CN106824501B - 一种重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于选煤厂重介旋流器领域，具体涉及一种选煤厂重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统。所述控制系统包括控制器和执行机构，执行机构包括安装在重介旋流器上的补水阀和分流阀；所述控制器实时控制执行机构阀门的开度实现对重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制；控制器依据LSSVM模型对分流阀的开度进行控制，利用PID控制方法对补水阀开度进行控制，保证重介悬浮液密度的精确性和稳定性；分流装置设计了分流主阀、分流旁路蝶阀和防堵蝶阀，保证了系统的稳定性和可靠性。

Description

一种重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统

技术领域

本发明主要属于选煤厂重介旋流器领域，具体涉及一种选煤厂重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统。

背景技术

重介旋流器作为选煤厂重选过程中重要的分选设备，以其结构简单、分选精度高、处理量大等优点得以广泛应用，主要用于处理50-0.5mm粒级原煤。重介旋流器分选过程中重介悬浮液密度对分选效果有着重要的影响，控制悬浮液密度是获得良好分选效果的重要关键环节。在悬浮液密度控制过程中主要的操作变量有补水量和分流量，其中分流主要用来调控重介悬浮液密度和悬浮液中煤泥含量。一般来讲水量消耗大于药剂消耗，合介桶表现为液位缓慢下降，悬浮液密度缓慢上升，因而悬浮液的密度主要依靠调整补水阀开度来控制。随着选前脱泥工艺的逐渐广泛应用，进入系统水量明显增加，煤泥量减少，单独的采用控制补水阀开度的密度自动控制系统已不能满足现场需求。

现有的洗煤厂密度自动控制系统主要包括以下几种：1、补水管路安装在合介桶上方，手动控制补水阀开度，无分流回路。这种密度控制方法一般在老式洗煤厂存在，控制方法落后，控制精确度和灵敏度较差，滞后性强，介耗较高；2、补水管路安装在合介泵前，采用PID控制补水阀开度，无分流回路。该方法控制精度和灵敏度都有明显的提高，然而由于没有分流回路，并未考虑到重介悬浮液中的煤泥含量，重介悬浮液稳定性较差，从而降低重介旋流器的分选效果；3、补水管路安装在合介泵前，采用PID控制补水阀开度，分流阀(箱)开度固定；该方法分流量固定，然而由于选煤厂入洗原煤性质的波动性和不均匀性，悬浮液中煤泥含量和磁性物含量也在不断变化，固定的分流量不利于重介悬浮液的稳定，从而影响到重介旋流器分选效果；4、补水阀安装在合介泵前，采用PID控制补水阀开度，分流量采用模糊控制方法。该控制方法精确度和灵敏度都较高，系统设计考虑到了重介悬浮液密度和稳定性，然而由于模糊控制的设计大都仅考虑了合介桶液位或者煤泥含量，而分流过程影响因素众多，同时模糊控制系统设计较为复杂，从而降低了系统的稳定性和适应性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统，采用补水+分流共同进行密度自动控制，其中补水采用PID控制，分流采用基于LSSVM的预测控制方法，能够保证重介悬浮液密度的精确性和稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统，所述控制系统包括控制器和执行机构，执行机构包括安装在重介旋流器上的补水阀和分流阀；

所述补水阀安装在重介旋流器的合介泵入口的补水管道上；

所述分流阀安装在重介旋流器的精煤脱介弧形筛下分流管路上；

所述控制器利用PID算法控制补水阀开度实现自动补水；

所述控制器依据LSSVM模型对分流阀的开度进行控制实现自动分流；所述控制器通过自动补水和自动分流实现对重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制。

