智能感知+自動控制 → 選煤廠智能重介系統(tǒng)大揭秘

2025年01月21日 17:41 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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為了推進重介分選智能化和智能重介密控系統(tǒng)優(yōu)化升級，針對目前傳統(tǒng)選煤廠現(xiàn)狀，通過在線測灰，重介系統(tǒng)設施升級等措施，結(jié)合自學習和自適應控制方法，自動控制懸浮液的分流量，智能調(diào)節(jié)分選密度，實現(xiàn)智能補介，研發(fā)了智能控制感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。將自動控制與人工智能相結(jié)合，根據(jù)生產(chǎn)要求自主調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程，實現(xiàn)重介分選系統(tǒng)的智能化。

文章來源：《智能礦山》2024年第12期“學術(shù)園地”專欄

第一作者：江鵬，高級工程師，中煤科工集團南京設計研究院有限公司選煤所所長，主要從事工程咨詢設計與項目管理工作。E-mail：378913077@qq.com

作者單位：中煤科工集團南京設計研究院有限公司

引用格式：江鵬. 重介分選和重介密控系統(tǒng)的智能化研究[J].智能礦山，2024，5(12)：81-86.

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我國選煤廠智能化建設在生產(chǎn)管理與基礎平臺方面的智能化進展較快，但對于選煤智能化的核心在生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面亟須加強，煤炭重介分選智能化建設階段尤為重要。選煤廠智能化建設重點為推進高精度煤質(zhì)在線檢測、智能分選控制，實現(xiàn)全流程智能監(jiān)測、決策與控制。

重介分選存在的問題

重介分選智能化是指采集重介懸浮液密度、煤泥含量等工藝變量，通過自動補水、自動分流和自動加介，實現(xiàn)重介懸浮液密度的智能控制，以重介產(chǎn)品質(zhì)量實時檢測為依據(jù)，實現(xiàn)重介懸浮液密度自設定。重介分選智能化涵蓋補介自動化、桶位平衡控制、介質(zhì)凈化回收監(jiān)測監(jiān)控等內(nèi)容。重介分選智能化主要技術(shù)指標見表1。

表1 重介分選智能化主要技術(shù)指標

傳統(tǒng)選煤廠的密度自動調(diào)節(jié)，可根據(jù)設定密度目標值自動控制分流和補水，實現(xiàn)穩(wěn)定分選密度，同時搭配產(chǎn)品灰分儀，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)密度目標值，但存在以下5個方面的問題。

（1）閥門大部分均為開關型設備，無法進行定量調(diào)節(jié)。

（2）加介時機通過崗位經(jīng)驗判斷，存在密度波動影響生產(chǎn)的風險。

（3）現(xiàn)有灰分儀精度可靠性低，導致密度不能自動調(diào)節(jié)，缺少高可靠性能的灰分儀檢測，通過人工化驗灰分指導生產(chǎn)，調(diào)節(jié)存在滯后；缺少磁性物含量檢測和磁性物含量調(diào)節(jié)機制，分選效果受到一定影響。

（4）未形成無人值守和智能化控制的重介系統(tǒng)。對產(chǎn)品質(zhì)量控制、重介精煤灰分穩(wěn)定率控制、磁選機控制、懸浮液密度控制和配置等，未實現(xiàn)整套分選系統(tǒng)的智能控制，未實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)與生產(chǎn)系統(tǒng)相關閥門和閘板的聯(lián)動控制，生產(chǎn)系統(tǒng)不能智能切換。

（5）沒有配置脫介篩噴水管道壓力傳感器和電動調(diào)節(jié)閥，不能檢測脫介噴頭堵塞、掉落，不能調(diào)整噴水壓力。

智能重介系統(tǒng)

精確重介分選智能控制模型建立復雜度高、控制任務復雜，將自動控制與人工智能相結(jié)合，設計自學習和自適應控制方法，使得控制系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)要求，自主調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)。

智能重介密度控制系統(tǒng)通過建立智能控制模型與策略，結(jié)合自學習和自適應控制方法，自動控制懸浮液的分流量，智能調(diào)節(jié)分選密度，實現(xiàn)智能配補介，建立智能控制的感知系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。重介質(zhì)懸浮液密度設定值智能控制原理如圖1所示。

