮选机外形1.2 机械搅拌式浮选机的工作原理搅拌结构和矿浆流态图如图 3 所示2,在浮选机槽体中,搅拌机构带动叶轮以一定速度旋转,矿浆从上部进入叶轮,在离心力的作用下高速甩出,叶轮上部形成负压区吸入空气和浮选药剂。叶轮将矿浆、空气、浮选药剂充分混合搅拌,形成循环矿浆。空气和浮选药剂在循环矿浆中形成大量气泡,煤粒附着于气泡,随气泡上升至水面,形成泡沫层,采用刮泡机构收集泡沫层至精矿收集槽,矸石颗粒滞留在煤泥水中,从尾矿排出,从而实现煤与矸石的分离3。图 2 机械搅拌式浮选机结构图 3 搅拌结构和矿浆流态2 机械搅拌式浮选机控制系统存在的问题2.1 缺少检测设备随着计算机技术的进步以及 PLC 的广泛应用,国内选煤厂实现了设备的集中控制、自动启停,运行信号和电机综合保护器(或热继电器)故障信号检测等基本功能。但是很少有对浮选机各个电机运行电流、电压、轴承温度、转速的检测,更没有对搅拌机构和刮泡机构转速、轴承温度的检测,以及对减速机温度4、设备振动、设备噪声等的检测。浮选过程是一个复杂的过程,影响因素多,为了使精矿灰分和尾矿灰分满足生产要求,需要浮选岗位工人现场观察浮选机液位高度、泡沫层状态和流速、尾矿灰分等,然后人工调整浮选药剂量、进气量,手动调整尾矿提升机构等。选煤厂很少安装液位检测、进气量检测、灰分检测设备,泡沫层状态和流速(一般采用图像分析的方法5)也很少有选煤厂去尝试检测。2.2 尾矿闸板提升装置未采用伺服执行机构尾矿闸板提升装置是控制浮选机尾矿闸板升降的装置,通过丝杠机构带动尾矿闸板升降,控制浮选机内的矿浆液位。在选煤厂,浮选机的尾矿闸板提升装置大多未采用伺服执行机构。但是在金属选矿厂,采用气动执行机构的尾矿提升装置应用已经比较普遍6。伺服执行机构的具体过程是集控 PLC 输出 1个 DC420 mA 电流信号(对应尾矿闸板给定位置信号)给尾矿闸板提升装置,尾矿闸板提升装置自动控制尾矿闸板升降,使尾矿闸板实际位置信号(DC4 20 mA)和给定位置信号一致,同时输出尾矿闸板实际位置信号(DC420 mA)给集控 PLC。很多浮选机的尾矿提升装置仍然是现场手轮操作,需要人工去旋转手轮带动尾矿闸板升降。有些浮选机采用了电动丝杠升降机,通过电机正反转的方式,控制尾矿闸板升降,但是也需要人工在现场点击控制箱上的“提升”或“下降”按钮进行控制,而且丝杠升降机很少安装上、下限位行程开关以及检测丝杠升降机位置信号的传感器7。2.3 浮选机进气量控制未安装调节型电动阀门选煤厂机械搅拌式浮选机进气量的控制一般72023 年第 6 期程 开:选煤厂机械搅拌式浮选机智能控制系统的研究靠手动调节进气管路盖板开度的方式,进气管路上基本都没有安装调节型电动阀门,无法实现远程控制。2.4 浮选加药控制方法落后浮选加药控制系统经历了三个阶段:稳定控制、监督控制、最优控制8。(1)稳定控制:也称定量控制,指操作工只需输入 1 个变量设定值,控制系统自动控制执行机构,就能将变量保持在设定值上。例如,将浮选药剂添加量作为设定值,控制系统检测实际药剂流量,然后自动控制药剂泵频率,使实际药剂流量和设定药剂量一致。(2)监督控制:指在稳定控制的基础上,操作员每隔一定时间监督产品指标,然后调整设定值。(3)最优控制:指采用优化技术,按照品位收率曲线将浮选条件控制在经济上能接受的范围内,根据经济因素找到最优的参数组合,自动确定控制变量的设定值。这样的系统就如同一个有丰富经验的操作工一样,参数设定值一直朝着最优的方向调整,后来被称作专家控制系统。目前大多数浮选加药控制系统采用定量控制和监督控制模式,极少有实现最优控制的浮选加药控制系统,其关键原因是缺少浮选精煤灰分实时检测设备(此类设备价格昂贵)。2.5 轴承润滑依靠人工加注润滑剂浮选机转动部件多,注油点多,目前大多采用人工加注润滑剂的方法,存在的问题是设备维护人员工作量大、效率低,且部分机构的润滑点操作很不方便9。