跳汰机床层松散度监控与风阀智能模糊控制系统设计

杜文杰

（霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿白龙洗煤厂，山西 霍州 031400）

1 前言

洗煤在煤炭工业中占据很重要的位置，其中跳汰洗煤则是其中最有代表性的一种工艺手法，在国内洗煤行业占有50%的份额，跳汰机为其中最为关键性的设备之一。跳汰工艺好坏很大程度上取决于跳汰机的各个控制系统，床层松散度状态监测为其中的核心系统。目前白龙洗煤厂由于传统跳汰机的松散度识别限制，导致无法很好地适应松散度变化的煤层，造成原煤的大量浪费，增加了企业的成本。为了更好地实现洗煤工艺的精进，同时为了响应国家节能号召以及适应日益精进的智能技术，以白龙洗煤厂为研究对象，从床层的松散度状态监测出发，结合模糊控制算法，设计一套松散度监控风阀智能模糊控制系统[1-4]，旨在提高原煤的分选煤质量，节约资源，提高效益。

2 跳汰机松散度概述

2.1 理论概述

床层松散为煤料在洗选跳汰过程中床层在吸气排气以及水流冲击综合作用下的效果，床层松散度即为在整个跳汰床层中除去煤层以外其余部分所占的百分比[5]。其定义式如下所示：

式中：m为床层松散度，%；V为整个跳汰层体积，m3；V0为跳汰层中煤层体积，m3。

2.2 床层松散度的影响因素

松散度作为洗煤过程中的重要参数，其会直接对跳汰机的分层效果产生影响。为了实现床层的分层效果，其床层必须达到一定的松散程度，而性质差异越大的粒子之间其松散程度越好，所以床层松散与跳汰分层密切相关。为了达到最佳的洗选状态，其床层必须有最合适的松散状况。煤料的分层过程一般是：将原煤混料投入跳汰机中，其中会存在部分密度较低的物质被压在下层，部分密度较大的物质被挤在上层，经过跳汰以后，物质会在自身比重之下，上浮或下沉，而为了保证物质上浮或下沉顺畅进行，则需要保证床层有合适的松散度来降低物质在上下移动过程中的碰撞。

在原煤的洗选跳汰过程中其风压、水压以及跳汰的频率以及周期、幅度等都会直接影响床层的松散度，是调节松散度的关键因素，很大程度上决定了洗煤工艺系统的运行状况。根据查阅资料可知，在洗选过程中通过分析调节水流的状况进而改变床层的松散度。

水流的脉动是由上升与下降两部分组成的，即向上水流从静止加速至最大速度与下降至零位以及向下水流从静止加速至最大速度与下降至零位。当上升水流加速过程中床层被托起，尽可能将密度较大的物质产生位移，使得床层下部达到一定的松散，而上升水流减速时，床层由于被托举至完全脱离筛板后缓慢减速从而使得床层松散均匀充分；同理当下降水流加速向下时，密度较低的煤粒开始下降，此阶段中床层的松散度会达到最佳，故应适当增加此阶段的时长，当下降水流减速时，此阶段会将体积大的煤块与煤矸石压实，降低松散度，因此需要缩短该阶段的时长。

在洗煤过程中，风压的设置与配合在很大程度上也会影响床层的松散度。针对系统的参数和运行状态合理的调配各风阀进气、排气的最佳比例，使床层达到合适的松散度。首先需要合理的安装空气阀组，在跳汰机的矸石区与中煤区空气室总共安有3组空气阀。由于矸石重量大、体积大，为了将其托起所需的压力较大，因此此段中设置两组气阀，中煤区则只需要安装一组气阀即可。压力较大的气阀可以选择与高低压风包相连，而所需压力较小的气阀则可选择连接一个风包即可。通过气阀的开关交替实现气流的吸入和排出，从而实现水流的脉动。故在进行床层的跳汰时需要根据不同煤质对应的不同松散度来调节气阀的工作时间，才能提高洗选效率。

2.3 床层松散度的检测方式

在图1所示的跳汰室中，分布着矸石、中煤以及精煤等物质，各物质由于密度以及体积的不同，其松散度也是各异的。为了提高洗选效率，在执行跳汰周期前，应该对室内物质的松散度进行检测，根据检测结果进行参数调整。根据松散度的定义式可知，松散度可以通过测量床层各段高度来进行表示，在跳汰机内放入5个密度可调的浮标，根据各段物质的密度来调整浮标的密度，再通过超声波测量各层浮标的高度来检测床层各段的高度，从而得出各层的松散度。现以矸石层为例进行计算（其余层类比）。矸石层浮标放置示意图如图1，其中，A为矸石的位置，B为煤层的位置，C为水位。

