(毕业论文)基于PLC的跳汰机自动控制系统研究.doc

编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）题目： 基于plc的跳汰机自动控制系统研究 姓名： 学号： 班级： 中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 学 号： 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 基于plc的跳汰机自动控制系统研究 专 题： 指导教师： 职 称： 教授 2012 年 6 月 中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气二2010-2 学生姓名 任务下达日期：2012 年 2 月 20 日毕业设计日期：2012 年 3 月 5 日至 2012 年 6 月 4 日毕业设计题目：基于plc的跳汰机自动控制系统研究毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：跳汰机是一种重要的煤炭洗选设备，洗煤厂综合自动化已成为一种主流发展趋势。本毕业设计要求全面了解跳汰洗选工艺和生产过程、系统组成、监测和控制节点和参数；以plc为控制核心，设计一种基于plc的跳汰机自动控制系统，要求对plc、输入输出模块等进行具体选型，设计出完整的控制系统结构，并进行相应的程序开发和仿真实验。另外，翻译与本毕业设计内容相关的、最新的、字数不少于3000的外文资料；参阅中外文参考文献资料不少于40篇，其中外文资料不少于15篇。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要跳汰选煤作为一种基本的选煤方法，在如今的选煤技术中仍然占有很大一部分的比例。影响洗选过程的因素很多，如：给煤量及均匀性、跳汰机风阀周期特性（跳汰频率及进、排气时间）、风量和水量、床层状态、洗水浓度等。跳汰机的关键设备电磁风阀直接影响跳汰机的运行。通过改善电磁风阀的控制效果来提高精煤产率，已经成为跳汰选煤的研究热点之一。本论文研究了基于plc的跳汰机风阀的自动控制系统，区别于以前的逻辑控制或传统pid控制。首先，介绍了风阀类型及各自的优缺点并简述风阀控制系统的控制策略；其次，重点研究了风阀控制系统的软硬件设计：硬件部分包括plc选型与i/o分配及外部接线图，软件部分详细介绍了风阀控制系统的组成、程序设计与仿真等。在整个控制系统中，通过上位机对plc进行编程，td200完成参数设定，输出采用中断响应法控制进、排气时间来确保程序执行的实时性，达到了预先设定的控制精度，实现了最优控制，提高了精煤产率，获得预期的效果。关键词：跳汰机；可编程控制器；风阀控制abstractjigger as one of basic method still prevails in part of the scale in todays coal cleaning technology. there are many factors, which affect the effect of coal running, such as coal quantity and uniformity, controls of air-valve, air and water, the ststus of coal bed, wash water concentration and so on. the key equipment of the jig-electromagnetism air-valve directly affects the operation of the jig. amending the control sffect of the air-valve to improve the refining coals rate is being one of the study hotspot in jigger. in this thesis, an auto-control draft for jigging air-vavle based on plc, different from logical control and traditional pid. firstly, introduced the air-valves type and the respective advantages and