以常规 4 槽机械搅拌式浮选机为例,对注油点进行统计,见表 1(搅拌电机、刮泡电机一般 6 个月以上注油 1 次,所以不对其进行统计)。表 1 注油点统计名称数量/套注油点数量/个保养周期/d搅拌机构4815刮泡机构21610总计242.6 缺少有害气体检测以及火灾检测浮选机工作过程中,槽体内的浮选药剂容易挥发到空气中,对人体健康造成伤害,目前还没有对有害气体进行检测和预警,没有设置排出有害气体的除尘、过滤、通风系统。此外,浮选药剂容易引起火灾,还有必要设计火灾报警装置、自动撒水装置等。3 机械搅拌式浮选机智能控制系统的组成和原理机械搅拌式浮选机智能控制系统的组成如图4 所示,由电机启停控制和设备状态监测系统、液位控制系统、进气量控制系统、浮选加药控制系统、自动润滑系统、浮选精矿灰分和浮选尾矿灰分检测系统、智能图像分析系统、专家智能决策系统、健康监测系统、除尘通风系统、火灾监测系统、现场和集控室操作员站(含本地数据库和报表系统)、云数据和云服务等组成。图 4 机械搅拌式浮选机智能控制系统的组成 机械搅拌式浮选机智能控制系统采用物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、专家知识和经验等与煤炭开发技术装备进行深度融合,形成自主感知、实时高效互联、自主学习、智能分析决策、动态预测预警、协同控制的智能系统。3.1 电机启停控制和设备状态监测系统“电机启停控制和设备状态监测系统”示意8 煤炭加工与综合利用2023 年第 6 期图如图 5 所示,包括电机启停控制、电机运行监测、电机故障监测、电机电流监测、电机电压监测、电机轴承温度监测、搅拌机构和刮泡机构轴承温度监测、搅拌机构和刮泡机构转速监测、设备振动监测、清水补水控制(浮选入料浓度过高)、消泡控制等。温度和振动监测可以采用无线通讯的方式,减少电缆布线。无线温度传感器和无线振动传感器一般采用锂电池供电,采样频率 1 min,使用寿命达到 3 a 以上,有防水防尘型。无线传感器的安装方式也很多,可以螺丝固定,可以浇筑预埋,可以抱箍安装。图 5 电机启停控制和设备状态监测系统电机启停控制、电机运行监测、电机故障监测、电机电流监测、电机电压监测可以采用电缆接线的方式,也可以给电机配置电动机综合保护器,并且带 MODBUS TCP 等通讯功能,将各个电机运行、故障、电流、电压等信号上传给集控PLC。3.2 液位控制系统浮选机液位控制系统如图 6 所示,该控制系统结构由液位检测装置、尾矿提升装置、PLC 控制器等部分组成10-12。液位检测装置主要由浮球、连杆、反射盘、激光测距传感器组成;尾矿提升装置主要由尾矿闸板、丝杠、丝杠升降机、电子尺组成;PLC 控制器主要由 PLC、继电器、接触器等组成。液位控制系统工作原理如下:浮球带动连杆和反射盘,随浮选机内矿浆液位变化而上下浮动,激光测距传感器将激光打到图 6 浮选机液位控制系统反射盘,测量传感器和反射盘之间的距离,计算出浮选机内矿浆“实际液位高度”,并且将实际液位传递给 PLC 控制器。PLC 控制器按照“设定液位高度”控制尾矿提升装置“上升”或者“下降”,使“实际液位高度”和“设定液位高度”基本保持一致。尾矿提升装置一般采用三相异步电动机,控制方法一般采用“步进控制”,即每隔一定时间,控制电机“正转”或“反转”运行一定时间。3.3 进气量控制系统进气量控制系统主要由插入式热式气体流量计、电动调节蝶阀、PLC 控制器组成12,控制系统如图 7 所示。图 7 浮选机进气量控制系统进气量控制系统工作原理如下:插入式热式气体流量计安装在浮选机进气管路上,将测量到的“实际进气量”传递给 PLC 控制器;PLC 控制器按照“设定进气量”控制电动调节蝶阀开度“增大”或者“减小”,使“实际进气量”和“设定进气量”基本保持一致。