图1 矸石层浮标位置侧视与俯视图

式中：s为跳汰室的横截面积，m2；h1为矸石层原高度，m；dh1为松散后矸石层浮标上升高度，m。

故其矸石层的松散度公式如下：

3 模糊控制基础

在洗选煤过程中，影响洗选效果的变量数量多，每个变量之间都存在相互的关联，且大多为非线性的关系，煤层与煤质存在瞬变性，因此传统的数学控制模型无法满足这种情形的使用。为了更好地适应这种多变的外部影响，选择使用模糊控制方法来进行控制。

模糊控制其实就是当变量关系呈现非线性时，将人的经验作为控制的模型，以模糊逻辑推理以及语言变量的数学类工具，通过计算机进行智能控制的方法。模糊控制系统与一般的控制系统的区别在于系统选择模糊控制器且由计算机来实现，通过A/D及D/A转接口来实现与计算机的互联与转换。系统控制图如图2。

图2 系统控制框图

4 松散度模糊控制系统设计

4.1 系统硬件设计

以白龙洗煤厂为研究对象，结合煤质的特点，进行系统的硬件设计。首先基于控制模糊理论建立松散度控制系统。松散度模糊控制系统是基于气阀与床层松散度的关系，从而实现气阀各参数的自动调节，将松散度控制在最适合的范围内。其系统主要由厚度检测、信号转换模块、PLC、气阀驱动组成，具体联系图如图3。在具体实施过程中，系统控制必须提前连接地线，在电源中增加滤波装置，保证电流的质量。

图3 模糊控制系统的工作联系图

系统信号接入模块中，将超声波检测连接厚度检测传感器与水位高度传感器，将采集的信号通过A/D转换模块，转换为数字信号发送至系统模糊控制器（载体PLC）中，经过模糊算法，控制气阀驱动的输出。气阀驱动是由半导体晶体管与继电器等元器件组成，进行信号的转换，驱动气阀动作。气阀为电磁控制，主要由气路设备、数控装置以及气阀三部分组成。触摸屏显示选择三菱公司的可视化编程触摸屏，可以实时显示气阀的参数以及跳汰周期等的动态运行曲线，同时还可以将数据实时传输至数据库中，进行数据共享。上位机与PLC之间是将RS-485通讯模块作为中间桥梁来实现转换连接。

4.2 系统软件设计

跳汰机风阀智能模糊控制系统软件设计主要分为3部分：PC与PLC互通模块、气阀的控制部分、模糊控制部分。PC与PLC的互通部分，采用传统的串口通信模式，将PC的指令转化为PLC各元器件执行的数据与状态，同时也可以将PLC的数据信号回传PC端进行分析以及监测。如下简单介绍一种串行指令的助记符号RS，RS的使用方式见表1。

表1 RS的使用方式

为了最大程度地提高气阀的控制精度，在设计系统时采用了定时的功能，定时中断响应。确定跳汰的频率后，其跳汰的周期会确定下来，设定进气、排气以及膨胀期后，休止期的时长为周期与其余进程做差，进行自动调整，同时在相同的时间间隔中设定中断次数，程序一旦经过中断处，气阀动作立即终止。

模糊控制设计采用一对二、一对多的控制器，将矸石层、煤层的实时松散度与具有良好分层效果的理论值做差以及差值的变化率作为输入信号，通过模糊算法将其进行模糊化，输出各气阀的参数，实现系统的模糊化控制，进而提高原煤的洗选质量。

5 系统应用分析

跳汰机内床层的厚度影响着松散度的变化，进而导致分层破坏。通过监测床层的松散度，经过模糊控制系统进而控制水压以及风阀，从而调节床层不同位置的松散度。其中煤矸石层前后段将松散度保持在0.2～0.4，煤层将松散度维持在0.25～0.45间，进而实现最佳的分层效果，提高跳汰机的工作效率。目前在洗煤厂小范围使用下，同样是10 t的原煤，采用传统的跳汰分层出煤量仅能达到目前模糊系统分层煤量的80%，增加了试用车间出煤量，同时节约了成本。

6 结语

跳汰洗煤作为洗煤工艺中最有代表性的一种手法，占有很大的份额，跳汰洗煤的工艺好坏很大程度决定了洗煤业的质量。以白龙洗煤厂为研究对象，设计了一款松散度监控与风阀智能模糊控制系统。该系统目前处于小范围适用性使用阶段，预计全厂使用后将会实现成本节约达到30%。该系统将跳汰洗煤质量的床层松散度状态作为研究重点，分别从床层的松散度状态监测出发结合模糊控制算法，设计一套松散度监控风阀智能模糊控制系统，在一定程度上可以提高分选煤质量，节约不可再生的资源，提高企业的经济效益。