进一步地，所述LSSVM模型以悬浮液实时密度、煤泥含量、合介桶液位和补水阀开度作为输入变量，以分流阀开度作为输出变量。

进一步地，所述LSSVM模型为：

其中，K(x，x_i)为核函数，K(x，x_i)＝exp＝(-||x-x_i||²/2σ²)；

α_i＝γe_i；γ是正则化参数，e_i是松弛因子；σ²为核参数；b为偏置量；

i＝1,2…l，l为输入参量个数；x_i为输入参数；f(x)分流阀开度，单位为％；

l＝4；

x₁为悬浮液实时密度，单位为g·cm^-3；x₂为合介桶液位，单位为m；x₃为煤泥含量，单位为g·cm^-3；x₄为补水阀开度，单位为％。

进一步地，所述控制系统还包括传感器，传感器测得的数据可传输至控制器；

所述传感器包括的密度传感器、磁性物含量仪和压力型液位传感器；

所述密度传感器和磁性物含量仪分别安装在重介旋流器的入料管道上，分别实时测量重介旋流器悬浮液的密度和磁性物含量；

所述压力型液位传感器安装在重介旋流器的合介桶上，实时测量合介桶液位；

依据悬浮液的密度和磁性物含量可计算得到悬浮液的煤泥含量。

进一步地，利用PSO算法对LSSVM模型中正则化参数γ，核参数σ²进行优化选择。

进一步地，所述控制系统还包括分流装置；分流装置具体安装为：

在主分流管道上安装了主分流阀，依据LSSVM模型预测阀门开度值进行自动调整；

在主分流管道旁设有分流旁路管道，分流旁路管道上安装了分流旁路蝶阀，分流旁路蝶阀在控制系统完成调试后开度固定不变；

同时在主分流管道旁设有防堵管道，防堵管道上安装有防堵蝶阀，当管道堵塞时，系统可通过远程手动或就地控制防堵阀打开进行排料疏通。

进一步地，所述控制系统还包括上位机，上位机与所述控制器通过以太网通讯；

上位机选用研华工控机ACP-4000，组态软件选用WINCC，控制器采用西门子PLC，模型运算软件采用MATLAB。

本发明的有益技术效果：

本系统采用补水+分流共同进行密度自动控制，其中补水采用传ID控制，分流采用基于LSSVM的预测控制方法，能够保证重介悬浮液密度的稳定性，波动范围可控制在±0.005g/cm³，从而保障重介旋流器高效精确分选。同时由于基于预测控制思路，能够及时调整分流量，大大减小了控制过程中悬浮液密度的超调量和波动性，分流量调整连续且平稳，进而稳定了磁选机入料量，避免了由于磁选机入料剧烈波动而导致的磁选效率降低，从而保证了磁选回收率，降低了介质消耗量。同时系统的应用能够提升洗煤厂自动化水平，提高选煤厂综合管理效率和经济效益。

附图说明

图1、重介悬浮液密度自动控制系统框原理示意图；

图2、补水阀自动控制PID原理示意图；

图3、PSO算法优化流程示意图；

图4、分流装置示意图；

图5、重介悬浮液密度自动控制系统结构示意图；

图中：1.分流旁路、2.分流旁路蝶阀、3.分流主管路、4.分流主蝶阀、5.防堵蝶阀、6.防堵管路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统，控制系统包括控制器和执行机构，执行机构安装在重介旋流器上；

执行机构包括补水阀和分流阀；

补水阀安装在重介旋流器的合介泵入口的补水管道上；

分流阀安装在重介旋流器的精煤脱介弧形筛下分流管路上；

所述控制器利用PID算法控制补水阀开度实现自动补水；

所述控制器依据LSSVM模型对分流阀的开度进行控制实现自动分流；所述控制器通过自动补水和自动分流实现对重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制。

同时控制器利用PLD控制来控制补水阀的开度，原理如图2所示。

所示控制系统还包含分流装置，所述分流装置具体为，所述分流阀为电动蝶阀；

在主分流管道上安装了主分流阀，依据LSSVM模型预测阀门开度值进行自动调整；

在主分流管道旁设有分流旁路管道，分流旁路管道上安装了分流旁路蝶阀，分流旁路蝶阀在控制系统完成调试后开度固定不变；

分流旁路的设计提高系统的分流冗余量，确保了主阀能够在一个较小的开度范围内完成自动分流过程，提高了系统的灵敏性；

同时主分流管道旁设有防堵管道，防堵管道上设有防堵蝶阀，当分流管道出现故障或者堵塞时，防堵管道打开，悬浮液返回合介桶，该分流管道设计充分保证了系统的稳定性和可靠性。

分流装置的示意图如附图4所示。

分流是指在重介旋流器分选过程中，利用磁选精矿悬浮液密度和磁性物含量都较高的特点，通过将一部分合格介质分流到稀介中，然后再次通过磁选机进行净化和浓缩后返回合介桶中，从而达到提高悬浮液密度和降低系统悬浮液中煤泥含量的目的，这部分分流到稀介中的合格介质量即为分流量；分流量过小，往往不能起到保证悬浮液密度和稳定性的作用；分流量过大，由于受限于磁选机磁铁矿粉回收率，往往导致介耗增加，因而分流量的大小需要依据分选过程中实际情况及时调整。通过对重介分选过程工艺流程分析，影响分流量大小的主要因素如下：