圖1 重介質(zhì)懸浮液密度設定值智能控制原理

（1）原煤輸送帶配置在線測灰儀，根據(jù)原煤浮沉資料，并分析原煤煤質(zhì)的歷史和實時數(shù)據(jù)，建立原煤數(shù)學模型，根據(jù)原煤密度組成與粒度組成，自動生成可選性曲線，自主預測分選密度。

（2）產(chǎn)品輸送帶配置在線灰分儀，根據(jù)產(chǎn)品實時灰分反饋，調(diào)節(jié)循環(huán)懸浮液密度設定值。利用在線灰分儀或重介精煤快灰數(shù)據(jù)，構(gòu)建密控系統(tǒng)的灰分、分選密度、執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)、監(jiān)測機構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)模型，將所需產(chǎn)品灰分輸入控制系統(tǒng)后，不參與分選系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品灰分、合格介質(zhì)桶或混料桶的桶位以及密度計監(jiān)測數(shù)據(jù)自行確定補水、補介、打分流等行為，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

（3）采用密度計檢測合格介質(zhì)密度，建立重介懸浮液密度設定模型，并配合磁性物含量計進行監(jiān)測，自動控制懸浮液的分流量；壓力傳感器進行壓力監(jiān)測；在合格介質(zhì)桶、煤泥水桶及其他需監(jiān)測液位區(qū)域進行液位測量。

（4）建立補水、補介、分流、密度之間的智能控制模型與策略，實現(xiàn)智能補水、分流和加介，實現(xiàn)循環(huán)懸浮液密度、液位、煤泥含量、壓力的穩(wěn)定控制（懸浮液密度波動范圍不超過±0.005g/cm），保證產(chǎn)品質(zhì)量合格、穩(wěn)定，最終實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)分選密度。

（5）利用在線數(shù)據(jù)自學習功能，修正循環(huán)懸浮液密度預測數(shù)學模型，使得重介生產(chǎn)過程控制更加精準，實現(xiàn)自動加介，減少人工操作和干預。采用重介分選效果評價工具，按照國家與行業(yè)標準，評價所預測的各種指標及分選效果。

智能重介系統(tǒng)組成

智能重介系統(tǒng)包括運行管理數(shù)學模型、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)3部分。運行管理負責提供指導生產(chǎn)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)策略；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)負責監(jiān)視選煤廠的工藝流程、操作現(xiàn)場設備、接收來自運行管理和PLC的數(shù)據(jù)信息，起到監(jiān)控和媒介的作用；PLC控制系統(tǒng)負責執(zhí)行操作、優(yōu)化算法以及采集現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。

（1）運行管理智能策略

運行管理系統(tǒng)根據(jù)原煤灰分數(shù)據(jù)，并結(jié)合重介生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的實時歷史數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，制定控制策略，指導重介選煤生產(chǎn)，通過積累在線和離線數(shù)據(jù)，采用機器學習算法不斷優(yōu)化數(shù)學模型，使得控制策略模型逐步完善自學習、自適應功能。

（2）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)負責監(jiān)視與操作現(xiàn)場設備及流程，用于接收運行管理控制策略，設定重介密度初始值和監(jiān)視重介密度實時運行狀況。

（3）PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)負責接收來自SCADA的操作指令、運行控制算法以及采集現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運行的過程中，穩(wěn)定塊煤、末煤主再洗的密度、煤泥含量、壓力、液位等重要工藝參數(shù)，根據(jù)精煤在線的灰分信息，對密度設定值進行改變，改變產(chǎn)品煤的質(zhì)量和產(chǎn)率。

智能重介系統(tǒng)方案

4.1 基本配置

根據(jù)智能控制策略需要，在現(xiàn)場設置相關工藝環(huán)節(jié)的儀器儀表，主要包括產(chǎn)品灰分檢測、合格介質(zhì)煤泥含量檢測、噴水量檢測與調(diào)節(jié)等。選煤廠重介系統(tǒng)安裝產(chǎn)品灰分、液位、密度等在線檢測設備，指導生產(chǎn)。

重介系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，實現(xiàn)重介質(zhì)選煤工藝各種工藝參數(shù)（時間、系統(tǒng)壓力、分選密度、分流閥開度、補水閥開度、精煤灰分、設備參數(shù)和關鍵設備運行記錄等）的實時采集、監(jiān)視、記錄。

