（通信与信息系统专业论文）洗煤机信号处理关键技术的研究.pdf

c i a s s i f i e dl n d e x ：t p 3 11 u d c ： d i s s e r l a l ；o nf o rl h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nk e yt e c h n o l o g yo f s i g n a lp r o c e s s i n gf o r c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： j i g g i ng m a c h i n e c h uw e n x i a o z h a n gd o n g m e j a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 锣： t 色l e c o m m u n i c a t i o na n d i n f o m l a t i o n s y s t e m i a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e2 01o u n i v e r s i 够：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s 时 硕士学位论文 洗煤机信号处理关键技术的研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究的背景、意义和目的1 1 1 1 课题研究的背景1 1 1 2 课题研究的意义和目的1 1 2 国内外研究现状1 1 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4 2 1 跳汰机跳汰工艺过程综述4 2 1 1 选煤机理概述4 2 1 2 选煤过程工艺特征要素6 2 2 跳汰机床层信号检测及处理8 2 2 1 床层厚度信号的概述8 2 2 2 超声波传感器9 2 2 3 床层厚度信号的检测及处理1 0 第3 章跳汰各层松散度综合检测与实现1 8 3 1 跳汰机床层松散度及跳汰风阀18 3 1 1 跳汰机床层松散度理论概述18 3 1 2 床层松散与床层分层的关系1 8 3 1 3 洗煤风、水制度与床层松散度的调节关系一1 9 3 1 4 跳汰机各层松散度的检测、计算2 1 3 2 模糊控制算法理论基础2 5 3 2 1 模糊控制算法采用的依据2 5 3 2 2 模糊控制算法理论2 5 3 2 3 算法核心模糊控制器理论阐述：2 7 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2 9 3 3 1 系统硬件设计2 9 3 3 2 系统软件设计3 4 第4 章排料模糊控制系统设计4 1 4 1 跳汰机排料系统概述4 l 4 1 1 排料系统概述4 1 4 1 2 变频器4 2 4 2 跳汰床层期望值设定4 4 4 2 1 床层期望值设定方法4 4 4 2 2 神经网络的基本原理4 5 4 2 3 基于神经网络的床层期望值设定4 6 4 3 自动排料系统的设计4 9 4 3 1 自动排料系统的组成4 9 4 3 2 排料模糊控制算法的设计5 0 第5 章风阀控制与排料控制系统实现5 3 5 1 基于松散度检测的风阀参数调控系统人机界面设计5 3 5 2 排料模糊控制系统人机界面设计5 4 5 3 系统程序设计5 5 总结5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作一6 3 致谢6 4 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2 0 一7 0 u 1 。 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p i d 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b p 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 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a l w a s h i i l gt e c l l l l 0 1 0 9 y i sa 1 1 i m p o r r c a n tl i n k o ft h ec o a l p r o d u c t i o n ，a 1 1 d j i g g i n g m a c l l i n ei st h em o s tt ) ，p i c a lo n e i 1 1m a r l yk i i l d so fc o a l 一w