洗煤机信号处理关键技术的研究

摘要洗煤是煤炭深加工的一个不可缺少的工序，从矿井中直接开采出来的煤炭叫原煤，原煤在开采过程中混入了许多杂质，而且煤炭的品质也不同，内在灰分小和内在灰分大的煤混杂在一起。洗煤就是将原煤中的杂质剔除，或将优质煤和劣质煤炭进行分门别类的一种工业工艺。而淘汰机则是洗煤方法中最典型的代表性设备之一。淘汰机凭借工艺流程简单、处理能力大等特点，在洗煤领域中得到了广泛的应用。跳汰洗煤是一个多因素、多参数相互耦合的复杂过程。洗煤过程各参数检测、处理的研究直接影响选洗质量。建立完善成熟的洗煤系统理论仍是选煤界一直探索的技术难题。本科提针对洗煤机信号处理关键技术的研究，通过浮标目录第１章绪论……………………………………………………………………………１１．１研究的背景、意义和目的……………………………………………………．１１．１．１课题研究的背景………………………………………………………１１．１．２课题研究的意义和目的………………………………………………１１．２国内外研究现状………………………………………………………………．１１．３本文主要工作和内容安排……………………………………………………．．２第２章跳汰机床层信号的检测处理…………………………………………………４２．１跳汰机跳汰工艺过程综述……………………………………………………４２．１．１选煤机理概述…………………………………………………………４２．１．２选煤过程工艺特征要素………………………………………………６２．２跳汰机床层信号检测及处理…………………………………………………８２．２．１床层厚度信号的概述…………………………………………………８２．２．２超声波传感器…………………………………………………………９２．２．３床层厚度信号的检测及处理………………………………………．．１０第３章跳汰各层松散度综合检测与实现…………………………………………．．１８３．１跳汰机床层松散度及跳汰风阀……………………………………………．．１８３．１．１跳汰机床层松散度理论概述………………………………………．１８３．１．２床层松散与床层分层的关系………………………………………．１８３．１．３洗煤风、水制度与床层松散度的调节关系………………………一１９３．１．４跳汰机各层松散度的检测、计算…………………………………．２１３．２模糊控制算法理论基础……………………………………………………．．２５３．２．１模糊控制算法采用的依据…………………………………………．２５３．２．２模糊控制算法理论…………………………………………………．２５３．２．３算法核心．模糊控制器理论阐述…………………………：…………２７青岛理工大学工学硕士学位论文３．３松散度检测的风阀参数模糊控制系统………………………………………２９３．３．１系统硬件设计…………………………………………………………２９３．３．２系统软件设计………………………………………………………．．３４第４章排料模糊控制系统设计………………………………………………………４１４．１跳汰机排料系统概述…………………………………………………………４ｌ４．１．１排料系统概述………………………………………………………．．４１４．１．２变频器…………………………………………………………………４２４．２跳汰床层期望值设定…………………………………………………………４４４．２．１床层期望值设定方法………………………………………………．．４４４．２．２神经网络的基本原理…………………………………………………４５４．２．３基于神经网络的床层期望值设定…………………………………．．４６４．３自动排料系统的设计…………………………………………………………４９４．３．１自动排料系统的组成…………………………………………………４９４．３．２排料模糊控制算法的设计…………………………………………．．５０第５章风阀控制与排料控制系统实现………………………………………………５３５．