disadvantages, and the air-valve control system control strategy; second, focus on the air-valve control system hardware and software design: the hardware part includes the selection of plc and i/o distribution and the external wiring diagram, the software part introduces the air valve control system composition, program design and simulation.in the whole control system, through the host computer programming of plc, td200complete parameter set, output using interrupt response method to control the inlet, exhaust time to ensure that the procedures for the implementation of the real time, reached a predetermined control precision, realize the optimal control, improve the cleaned coal yield, obtain the anticipated effect.keywords：jigger；air-valve control；plc 目 录1 绪论11.1 跳汰选煤技术发展11.2 我国发展现状22 跳汰机及其选煤机理22.1 跳汰机的分类22.2 跳汰机的工作原理42.3 跳汰机操作工艺因素53 跳汰机风阀与控制策略113.1 跳汰机风阀113.2 风阀控制系统控制策略164 跳汰机风阀控制系统硬件设计174.1 风阀控制系统原理174.2 可编程控制器184.2.1 i/o信号184.2.2 plc技术指标194.2.3 i/o外部接线图205 跳汰机风阀控制系统软件设计215.1 风阀控制程序225.2 通讯程序376 总 结41参考文献42翻译部分44英文原文44中文译文52致 谢59 中国矿业大学2012届本科生毕业设计 第 61 页 1 绪论1.1 跳汰选煤技术发展跳汰选煤的发展至今已有100 多年历史。最初用于选煤的是一种手动的动筛式跳汰机，也就是把人工淘选矿沙的方法应用于选煤。到了19 世纪中叶以后，由于冶金、机械工业的兴起，跳汰选煤得到迅速发展。1840年开始，在煤矿中应用了偏心传动的具有固定筛板的活塞式跳汰机。1892年出现了第一台类似现代形式的用压缩空气驱动的无活塞跳汰机。随着选煤技术的发展，在跳汰机的研制方面，也逐步得到改进和完善。从筛侧空气室跳汰机到筛下空气室跳汰机，对提高跳汰机单机处理量有了较大突破，使跳汰机台时处理量由原来的几吨、几十吨，发展到现在的几百吨。跳汰面积由几平方米、十几平方米，逐步发展到如今的40m2 的大型跳汰机。在一定的跳汰理论指导下，改进了跳汰机风阀的结构：由原来的滑动风阀改进为旋转风阀，特别是20 世纪80 年代初期，我国选煤技术人员研制成功的并被广泛使用的数控风阀，使跳汰机内水流脉动更趋于合理。在跳汰机结构设计方面，消化、吸收国外先进技术，研制的skt系列和x系列新型跳汰机能与世界先进水平相媲美；跳汰机水流脉动合理、脉动水流沿跳汰机筛板宽度分布均匀，产品排放准确畅通，处理量大，分选效率高。世界各主要国家的选煤方法的比例（2001年）大致如表1.1所示。近来又有些变化，南非又开始研究应用跳汰选煤，而我国由于难选煤和极难选煤的增多和大直径重介旋流器的发展，跳汰选煤所占的比例将有所下降。跳汰选煤分选精度虽然不如重介方法，但它的投资费用和生产费用较低，工艺系统简单可靠，随着跳汰机结构的不断完善和智能化，跳汰选煤具有更广泛的适应性，因此仍是目前主要的选煤方法。表1.1 主要产煤国家的选煤方法的比例（%）选煤方法美国澳大利亚南非中国印度德国俄罗斯英国跳汰132206047794630重介5260852335152430泡沫浮选1810514261015其它1781031601825随着选煤工业的发展，对跳汰理论的研究也日益被人们所重视。从1867年奥地利人雷庭智开始研究单个颗粒在流体介质中的运动规律起，至今已有100 多年的历史。