a s l l i n gw a y s w i mt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e t e c l l n 0 1 0 9 yp r o c e s sa n d1 a 略ep r o c e s s i i l ga _ b i l i 吼t h e j i g 酉n g m a c h i n ei s 州d e l yl l s e di 1 1j i g g i l l gp r o c e s sa r e a c u r r e n t l y ，a b o u t2 0t 07 0 p e r c e n to fr a wc o a li sc l e a n e db y l eji g g i n gs e p a r a t i o nt e c l l i l o l o g yi 1 1o u rc o u l l 田a i l d a b r o a d j i g 百n gs e p a r a t i o ni sam u l t i - f a c t o r s ，m u l t i - p a r 锄e t e r s ，c o m p l e xp r o c e s s ，w h j c hh a s m a l i l yc o u p l i n gf a c t o r s t h es t u d yo nd e t e c t i o na i l dp r o c e s s i i l go fp a r 锄e t e r sd i r e c t l y i m p a c t so nc o a l - w a s h i n gq u a l i t ) ，t be s 切b l i s hp e r f e c ta 1 1 dm a m r es e p a r a t i o nt 1 1 e o r i e si s s t i l lt 1 1 es c i e n t i f i ct o p i cw b j c ht h ec o a l 一s e p a u r a t i o na r e ah a sb e e np u r s u i i l g n l es u 功e c t 弛sa tt h es t u d yo fk e yt e c l l l l o l o g yo fs i g n a lp r o c e s s i n gf o rj i g g i l l g m a c h i n e ，p r o c e s s e s j i g g m g b e dm i c k n e s ss i g n a lb yj i g g i n g - b e da n dl o o s ep r o c e s s a n dt h ep a p e ra l s op u t s f o 刑a u r daw a yo fs y m h e t i cd e t e c t i o no fji g g i n gl o o s eo fe a c hl e v e l ，w l l i c hm e i i l l p l e m e n to ft h eb e s ta u t o m a t i c a l l ym a t c ho ft l l ep r o p o r t i o no fc o a lt ow a t e ra i l dt h e a u t o m a t i cr e g u l a t i o no fji g g m gf r e q u e n c ya n da j r - o m p u to fa i rv a l v ei sb a s e do n a c c o r d i i l g l y c o n t r o l l i l l ga c c u r a c ya r l de 岱c i e n c yi si m p r o v e da tl a s t t h er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o no fc o a l 一w a l s l l i n gp r o c e s sc e n t e r sa r o u n dj i g g i n g - b e d t o m a k es u r et l l ew h 0 1 es y s t e mi ss u c c e s s m l ，t 1 1 el a y e r i n gs 协t u sa n do f ji g g i i l g - b e dn e e dt o b es t u d i e df i r 吒j i g g i n g - b e d 廿_ l i c k n e s si n f o m a t i o ni 