１基于松散度检测的风阀参数调控系统人机界面设计………………………５３５．２排料模糊控制系统人机界面设计……………………………………………５４５．３系统程序设计…………………………………………………………………５５总结…………………………………………………………………………………………………………………５８参考文献………………………………………………………………………………．５９攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作……………………………………一６３致谢…………………………………………………………………………………………………………………６４摘要洗煤工艺是煤炭生产中重要的环节，而跳汰机则是洗煤方法中最具典型的代表性设备之一。跳汰机凭借工艺流程简单、处理能力大等特点，在选煤领域中得到了广泛地应用。目前，国内外运用跳汰洗选工艺处理的入洗原煤量占全部量的比例为２０％一７０％ｕ１。跳汰洗煤是一个多因素、多参数相互耦合的复杂过程。洗煤过程各参数检测、处理的研究直接影响着洗选质量。建立完善成熟的洗煤系统理论仍是选煤界一直探索的技术难题。本课题针对洗煤机信号处理关键技术的研究，通过浮标检测床层分层、松散过程，对床层厚度信号进行处理，提出了跳汰各层松散度综合检测的方法，并以此为基础实现了煤、水比例的自动最佳匹配，自动调节风阀的进风量和跳汰频率，从而最终提升跳汰洗选的控制精度和效率。洗煤控制过程的研究与探讨主要是围绕洗煤床层来展开的，要做好跳汰洗选的各个控制系统，首先需对床层的分层状态及松散状态进行研究，而这其中所涉及的床层厚度信息则是研究的核心。本文在分析了洗煤工艺过程及床层松散和分选机理的基础上，重点对床层厚度信号、跳汰过程进行了实时动态检测、处理，并利用床层厚度信号、跳汰过程，对风阀参数调控以及自动排料系统进行设计。在风阀、排料等控制系统中，无需建立数学模型，采用了基于松散度检测的风阀参数模糊控制器和排料模糊控制器，取代了现场原系统的比例和ＰＩＤ控制器；在给煤量、溢流堰控制系统中，建立了数学模型进行闭环控制。特别地，在跳汰风水制度调节中，设计也采用了高、低压风包分段连接跳汰室的新思路；在排料系统的床层厚度设定问题上，本文也提出了基于ＢＰ神经网络的新方法，对于以往凭经验设定床层厚度是一个新的尝试。在最终控制目标上，实现了灰分自动检测控制系统。整个设计系统应用于现场，提高了原煤的分选质量，保证了企业效益，节约了人力、物力。关键词：跳汰机；床层厚度信号；风阀；排料；模糊控制；神经网络第１章绪论１．１研究的背景、意义和目的１．１．１课题研究的背景在采煤工业中，从矿井开采上来的原煤需要送入洗煤厂进行分选。以煤的灰分值为依据，原煤可大体分选成矸石、中煤和精煤；也可根据用户对灰分的要求，把原煤细分为不同灰分值的产品，以供不同用户。在洗煤厂，原煤分选的工艺主要有跳汰洗选、重介质选煤、煤泥浮选及干选法等方法，而这其中，跳汰选煤是主要的煤炭洗选工艺之一。跳汰机则是实现跳汰洗煤的设备，应用十分广泛，其优点在于：系统简单可靠、生产成本低、处理能力大等。国内外运用跳汰洗选工艺处理的入洗原煤量占全部入洗原煤量的比例为２０％一７０％。国内比例大约在６０％以上，美国也在５０％以上ｎ１１．１．２课题研究的意义和目的跳汰洗选就是原煤在跳汰室中脉动水流的作用下，按密度差异进行分层和分离的经过瞳３。它是一个多因素、多参数、复杂的物理过程，影响因素多且相互关联。研究分析洗煤机信号的检测与处理，并建立完善成熟的分选系统理论仍是选煤界追求解决的技术难题。本文对洗煤过程的研究与探讨，主要是围绕洗煤床层信号的实时动态检测、处理及床层松散状态展开的，两者是整个跳汰洗选过程成功与否的关键所在，然而，对于床层厚度信号的动态检测仍然困扰着选煤界。研究床层厚度信号的采集及处理对于提升洗煤机智能化与自动化具有重要意义。