控制方法一般采用“步进控制”,即每隔一定时间,控制蝶阀“打开”或“关闭”一定角度。92023 年第 6 期程 开:选煤厂机械搅拌式浮选机智能控制系统的研究3.4 浮选加药控制系统(1)浮选加药控制系统如图 8 所示。浮选加药控制系统主要作用是完成浮选药剂的自动添加,一般由药剂箱、过滤器、校正柱(量筒)、计量泵、安全阀、脉动阻尼器、压力表、背压阀、水箱、水泵、乳化装置(射流乳化或乳化泵)以及配套的液位计、流量计、浓度计、灰分仪、电动阀门、电控系统等组成。图 8 浮选加药控制系统 (2)浮选加药控制原理:一般通过检测浮选机的入料流量和浓度,计算出干煤泥量,根据吨煤泥药剂消耗量,预测初始加药量13-14。然后通过仪表检测浮选机精矿灰分、尾矿灰分、尾矿浓度、入料矿浆粒度组成等,调整加药量。3.5 自动润滑系统浮选机自动润滑系统按照加油量和加油周期不同,分为 2 个系统:搅拌机构自动润滑系统和刮泡机构自动润滑系统。2 个系统结构一样,只是加油量和加油周期不同。自动润滑控制系统如图 9 所示。一般由多出口电动润滑油泵、润滑油管路、油管分配器、PLC 控制器等组成。图 9 自动润滑控制系统自动润滑控制系统控制原理为:PLC 控制器定期启动润滑油泵电机,并且电机保持运行一定时间。例如间隔 1 h 启动 1 次电机,电机启动时间 10 s。3.6 浮选产品灰分检测系统浮选精矿和尾矿灰分检测采用在线灰分仪。近几年,天津美腾公司的 X 射线矿浆灰分在线检测仪在很多选煤厂进行了应用,检测精度比较高,但是检测周期稍长,330 min 出1 次检测结果。其工作原理为:待测矿浆通过入料管进入设备,经过滤、干燥、压饼、煤样 X 射线检测、数据分析等环节后,检测出灰分并输出数据,检测完成后的煤饼和滤纸落入储料箱,检测管道用清水清洗,清洗污水通过排料管排出,整个过程通过智能控制器实现。3.7 智能图像分析系统智能图像分析系统分为浮选精矿图像分析和浮选尾矿图像分析两部分。(1)浮选精矿图像分析。主要是分析浮选精矿泡沫层的参数,包括颜色、大小、形状、粘度、稳定性、流动性等。研究精煤泡沫灰分、浓度与泡沫特征量(灰度、灰度面积比、能量、熵和惯量)之间的关系以及泡沫颜色参数、气泡个数和大小、泡沫的稳定性和移动速度等泡沫物理参数与泡沫层精矿品位之间的关系15-18。(2)浮选尾矿图像分析。主要是分析矿浆颜色等参数和浮选尾矿灰分的关系。(3)智能图像分析系统一般由工业相机、工业光源、边缘计算服务器、显示器、网络交换机01 煤炭加工与综合利用2023 年第 6 期等组成,如图 10 所示。其原理是工业相机不断将采集到的图像上传到边缘计算服务器,边缘计算服务器调用图像分析软件和算法程序对大量图像进行数据分析,得出指导浮选生产过程的结论。同时,智能图像分析系统还可以用作火灾感知与定位19。图 10 智能图像分析系统组成3.8 专家智能决策系统专家智能决策系统是基于专家的知识和经验,通过人工智能、大数据、机械自学习算法等进行推理,达到专家解决问题的能力。专家智能决策系统涵盖了电机启停控制和设备状态监测系统、液位控制系统、进气量控制系统、浮选加药控制系统20等各个子系统,是自动控制向智能控制的发展。随着“智能化选煤厂建设通用技术规范”的实施,提升选煤厂智能化水平,实现煤炭行业高质量和本质安全发展,成为国有大型煤炭企业负责人、专家学者共同关注的焦点。智能化建设任重道远,智能化建设不是一蹴而就的,必须不断地更新升级。3.9 健康监测系统3.9.1 有害气体监测大多数浮选药剂如烃类、醇类、醚类、酚类等均具有挥发性、毒性。对浮选药剂的研究以前仅考虑了药剂带来的经济效益,很少考虑由此给人类和环境带来的危害和影响。当浮选药剂随废液排出或随产品带走时,对环境会造成极大危害。近年来,随着人们环保意识的提高,浮选药剂也引起了人们的关注,促使人们采取各种措施来减少药剂对人员健康的危害和对环境的污染。