1 1w h i c hi tr e f e r st o ，b e c o m e sm e c o r er e s e a r c hp a r t o i lt l l eb 商so fa 1 1 a l y z m gc o a l w a s l l i n gt e c h n o l o g ) ，a n ds e p a r a t i o n 也e o r y t l l ea r t i c l em a i l l l y 蚰j d i e dj i g g i n g - b e dt l l i c k n e s ss i g n a la n dj i g g i l l gp r o c e s s ， w m c ht 1 1 e d e s i g n0 fm ec o n n o l l i i 培s y s t e m o fa i r - v a l v ep a r 锄e t e r sa n dd i s c h a r g i n g c o m r o l l i n gs y s t e ma r em a d eu s eo i i lt h ea i r - v a l v ec o m r o l l i l l ga n dd i s c h a u r g i n gc o l l 仃o l l i n gs y s t e m ，w m c hd o n tn e e dt o e s t a b l i s hm a _ t 1 1 e m a t i cm o d e l ，i ta d o p t st h ec o n 仃o l l e ro fa i r - v a l v ep a r a l e t e r sb a s e do n l o o s ed e t e c t i o na n dd i s c h a r g i n gc o r l 仃o l l e ri n s t e a do ft l l ef o 册e rp i dc o n t r o l l e ri 1 1t h e 1 1 i n gs y s t e m ，t h e i 1 1 s t i t u t i o no f j i g g i l l g ，m ed e s i g l la d o p t e dn e wi d e at h a _ tm g ha i l d1 0 wa i rr e c e i v e r sr e l a t e d t oji g 百n gc l 姗b e r 印a r t o nt l l eo fs e 劬1 9o fj i g g i n g _ b e de x p e c t a t i o n ，t h ep 印e rp u t s f 0 瑚，a r dan e w 、a yb a s e do n 也eb p n e u 工锄n e t 、) l ，o r k ，w 址c hi sa1 1 e w 姆c o m p a r e dt ot 1 1 e f - o h n e r 、v a yb ye x p e r i e n c e i nt h eu l t i m a t ec o n t r o l l i l l gg o a l ，t 1 1 ea u t o m a t i cc o m r o l l i i l g s y s t e mo fa s hd e t e c t i n gw a sc 删e do u t t h ew h o l es y s t e mw a l sa p p l i e dt ot l l e c o a l 。w a s l l i n gs c e n e ，w h i c hi m p r o v e ds 印a u r a t i o nq 砌i 够o fr a wc o a l ，e n s u r e de m e i p r i s e p r o f i t sa i l ds a v e dm a n p o w e ra 1 1 dr e s o u r c e s k e y w o r d s ：j i g g i i l g 。m a c h i z l e ；j i g 百n g - b e dt h i c k n e s ss i g n a l ；a i r - v a l v e ；d i s c h a r g i n g ；觎z y c o n 仃o l ：n e u r a ln e t 、v o r k 青岛理工大学工学硕士学位论文 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2 0 一7 0 。国内比例大约在6 0 以上，美国也在5 0 以上n 1 。 