（1）選煤廠采用在線灰分儀檢測原煤及精煤灰分。原料煤灰分儀精度誤差≤±1%（1σ),精煤灰分儀精度誤差≤±0.3%（1σ)。

（2）磁選機溢流槽兩側(cè)設置液位檢測裝置，實時檢測磁選機的分選槽液位，低液位或高液位時進行報警提示；設置磁選機溢流全寬檢測裝置，智能檢測磁選機跑介，溢流堰翻花和斷流；結(jié)合現(xiàn)場工況和歷史數(shù)據(jù)，建立磁選機分選效果監(jiān)測模型。

（3）在合格介質(zhì)泵的出料管道上設磁性物含量計（檢測精度≤±10g/L），檢測范圍0～2000g/L，用于檢測合格介質(zhì)懸浮液的磁性物含量。具備合介管路、磁選尾礦管道等部位磁性物含量的在線監(jiān)測功能，實時顯示磁選重介回收系統(tǒng)運行狀態(tài)。

（4）在對合格介質(zhì)泵出料管道上設置密度計（檢測精度≤±0.005g/cm），測量重介懸浮液密度。

（5）在旋流器入料口設置壓力計，檢測入料壓力。

（6）桶液位檢測。

4.2 智能重介密控系統(tǒng)技術(shù)方案

智能重介密控系統(tǒng)內(nèi)的入洗原煤灰分、入洗原煤皮帶秤流量、產(chǎn)品皮帶秤流量、合格介質(zhì)懸浮液密度、合介桶液位等信號均需參與智能控制策略。通過重介系統(tǒng)智能控制模塊，合理調(diào)整合格介質(zhì)懸浮液的密度，將系統(tǒng)煤泥含量穩(wěn)定控制在合適范圍內(nèi)，根據(jù)精煤實時灰分自動調(diào)整重介懸浮液的密度，綜合考慮密度影響因素，實現(xiàn)重介密度的智能調(diào)節(jié)。利用重介系統(tǒng)選煤生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗建立數(shù)學模型，自動預測重介選煤的重要工藝參數(shù)。智能重介密控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能重介密控系統(tǒng)

在重介質(zhì)選煤過程中，重介質(zhì)懸浮液參數(shù)（包括密度、流量、磁性物含量和煤泥含量）的變化對重介質(zhì)選煤的分選效果有顯著影響。重介密度、桶位、煤泥含量3個變量為非線性的耦合關系，常規(guī)的PID控制系統(tǒng)難以滿足，可應用多變量模糊控制方法、模糊PID算法等解決，或采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法進行懸浮液密度智能給定的方法，建立合格介質(zhì)密度給定值的密度預測模型等方式。

單變量PID控制系統(tǒng)將密度控制回路和煤泥含量控制回路為2個獨立控制回路。建立適用于不同重介質(zhì)選煤工藝流程和多參數(shù)控制的重介質(zhì)選煤過程控制系統(tǒng)數(shù)學模型，運用自校正控制原理設計重介質(zhì)選煤過程控制系統(tǒng)。智能重介密控主要設施見表2。

表2 智能重介密控主要設施

智能重介密控系統(tǒng)具體技術(shù)方案包括以下4個部分。

（1）灰分-密度閉環(huán)控制

首先，灰分-密度閉環(huán)控制在動力煤選煤廠主要是排矸，精準度差別于煉焦煤選煤廠，其與在線灰分儀聯(lián)動，實時檢測原煤、產(chǎn)品質(zhì)量，結(jié)合系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、化驗數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程控制參數(shù)等綜合數(shù)據(jù)進行分析，給出設定密度值調(diào)整建議或直接調(diào)整設定密度值（可選擇），實現(xiàn)重介精煤灰分與合格介質(zhì)密度之間的閉環(huán)控制。

其次，在線灰分儀檢測結(jié)果和煤質(zhì)化驗結(jié)果會存在偏差，通過機器學習方法實現(xiàn)曲線學習優(yōu)化。接入快灰儀數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)與設定灰分數(shù)據(jù)對比，調(diào)整工藝參數(shù)的智能算法。

再次，以在線測灰儀數(shù)據(jù)為反饋量調(diào)整實際分選密度，實現(xiàn)產(chǎn)品灰分精準和智能調(diào)節(jié)，建立原煤灰分、精煤灰分等與洗液密度變化的關系模型，智能控制介質(zhì)密度。通過重介分選特征分析，在線智能給定循環(huán)介質(zhì)密度等分選工藝參數(shù)，然后借助密度自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)密度自動調(diào)控，以達到所需的分選密度。