本文旨在研究分析跳汰机床层信号的实时检测及处理，设计信号处理的电路，依据检测处理的信号根据不同的控制算法，对风阀参数调控系统、排料系统、给煤量、溢流堰高度进行智能控制。整个控制系统应用于现场，对提高原煤的分选质量、提高企业效益、节约国家能源具有重要意义。１．２国内外研究现状随着控制理论、人工智能理论、信息论等理论学科的相互渗透与交叉，国内青岛理工大学工学硕士学位论文外在洗煤过程中的给煤控制、风阀控制、排料控制、精煤灰分控制等控制过程中，运用信号处理、计算机技术等对床层相关信号的理论进行了分析，为跳汰洗选的理论研究带来了新的发展阶段。同时，国内外研究学者在继续研究跳汰分选机理的基础上，对洗煤过程的主要参数的检测与控制技术也做了大量研究。波兰在上世纪９０年代末洗煤机，其所作的排料系统是采用浮标检测床层厚度方法，用控制器对高度差作相应的分析。而且在本世纪初，波兰又开发研制了ＡＳ一２０００控制系统∞１，它是据床层厚度检测值控制溢流堰挡板与排料闸门两处的独立伺服马达；澳大利亚ＪＫＲＭＣ公司开发的ＪｉｇＳｃａｎ控制器Ｈ１，利用了公司专门开发的压力传感器，测量脉动速度、位移和空气室内液位。他们在洗煤运行情况下采集了大量数据，弥补了“黑箱”操作的不足；Ｆ・纳肯在研究排料控制的自适应调节系统中，对入料的主要特征进行采集并作为系统的输入信号晦３。国内在参数跳汰检测技术上的研究与国外相比有些差距，但也提出了不少创新思路。太原理工大学的陈冬冰№３在用Ｙ射线探测器对床层物料密度检测的基础上，分析了跳汰机床层的分层状态，并运用ＡＲ模型对检测的密度数据进行了趋势预测，床层松散度也做出了估计；中国矿业大学的李明＂１等将软测量技术应用于跳汰洗选的生产过程，提出了基于递归神经网络的床层松散状况软测量的模型，并证明了方法的有效性；中国矿业大学北京校区的明尚志阳１深入研究了跳汰机的松散度及水位测量技术，并提出了可靠的技术方案；华北工学院的李建民阳３等根据Ｙ射线的特性，提出了检测床层状况新方法，设计了Ｙ射线检测系统，并通过试验证明了据床层密度变化可为跳汰洗选提供准确的分层信息。１．３本文主要工作和内容安排本文主要研究影响洗煤过程的重要因素一床层信号的实时动态检测、处理，设计床层厚度信号采集、处理电路，并围绕床层厚度信号的实时值，主要对风阀参数调控系统和排料系统进行设计，其中也提出了高、低压风包分段连接跳汰室以及用神经网络来解决床层厚度期望值设定的方法。第2章跳汰机床层信号的检测处理2.1跳汰机床跳汰工艺过程综述2.1.1选煤机理概述原煤物料在交变的水流作用下按密度分层的过程就是跳汰洗煤过程。跳汰机就是完成并连续实现这一过程的设备。跳汰机型号种类较多，从机床的脉动方法上可分为机械和空气式脉动两种。洗煤厂多用空气式，本课题的研究针对筛下式跳汰机。筛下空气式跳汰机的外部结构以及物料分层情况示意图如图2—1所示如图２—１所示，矸石段跳汰机空气室密闭，由数控风阀控制高压风和低压风（压缩气体）从筛下周期性地鼓入和排出气室。根据鼓入高压风和低压风的不同，跳汰床层上的原煤和水涌起的高度不同，使得原煤颗粒间形成一定松散，当压缩气体排出时，原煤和水会下降密实，因而空气周期性地鼓入和排出就会产生上升和下降的脉动。鼓入和排出的空气量的大小会影响床层上升的高度，风阀开、闭的快慢则影响到脉动床层的频率。具体的洗煤过程如下：原煤经传送带送入跳汰机，在筛板上就会形成一层物料层，即跳汰床层ｎ们。给料同时，水平脉动水流也随着进入跳汰室。原煤中掺杂着矸石、各种灰分的中煤和精煤，将其进行有效地分层和分离是跳汰室内所要进行的工作。数控风阀通过风阀传动装置与风压包连接，风阀的开与闭带来了跳汰室内气压的变化，进气风阀打开时…进气期，床层被筛下的水和气托起，床层处于松散和悬浮状态；进气阀经过一段时间的开启后关闭，进入膨胀期，由于矸石与各种灰分煤比重、形状的不同，会依照各自的速度沉降，比重较大的矸石颗粒下降最快，比重较小中煤颗粒下降速度居中，比重最小的精煤颗粒下降最慢；排气阀打开时…排气期，床层的密实过程进一步加强；排气阀关闭后～休止期，此时床层颗粒基本落回到筛