1 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9 0 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 a s 一2 0 0 0 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j k r m c 公司开发的j i g s c a n 控制器h 1 ，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a r 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。 本文在内容章节上作以下安排： 第一章，对本课题研究的意义目的及内容等作大体的介绍。 第二章，主要介绍了跳汰机的工作过程，分析了超声波传感器的作用原理， 并设计了传感器检测床层厚度信号后的处理电路。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 第三章，采用了基于床层厚度信号检测处理的床层松散度检测新方法，并据 此设计了风阀参数模糊控制系统。 第四章，针对床层厚度信号的检测，设计了排料模糊控制系统，并对给煤量、 溢流堰的高度，实现了自动控制。其中对于以往凭经验对床层厚度期望值设定问 题采用了神经网络的方法，得到了较好的效果。 第五章，针对基于松散度检测的风阀参数调控系统和排料系统在应用现场实 际之前，进行了程序编制介绍及仿真。运用三菱p l c 及触摸屏特有的编程、调试、 仿真软件进行了相关的仿真，整个系统运行正常，界面设计友好。 最后一章则对论文的主要工作做出了总结，并对今后的工作做了相关展望。 机 法 昭 、 筛 34 i 一原煤矸石一中煤段一精煤 卜小角度倾角筛板2 一排料轮3 一矸石排料口4 一中煤排料口 5 一风阀传动装置6 一数控风阀7 一溢流堰 图2 1 筛下空气室跳汰机外部结构及物料分层示意图 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 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 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 落回到筛板上，分层作用也基本停止。以上的进气、膨胀、排气、休止整个过程 就是一个跳汰周期。当风阀周期性地开闭，跳汰过程不断重复；与此同时，受垂 直水流的作用之外，床层也受到水平水流的作用，加之筛板具有2 5 度的倾角， 使床层在上下脉动的同时能够不断地向前移动。如图2 2 用一矸石的运动情况示 意。分层在不断跳汰的过程中逐渐完善，直到最终，高密度的矸石落在最下层， 并且排矸石电机带动排料轮将矸石从矸石段排料口排出；密度较小的中煤落在矸 石层上面，通过中煤溢流堰移到下一级床层，并且跳汰到中煤排料口由电机带动 排出；而密度最小的精煤层则处在床层最上层，随着水流被带走。如此即可分离 出矸石与各种灰分的煤质产物。 qp 研板 - 狲白蹴汰跺线 图2 2 矸石跳汰情况示意图 5 筝 重、形 讲即分 分层后 品的质 素主要 一、给料 跳汰机给料控制是跳汰过程的第一步。给料量以及给料的粒度、密度分布对 跳汰机的处理能力以及跳汰获得良好的分选效果影响较深。给料量( 给料的速度) 不同，相应的风阀操作、排料操作等各方面就要作相应的调整，给料控制需保证 送入跳汰室的原煤与水的比例合理，以保证跳汰机的洗煤处理能力。本设计可根 据原煤的性质变化自动调整给料量的大小。 二、风阀操作 跳汰机风阀与外部高、低压风包相连，风阀开、闭的交替过程带来水流的脉 动，从而使跳汰室中的床层物料产生上下跳汰过程而实现分层。风阀参数主要包 括风阀开度、风阀开闭时间间隔以及跳汰的周期和频率。风阀开度大小的改变直 接影响风量的大小，从而对脉动水流也带来影响。风阀开、闭的时间间隔以及跳 汰周期对床层托起的高度和床层松散状况影响较大，床层分层效果也会产生不 同。论文后续章节将分析风阀参数与床层松散度间的关系，并通过对风阀周期等 参数的调控来实现合适的床层松散度。 三、排料操作 床层按照比重进行有效分层后，矸石或中煤在跳汰的同时到达各自排料口， 将其连续、智能地排出跳汰室成为关键。排料过程是跳汰洗煤过程中十分重要的 环节，它由排料电机带动操作，其进行的目的即是通过排料使跳汰床层保持稳定。 产物的排出应做到智能化，跳汰过程中，由传感器检测矸石厚度，与设定的厚度 值进行比较，当实测值大于设定值时，排料电机变频运行。若遇原煤质量较差， 矸石过厚时，电机全速运行的同时，还应自动加高溢流堰的高度，并且减慢给煤 6 青岛理 电机的速度。 四、煤的灰分 煤的灰分，就是指煤在完 同用户对于煤的灰分有不同的 的产品。在洗煤现场成品煤配备有灰分检测装置，它将实时检测灰分数据，与用 户需求设定值进行比较，通过相应的反馈控制尽可能高精度地使灰分值达到用户 要求灰分指标。 