1悬浮液密度：

重介悬浮液密度的精确性会直接影响分选效果，而分流对于悬浮液密度有着重要的影响，当悬浮液密度实时值低于设定值时，通过提高分流量，增加进入稀介中的合格介质，从而增加磁选机浓缩后的浓介量，可以提高合介桶中悬浮液密度；反之当悬浮液密度实时值低于设定值时，应适当减少分流量，从而起到降低合介桶中悬浮液密度的作用。

2合介桶液位：

合介桶液位的正常和稳定对于保证重介分选过程连续稳定运行具有重要意义，合介桶液位过高，密度调节过慢，停车时管道中悬浮液的回流容易造成溢桶事；合介桶液位过低，无法保证旋流器入料压力和悬浮液密度的稳定。

在实际生产过程中，当合介桶液位较高时，可通过增加分流量，减少返回合介桶中的合介量，从而降低合介桶液位；反之当合介桶液位较低时，可通过减小分流量，增加返回合介桶中的合介量，从而提高合介桶液位。

3煤泥含量：

重介悬浮液是由水、煤泥和磁铁矿粉共同组成，在重介选煤过程中，磁性物含量和煤泥含量应保持一定的比例，才能够保证悬浮液的粘度，而粘度直接影响到悬浮液的稳定性。

煤泥含量可间接反映悬浮液的粘度，由重介悬浮液密度和磁性物含量计算得到，当煤泥含量较高时，悬浮液粘度较大，稳定性好，但是不利于细颗粒物料的分选，此时应该适当增加分流量，降低系统煤泥含量，保证分选效果；当煤泥含量较低时，悬浮液粘度较小，稳定性较差，此时应适当减少分流量，提高悬浮液中煤泥含量，保证悬浮液的稳定性。

其中：Q_煤泥—悬浮液中煤泥含量，g·cm^-3；ρ—悬浮液密度，g·cm^-3；Q_磁生物—悬浮液中磁性物含量，g·cm^-3；δ₁—磁性物真密度；δ₂—煤泥真密度。

4补水阀开度：

补水是重介选煤过程调节悬浮液密度的一个重要手段，通过调整安装在合介泵前的补水阀的开度从而调节进入合介管道的清水量，进而达到控制悬浮液密度的作用。

当补水阀开度较大时，表明此时悬浮液密度较高，可适当提前减小分流量，间接起到降低密度作用；当补水阀开度较小时，表明此时悬浮液密度较低，可适当提前增加分流量，起到提高悬浮液密度作用。

因此，结合上述对分流影响因素的分析，本发明中，所述LSSVM模型将悬浮液实时密度、合介桶液位、煤泥含量、补水阀开度作为输入变量；

l＝4；

x₁为悬浮液实时密度，单位为g·cm^-3；x₂为合介桶液位，单位为m；x₃为煤泥含量，单位为g·cm^-3；x₄为补水阀开度，单位为％。

其中悬浮液实时密度、煤泥含量、合介桶液位和补水阀开度分别由传感器实时测得。

其中，传感器包括的密度传感器、磁性物含量仪和压力型液位传感器；

浓度传感器、磁性物含量仪安装在重介旋流器的入料管道上；

压力型液位传感器安装在重介旋流器的合介桶上，实时测量合介桶液位。

控制系统原理示意图如附图1所示。

最小二乘支持向量机(LS-SVM)其回归建模原理如下：

给定一组训练样本集S：{(x₁，y₁)...(x_i，y_i)}∈Rⁿ×R，其中i＝1,2…l，l为样本个数，x_i为输入变量，y_i为对应的输出变量。引入非线性映射函数

将输入数据映射到高维特征空间，从而建立如下回归模型：

式中ω是权向量，b为偏置量，ω∈Rⁿ，b∈R。

根据结构风险最小化原则，回归问题可转化为有约束的二次优化问题：

其中J(ω，e)是目标函数，γ是正则化参数，e_i是松弛因子。为了解决上述优化问题，通过将约束问题转化为无约束问题，引入拉格朗日乘子，得到目标函数

根据最优系统理论的KTT条件可知存在以下等式：

进而得到如下线性方程式：

式中

K(x_i，x_j)为核函数，满足Mercer条件。

最终求解得到的回归函数可表示为：

在LSSVM建模过程中，正则化参数γ和核参数σ²对模型回归精度有着重要的影响，本发明选用粒子群算法(PSO)对LSSVM模型参数进行优化选择。

PSO具有结构简单，调节参数少，收敛速度较快等优点，目前已经广泛应用于参数优化、神经网络训练等领域，采用PSO进行参数寻优的思想为：首先初始化一群粒子，粒子个数为m，每个粒子的位置代表一个参数值，通过迭代寻找最优解，在每一次迭代过程中，粒子通过跟踪个体极值(pbest)和全局极值(gbest)来更新自己。同时选用线性递减权重策略(LDW)对惯性权重ω进行调整。迭代过程如公式(7)(8)(9)所示。