首先优选低毒高效浮选药剂,并且严格控制浮选药剂用量;其次对有害气体进行监测,超过标准要进行预警,疏散人员,并且采取过滤、通风等措施降低有害气体含量;同时为了保护岗位工人,对于易产生有害气体的场所,工人需要佩戴防毒面具。3.9.2 噪音监测刮泡机构轴承损坏、搅拌机构轴承损坏、搅拌机构传动胶带磨损、搅拌机构胶带轮松动、搅拌机构胶带轮或胶带碰到防护罩都会产生噪声。各种事故声音的时域和频域特征与正常运行时的声音不同,可以通过拾音设备实时监测系统声音,通过声音的频率、幅度、短时能量等特征参数分析感知事故并报警21。3.10 除尘通风系统除尘通风系统的作用是将粉尘和挥发到空气中的浮选药剂气体排出厂房,减少对工作人员的危害。浮选机附近粉尘很少,除尘通风可以采用抽排风机排出粉尘和有害气体22-24。3.11 火灾监测系统火灾监测方法主要有温度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、氧气等传感器监测、分布式光纤测温、红外测温、可见光图像和红外图像监测等19。3.12 现场和集控室操作员站(1)现场操作员站。一般采用触摸屏和 PLC控制器通讯,现场巡视时,可以实时显示和切换各个子系统、控制设备启停、查看报警信息和历史数据等参数。(2)集控室操作员站。一般配置工业计算机和显示器,工业计算机和 PLC 控制器通讯,可以实时显示和切换各个子系统、控制设备启停、查看报警信息和历史数据等参数。集控操作员站可以作为本地数据库,存储历史数据,进行数据分析,生成报表等。3.13 云数据和云服务随着物联网、大数据、云计算等技术的进步,设备的温度、振动、电压、电流、转速、进气量、药剂用量、润滑油用量等数据都可以上传到云端大数据,设备厂家可以通过云计算,预测设备的健康状态,使用寿命等,还可以通过短信、电子邮件、微信公众号等方式告知用户。112023 年第 6 期程 开:选煤厂机械搅拌式浮选机智能控制系统的研究4 结 语现阶段提出了逐步建成智能化选煤厂的目标,这是一个长期过程,这个过程需要选煤厂、设计院、自动化厂家、互联网公司、设备厂家等共同参与完成。建设智能化选煤厂,离不开单机设备的智能化,但是,目前单机设备的智能化水平还比较低。单机设备厂家一般要考虑设备成本因素,参与市场竞争,因此,温度、振动、转速等传感器很少安装。此外,缺少单机设备的智能化标准,这也是影响单机设备智能化发展的重要原因。参考文献1 石 焕,程宏志,刘万超.我国选煤技术现状及发展趋势 J.煤炭科学技术,2016(6):169-174.2 张 财,宋云霞.XJM-S 系列浮选机研究现状及应用J.洁净煤技术,2021,27(S2):127-130.3 张鹏.45m3机械搅拌式浮选机的设计与应用 J.洁净煤技术,2014,20(4):11-14.4 孙玉涛.XJM 系列浮选机常见机械故障诊断与排除J.选煤技术,2014(3):25-28.5 王庆凯,高 嵩,万洪涛,等.泡沫图像分析仪在浮选控制中的应用 J.中国矿业,2015,24(S2):194-197.6 武 涛,杨文旺,李 强,等.大型充气机械搅拌式浮选机控制系统的设计与应用 J.有色金属:选矿部分,2012(5):62-66.7 王占富.智能化浮选控制系统在王家岭选煤厂(二期)的应用 J.煤炭加工与综合利用,2022(7):21-26.8 宋晓明,杨保东,武 涛,等.浮选过程控制的历史发展和现状 J.有色金属:选矿部分,2011(B10):223-228.9 刘彦华,谢 坤,张于超.浮选机自动润滑系统在车集选煤厂的应用 J.煤炭加工与综合利用,2015(9):64-65.10 李映根,周俊武,徐 宁.KYF-200 型浮选机液位自动控制系统的研究与应用 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