五、床层 洗煤床层的状态在整个洗煤过程中起着至关重要的作用。床层厚度的稳定是 保证不跑煤、有效地按密度分层的前提。通过自动排料的控制操作就是要使床层 保持在稳定的高度。床层较厚，而风量、水量一定时，床层将达不到合适的松散 状况，分层也会受到影响。而较薄的床层，会影响洗选的效率，床层过薄，吸啜 作用自然过强，精煤透筛现象增加，导致床层不稳定以及精煤的浪费。床层若时 厚时薄，当相应的控制措施滞后，就会导致床层的分层规律不断变化，分层的秩 序得不到稳定u 副。经验表明，床层厚度适中，将有良好松散状况，床层分选的精 度也较高。 同时，筛板的小角度倾斜以及合适的风水量，与床层上半部分物料( 主要为 中煤、精煤) 的水平移走的速度相对应。不宜过快或过慢，应当与整个床层的跳 汰分层速度保持协调。 鉴于保持床层厚度稳定的重要性，床层厚度的检测就成为洗煤自动控制过程 当中重要的一环。厚度检测包括整个床层、矸石层以及中煤层的检测过程。设计 也将采用超声波传感器与浮标相结合的方式对各个床层进行测量。自动排料过程 中通过排料来使床层保持稳定，根据精煤灰分、矸石层厚度以及床层松散度等要 素综合确定床层稳定的期望值，再利用传感器的实际检测结果与床层厚度的期望 值进行比较，控制输出排料速度。同时，床层松散状况也可利用各个床层厚度间 接表示。后续章节将作详细阐述。综合来看，床层厚度信号的检测以及处理成为 影响洗煤自动控制过程和原煤洗选效果的重要因素。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 跳汰机床层信号检测及处理 2 2 1 床层厚度信号的概述 跳汰机床层的厚度检测在整个跳汰自动控制系统中是核心的环节，它直接影 响到给煤控制、风阀参数的调控，也与床层分层效果以及自动排料的控制过程息 息相关。跳汰机的自动控制对床层厚度的检测装置需有较高的要求n 引。首先，准 确测量的要求。检测装置必须对整个床层以及各部分床层的位置有准确定位。以 往的经验表明，在床层由松散状态变为静止落于筛板上的短暂时刻，( 即跳汰的 密实期) 此时测得的床层厚度才是准确的。其次，要有良好的跟随特性。床层厚 度不断变化，检测装置也应该实时跟随。厚度较厚或较薄时，检测若有较大滞后 性，则会对排料等各个环节造成影响，使得损失增加。再次，对应性的要求。就 是床层厚度信号与检测装置即传感器的输出信号之间要有良好的对应，这样有利 于检测精度的提高。 在以往的洗煤自动控制系统研究当中，大多是采用浮标传感器来进行床层厚 度的检测。浮标是一种利用耐磨及耐腐蚀材料做成的形状和密度固定的密封中空 器具4 1 。它运用重力漂浮原理，做成不同的密度，并将其放于对应密度的床层中， 这样基本上可模拟对应的相同密度床层的运动情况。同时，用浮标作成的浮标传 感器是差动变压器式的传感元件。差动变压器是感应式位移传感器中应用最广的 一种。变压器开口有一活动铁芯，铁芯产生位移时磁路就会发生改变，从而输出 的差动电压也随之改变。当床层厚度发生改变，浮标的位置也会改变，从而使输 出的电压信号变化，达到检测厚度数据的目的。 浮标差动变压器式传感器连同浮标一起置于床层中，属于接触式传感器元 件，而在床层的不断运动以及传感器与床层物料接触摩擦的过程中，对于信号的 检测工作难免有不同程度的影响，而且接触式的传感器精度较低，抗粉尘的能力 也较差，很容易失灵。 在本设计当中，为了克服以上接触式传感器的缺点，根据洗煤现场情况，采 用超声波传感器与浮标结合的非接触式检测方式。利用先进的超声波技术，使传 感装置对于环境的适应性增强，给信号检测工作带来了计算上和控制上的方便与 快捷，同时检测设备的精度和寿命也随之提高。 而使声波传播的频率、振幅、波形等发生相应的变化。通过一些实际的方法来测 定所产生的变化，就可得到不同介质的材料的性质等相应的数据。超声波传感器 按照工作原理来划分可分为压电式、磁滞伸缩式、电磁式等种类。传统的超声波 传感器一般使用电容式麦克风类的可变电容转换器、扬声器类动圈式转换器或者 磁滞伸缩式系列，而现在压电振子式器件开始越来越广泛地占据超声波传感器市 场，成为各行业内最常用的传感器之一。 压电式超声波传感器是由压电晶体和压电陶瓷材料制成的，并利用压电材料 的压电效应来进行工作。压电材料与金属片构成一共振器，合称双压电晶体元件， 当向此元件加一电信号时，元件就会发生弯曲振动并发射出超声波。而反过来， 当向元件施加超声振动辐射出超声波时，元件就会产生电信号。利用此谐振效果 就可得到压电式超声波的作用原理。如图2 3 压电式超声波传感器的结构图所 示，它由双压电振子、锥形谐振板、黏合支点等组成。 当给传感器两引线电极施加脉冲信号时，若信号频率与双压电振子的固有频 率达到相同，则压电振子将会产生共振，带动谐振板振动，由此产生超声波。相 反的，当两电极间未加电压，而谐振板接收到超声波信号，压电晶片伸缩，振子 产生振动，晶片的两界面上便产生交变电荷，电荷经转换成电压后放大。这种振 动的机械能便转换成电信号n 引。