v_id(k+1)＝

ω_kv_id(k)+c₁r₁(p_bestid(k)-x_id(k))+c₂r₂(g_best，d(k)-x_id(k))(7)；

x_id(k+1)＝x_id(k)+v_i(k+1) (8)；

式中v_id(k)表示在d维搜索空间中，第i个粒子的第k次迭代过程中的速度，x_id(k)表示在d维搜索空间中，第i个粒子的第k次迭代过程中的位置，c₁，c₂为学习因子，r₁，r₂为0到1之间的随机数，ω为惯性权重。

同时，所述控制系统还包括上位机，上位机与所述控制器通过以太网通讯；上位机选用研华工控机ACP-4000，组态软件选用WINCC，控制器采用西门子PLC，模型运算软件采用MATLAB。整个控制系统的结构示意图如附图5。

将本发明提供的重介悬浮液密度自动控制系统应用于潞安集团宏通煤化洗煤厂重介分选过程，挑选工业过程中现场实际数据N组，其中N1组用于模型离线训练，剩余N-N1组进行模型精度验证，其中，N取100，N1取70；

PSO参数设置：初始化种群大小m＝20，最大迭代次数k_max＝200，c1＝1.7，c2＝1.5，ω_max＝1.2，ω_min＝0.8。初始化每个粒子的位置和速度，随机产生p_best,g_best，设置粒子维数d＝2，SVM交叉验证参数为3，γ_min＝0.01,γ_max＝1000,σ² _min＝0.1,σ² _max＝100；优化结果γ＝2.92，σ²＝14.83。

模型预测精度采用均方根误差RMSE和平均绝对百分误差MAPE来进行评价。

采用上述优化后的内部参数γ＝2.92，σ²＝14.83，进行建模，利用剩余30组数据进行模型预测精度评价，RMSE＝0.7344，MAPE＝3.54％，预测效果良好。

将本发明提供的重介悬浮液密度自动控制系统应用于潞安集团宏通煤化洗煤厂重介分选过程，分流阀和补水阀能够依据当前实际工况自动输出最佳阀门开度，重介悬浮液密度波动明显减小，系统应用后，实时密度波动范围可控制在±0.005g/cm³，吨煤介耗降低了0.18Kg。

Claims (2)

1.一种重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器和执行机构，执行机构由安装在重介旋流器上的补水阀和分流阀组成；

所述补水阀安装在重介旋流器的合介泵入口的补水管道上；

所述分流阀安装在重介旋流器的精煤脱介弧形筛下分流管路上；

所述控制器利用PID算法控制补水阀开度实现自动补水；

所述控制器依据LSSVM模型对分流阀的开度进行控制实现自动分流；所述控制器通过自动补水和自动分流实现对重介旋流器分选过程悬浮液密度自动控制；

利用PSO算法对LSSVM模型中正则化参数γ，核参数σ²进行优化选择；

所述LSSVM模型以悬浮液实时密度、煤泥含量、合介桶液位和补水阀开度作为输入变量，以分流阀开度作为输出变量；所述LSSVM模型为：

其中，K(x，x_i)为核函数，K(x，x_i)＝exp(-||x-x_i||²/2σ²)；

α_i＝γe_i；γ是正则化参数，e_i是松弛因子；σ²为核参数；b为偏置量；

为输入变量个数；x_i为输入变量；f(x)分流阀开度，单位为％；

x₁为悬浮液实时密度，单位为g·cm^-3；x₂为合介桶液位，单位为m；x₃为煤泥含量，单位为g·cm^-3；x₄为补水阀开度，单位为％。

2.如权利要求1所述自动控制系统，所述控制系统包括上位计算机、控制器、传感器和执行机构；

上位计算机与所述控制器通过以太网通讯；组态软件选用WINCC，控制器采用PLC；

所述传感器包括密度传感器、磁性物含量仪和压力型液位传感器；

所述密度传感器和磁性物含量仪分别安装在重介旋流器的入料管道上，分别实时测量重介旋流器悬浮液的密度和磁性物含量；依据悬浮液的密度和磁性物含量可计算得到悬浮液的煤泥含量；

所述压力型液位传感器安装在重介旋流器的合介桶上，实时测量合介桶液位；

所述执行机构包括安装在重介旋流器合介泵入口上的补水阀和精煤脱介弧形筛下分流管路上的分流阀。

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