最后，在此基礎上，實現(xiàn)重介分選系統(tǒng)一鍵式啟動操作。

（2）自動判斷加介

自動加介系統(tǒng)自動判斷加介需求，分析密度計、液位計反饋數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果，自動判斷加介需求，推送相關信息至負責崗位；具備無人化操作介質(zhì)粉添加和制備功能，監(jiān)測介質(zhì)的添加量和稀釋水量，實現(xiàn)介質(zhì)密度的自動控制與調(diào)節(jié)，具備懸浮液密度、液位、煤泥含量穩(wěn)定控制。

在自動加介系統(tǒng)控制中，懸浮液密度、磁性物含量和合格介質(zhì)桶液位參數(shù)相互耦合，難以建立精確的數(shù)學模型，傳統(tǒng)的重介密度控制采用多回路回控策略，密度計回控補水閥、磁性物含量計和密度計回控介質(zhì)分流量。在人工經(jīng)驗基礎上，建立基于模糊控制理論的自動加介智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

針對懸浮液密度控制、合格介質(zhì)桶液位控制、煤泥含量（根據(jù)磁性物含量和密度進行換算得到煤泥含量）分別設計模糊控制器，智能重介密控系統(tǒng)模糊控制環(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3 智能重介密控系統(tǒng)模糊控制環(huán)節(jié)

（3）智能補介過程

加介系統(tǒng)通過與集控系統(tǒng)對接，實時獲取重介系統(tǒng)合格介質(zhì)桶位、密度及磁性物含量等參數(shù)信息。系統(tǒng)分選密度低于設定值時，自動進行補介動作。采用補介電磁補水閥全部接入集控系統(tǒng)，介質(zhì)自動制備系統(tǒng)通過獲取選煤廠重介系統(tǒng)中的實時密度、合格介質(zhì)桶位、重介懸浮液內(nèi)磁性物含量等數(shù)據(jù)，確定重介系統(tǒng)編號信息和重介系統(tǒng)需要，添加介質(zhì)的加介量信息，基于加介任務信息向合介桶添加介質(zhì)。

通過介質(zhì)庫堆介AI識別裝置，選用先進可靠的執(zhí)行機構(gòu)向介質(zhì)制備桶內(nèi)添加磁鐵礦粉。通過統(tǒng)計每次加介數(shù)據(jù)，并將介耗信息接入集控系統(tǒng)，為運行管理系統(tǒng)進行介耗分析提供數(shù)據(jù)基礎。將電磁補水閥和鼓風閥接入系統(tǒng)，自動進行補水和鼓風動作，實現(xiàn)補充介質(zhì)的自動制備。

通過智能分析決策軟件進行大數(shù)據(jù)分析，若煤質(zhì)發(fā)生變化，可通過智能重介系統(tǒng)參數(shù)變化，模擬介耗用量，并進行機器深度學習及自優(yōu)化，智能連續(xù)補介或間隔定量補介。重介系統(tǒng)參數(shù)可通過移動端查看，灰分儀等檢測設備數(shù)據(jù)接入集控平臺，實現(xiàn)移動終端遠程監(jiān)控重介旋流器密度控制運行狀態(tài)及各種參數(shù)。

（4）密度自動調(diào)節(jié)

智能重介系統(tǒng)重要參數(shù)實時監(jiān)控，建立重介懸浮液密度控制系統(tǒng)，提高合格介質(zhì)密度控制精度，升級加介、補水、分流閥門，具備自動補水、自動分流功能，以最優(yōu)控制邏輯控制分流閥和補水閥的當前開度，將合格介質(zhì)密度和實時分選密度控制在適宜范圍內(nèi)，降低崗位勞動強度；具備監(jiān)測脫介篩噴水壓力、流量和磁選機運行狀態(tài)功能，脫介效果可控；具備監(jiān)測脫介篩噴水壓力、流量和磁選機運行狀態(tài)功能，脫介效果可控。

結(jié)語

通過分析傳統(tǒng)選煤廠重介系統(tǒng)在智能化升級過程中需要解決的問題，提出了智能化重介選煤廠建設的主要難點，從智能重介系統(tǒng)的原理、組成、技術(shù)方案等方面，詳細論述了智能重介系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)因素，研究了重介精煤灰分與合格介質(zhì)密度之間的閉環(huán)控制，建立原煤灰分、精煤灰分等與洗液密度變化的關系模型，智能控制介質(zhì)密度。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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