两种状态下传感器分别利用了压电效应以及逆效 应原理，在发射和接收模式下循环切换，兼作超声波发生器和接收器的两种用途。 简易原理图如图2 4 所示。此类单探头超声波传感器，因发射和接收仅使用一个 9 图2 4 超声波传感器简易原理图 2 2 3 床层厚度信号的检测及处理 床层厚度的检测在基于松散度检测的风阀参数调控系统以及自动排料系统 中都是至关重要的环节，从而床层厚度信号检测的质量也影响到整个洗煤自动控 制操作和洗煤的效果。 在矸石段床层，需检测量为整个床层厚度、矸石层厚度，在中煤段，需检测 量为中煤厚度。床层厚度的检测通过超声波传感器与浮标相结合的方式进行。浮 标被分别做成比矸石、中煤和精煤各自比重略小的圆形中空容器，使之分别放置 在矸石层、中煤层和精煤层的上方，这样，与各煤层比重相当的浮标，其上下运 动情况基本上代表了各自煤层的运动高度变化。浮标的使用应注意以下两方面： 第一，浮标不宜作成高度较大的长形体。高度过大，有可能跨越不同密度床层， 对浮标真实的运动状态造成测量上的误差；第二，浮标作成的形状要注意对床层 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 的阻力尽量小。阻力过大，则床层当中的部分颗粒对浮标的上下运动造成一定影 响，使浮标不能很好地代表床层的运动情况。当放置好各层的浮标后，再用相同 数量的超声波传感器对各个浮标进行超声波的发射与接收，实现超声波传感器对 浮标，即对于床层各层的测距操作。 超声波测距方法主要有共振法和脉冲反射法，其中后者因应用及计算简 单，使用较为广泛。设计中也采用的脉冲反射式。超声波传感器能进行测距操作， 是利用了超声波在不同介质分界面上的反射特性n ”。当超声波发射器向某一特定 方向发射超声波，超声波先在空气中传播，当遇到所测物体后就会反射回来，接 收器接收反射回来的超声波。发射时刻和接收到超声波时刻分别计时，两时刻间 的时间间隔t 即得到。超声波在空气中的传播速度一般情况下为常数c ，利用 ， s = c 公式，即可得到超声波发射处离待测物体的距离s 。此处需注意，超声 2 波在空气中的传播速度与温度高低成一定的关系，下表2 1 列出了不同温度对应 下超声波在空气中传播速度。一般来讲，温度在1 5 时，速度与声波在空气中 的传播速度相同，每升高1 ，声速就会增加大约o 6 m s n 引。 表2 1 声音与超声波传播速度对应表 温度( )- 2 0 1 0 0 1 5 2 0 速度( 米秒) 3 1 93 2 5 3 2 3 3 4 03 4 4 在选煤现场，根据课题设计的要求，超声波传感器置于床层上方，如图2 5 所示与各自密度的浮标正对。超声波反射板与浮标连为一体，之间无相对运动。 反射板与浮标左侧由一环连接于固定位置。反射板用来接收反射超声波，当浮标 随床层上下浮动时，反射板亦随着上下运动，通过超声波传感器检测距反射板的 距离，再经过相应距离的转换，间接检测到床层的厚度。 利用超声波传感器的测距设计方案如图2 6 所示。 市售的超声波传感器一般有2 3 、4 0 、7 5 、2 0 0 k h z 等谐振频率，发射与接收 频率为3 5 4 0 k h z ，一般取4 0 k h z 。在设计超声波发生器的过程中，一部分研究者 选用了单片机控制器，利用定时中断，产生4 0 k h z 的脉冲方波，以产生超声波发 射信号，而当检测到回波时，再对信号进行放大、滤波等处理n 刚。当回波信号变 低电平，控制器产生中断，如此实现定时，可计算时间。也有部分研究者提出采 青岛理工大学工学硕士学位论文 生传感器驱动控制信号隍们。还有研究者尝试用数字处理芯片d s p 与5 5 5 图 、_ ， 、- - 、- ，_ 篙薹曼= r 嫠嘉釜 o 一浮杯 图2 5 洗选现场超声波传感器检测厚度 怒南液 反射笈 。一渤： 图2 6 超声波传感器测距设计原理 定时器来控制发出4 0 k h z 方波晗。课题设计现有三菱f x 一2 n 系列p l c 为系统设计 的主控制器。而f x 一2 n 控制器其脉冲输出指令的范围为2 k 2 0 k h z ，即只能输出 不高于2 0 k h z 频率的脉冲，而p l c 中定时器的定时范围亦达不到所需精度，无法 实现4 0 k h z 高频的脉冲宽度。因而设计时采用5 5 5 定时器用作多谐振荡器构成超 声波传感器发射驱动电路晗别。 采用5 5 5 定时器的超声波传感器发射电路如图2 7 所示。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 75 5 5 定时器构成的超声波传感器发送电路 如图中所示，电容c ，初始电压尸o ，t = o 时刻接通电源，电容电压不能突 1 变，所旷= o 。冬 图3 一1 3 矸石段煤层松散度e 及e c 隶属度函数 青岛理工大学工学硕士学位论文 表3 3 为实际e 与模糊化e 的对照表 e一1 一1 ，- 0 8 ) 一0 8 ，一0 6 ) 一o 6 ，一0 4 )卜0 4 ，一0 2 ) - 0 2 ，一o 1 ) 一o 1 ，+ o 1 ) e一654321 0 e1 0 8 ， 1 ) 0 6 ，o 8 ) 0 4 ，0 6 ) 0 2 ，0 4 ) 0 1 ，0 2 ) e+ 6+ 5+ 4+ 3+ 2+ 1 2 模糊规则 在以往大量的操作过程中，现场操作人员用探杆对床层手动探测，之后据床 层探测情况对各类操作进行调整，多次操作后可使床层得到较好的分层状况。收 集整理操作者的手动控制经验及相关专家的理论经验，并在大量分析历史数据的 基础上，可总结出不同松散状态下的风阀参数的控制规则。 ( 1 ) 当松散度偏小，即松散度误差e 为负大，此时床层松散效果很差，跳动 不起来，说明跳汰室进气量太小，使床层脉动幅度过小，此时应同时加大进气期 和排气期，也要减小跳汰频率协”。具体的操作控制为： r f = f 一1 ； i 进气期t 进= t 进+ 3 ； l 【排气期t 捧= t 捧+ 2 。 ( 2 ) 当松散度偏大，即e 为正大，此时床层松散较剧烈，说明此时进气量偏 大，床层脉动强烈，床层分层紊乱，此时应减小进气期和排气期，同时加大跳汰 频率。具体的操作控制为： f f = f + 1 ，( f 5 8 ) i 进左气期t 进= t 进一3 ； l 【排气期t 捧= t 捧+ 2 。 i fea n de ct 1 1 e nua n di fea n de c也e nv a 1 1 d a i l di fe a n d e c t h e nw 形成的模糊控制规则表如表3 4 所示。 3 模糊推理 按照模糊集合与模糊关系的理论，输入量进行模糊化后，据总结的模糊规则， 进行相应的模糊推理，采用m a m d a n i 推理算法，从输入x 到输出y 的模糊关系 由( 3 8 ) 式可以得到。则新的输出由( 3 9 ) 式确定，即： 青岛理工大学工学硕士学位论文 毒2 4 。擘2 y 善( 么( z ) ( 4 ( x ) 人拿( 少) ) ) 7 y 。 表3 4 模糊控制规则表 e u 、v 、w n bn mn szp sp mp b n bp bp mp sz p bp s n mp bzn s p mp s n szn m p mn s e czp szn s p m p sp szn s n m n b p mp szn sn m n b p bzn sn mn b 4 解模糊 经过以上推理，得到了风阀参数包括进气、排气周期间隔的模糊语言，将其 转换成确定的控制物理量，即解模糊化过程。设计采用常用的重心法。若输出为 开 u ( “，) “， 嘶，比。w 。则有实际输出参数值为“o = 鼍一 u ( “，) ，= l 在模糊推理过程中，模糊关系r 的合成运算浪费大量计算时间和计算机内存 资源，且r 维数越高，运算消耗时间越长，极易影响控制系统实时性。在实际设 计中，可由松散度误差e 和e c 论域全体元素的组合以及模糊决策，进行离线计 算，由此得到的输出风阀参数控制量u ，构成如表3 5 所示的矩阵表【3 8 】。将此表 存放于p l c 控制的内存中，当系统采样得到e 和e c 的模糊等级后，通过查表方 式即可得到输出的决策值。 具体实现模糊控制时，一般是将上述查询矩阵表先保存在上位机中。具体控 制过程中，再根据采样值的e 与e c ，查询此表，得到实际输出风阀参数，最后 乘以相应的比例因子即可。 3 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 表3 5 模糊控制输出查询矩阵表 e u 一6543210123456 一66560663310o00 5555555533loo0 46565666 3 3100o 一35555555 2 1o一111 23334333000111 13334331o0o一221 e c o 3 334l o 0 一l 一11333 l222 2 0o一133 23 33 21l1一lo一23332 3 33 3 000 1 225 一 一55一0一aa d 4 o0o一133666一b一605 50oo一1335一b一55一b一05 6000133666一a一6一a一6 4 1 跳 4 1 1 当物料床层在筛板上按照密度分层后，在矸石段跳汰室，矸石位于最下方， 将通过矸石排料口排出跳汰室；而在中煤段床层，中煤段在精煤下方，也将通过 中煤排料口排出。排重产物的过程需保证智能化，以使床层保持在固定的厚度， 维持床层稳定。排料控制的基本过程参数如下： 一、床层期望值设定 设定洗煤床层的期望值即使床层保持固定的高度值。实际的床层厚度将与此 设定值进行比较，以此驱动控制排料电机，因而设定值的大小作为一个标准，间 接决定了床层的上下跳汰情况，进而影响床层的松散与分层效果。 二、床层厚度检测 如第二章所述，超声波传感器与浮标结合实时检测床层厚度。矸石床层厚度 采集时，因前段