由于跳汰过程的影响因素很多，而且各种因素的变化又很大，因而，跳汰理论的研究相对较困难。至今对跳汰理论的认识还不够充分，虽然已提出了许多种跳汰假说，从不同方面对跳汰分选过程进行了分析、研究和探讨，其中一些比较好的假说，也只能反映跳汰分选过程某些方面的规律性，对选煤生产起一定的指导作用，但还没有得出一种能为大家一致公认的理论。1.2 我国发展现状跳汰选煤是在垂直升降的变速介质流中按矿粒密度进行分选的过程。是否采用跳汰方法选煤的关键看原煤的可选性。而原煤的可选性就是原煤在洗选过程中获得一定质量产品的可能性和难易程度。它是一种工艺技术评价指标, 主要评价在某种选煤过程中能否获得既定质量的产品。影响原煤可选性难易的因素主要是产品的质量要求、选煤方法和工艺技术。而可选性难易又决定采用哪种选煤方法。原则上, 中等可选、易选的和极易选的3 种原煤都应采用跳汰选煤方法。难选煤是用跳汰选还是用重介选, 应通过技术经济比较后来确定, 对极难选煤, 原则上必须采用重介法, 以求高水平、高质量和高效益。我国煤炭可选性从整体上说属中等可选和难选, 有部分易选和极难选。从选煤业开始至今, 由于重介选是一个相对新的工艺, 并一直处在不断完善之中, 又由于经济实力等原因, 除干选等特殊工艺外, 一般都采用了成熟且技术经济比合适的跳汰选煤方法, 并在实践中进一步完善, 如不断提高自动控制水平。从我们对各省矿区选煤工艺调查情况来看也说明了这一点。我国大部分选煤厂采用跳汰方法及其工艺, 或与浮选、重介联合的选煤工艺。调查中发现, 有的选煤厂由于管理科学、工艺合理, 跳汰机虽然使用时间较长, 也能正常工作, 且能满足正常生产的需要。2 跳汰机及其选煤机理2.1 跳汰机的分类目前，选煤和选矿用跳汰机已有近百种之多，大致分类如下：图2.1 跳汰机类型按入选物料的粒度来分可分为：块煤跳汰机（入选物料粒度为10 或13mm以上的）、末煤跳汰机（入选物料粒度为10或13mm 以下的）、不分级煤跳汰机（入选物料粒度为50或100mm 以上的）和煤泥跳汰机等。末煤跳汰机也常用于入选不分级原煤。按所选出的产品种类来分，可分为：单段跳汰机（仅选出两种最终产品），两段跳汰机（能选出三种最终产品）和三段跳汰机（能选出四种最终产品）。按其在流程中的位置来分可分为：主选跳汰机（入选原煤）和再选跳汰机（处理主选中煤）。按重产物的水平移动方向来分可分为：正排矸式（矸石层水平移动方向与煤流方向一致的排料方式）和倒排矸式（矸石层水平移动方向与煤流方向相反的排料方式）。按跳汰机脉动水流的形成方法来分可分为：活塞式跳汰机、隔膜跳汰机和空气脉动跳汰机。在选煤厂隔膜跳汰机用得较少，活塞式跳汰机也只有地方性的小厂使用，多数是依靠自己的力量就地制造的，而空气脉动跳汰机却被广泛使用。空气脉动跳汰机按其空气室的位置不同，可分为筛侧空气室式跳汰机和筛下空气室式跳汰机两种。以筛下空气室式跳汰机为例，筛下空气室跳汰机的空气室安设在跳汰机体内的下方。筛下空气室跳汰机的工作过程是将压缩空气经风阀控制，交替地压入和排出空气室，从而使跳汰机中的水位上升和下降，形成脉动水流。筛下空气室跳汰机由矸石段与中煤段组成，在矸石段有两个跳汰室，中煤段有三个跳汰室。每个跳汰室有三个空气室，每段空气室间距相等。在每个跳汰室装设两个电磁风阀，一个风阀为进气阀，另一个为排气阀。压缩空气由空气室的一端给入，在跳汰室顶部有上下两个孔，上面的孔与风阀的进气口相连，压入压缩空气，下面设有五个风水管，分别与空气室的进水孔相通。在每个风水管上装有风阀，用来调节各室的补充水量。结构如下所示：图2.2筛下空气室跳汰机基本结构1下机体；2上机体；3风水包；4风阀；5风阀传动装置；6筛板；7水位灯光指示器；8空气室；9排料装置；10中煤段护板；11溢流堰盖板；12水管；13水位接点；14排料装置电动机；15检查孔2.2 跳汰机的工作原理跳汰是在交替上升和下降的水流中，使受分选的物料按颗粒密度不同进行分离的过程，跳汰机是实现这种过程，且使这种操作得以连续进行的设备。跳汰机由箱体、隔板、风阀、筛板及自动控制系统组成。隔板是未达机底的垂直隔板，将机箱分成两个部分，带有筛板的工作室和空气室。由于风阀的进、排气作用，在空气室中造成交替上升和下降的脉动水流，受分选的物料中各种不同密度和形状的颗粒，就是在这样的水流中进行分离。当水流向上冲击时，筛面上的物料被扬起，并呈悬浮状态，轻重、大小不同的矿粒具有不同上升和下沉的速度。互相移动位置，在上升水流末期，不同密度和粒度的颗粒开始按各自的沉降速度下沉，高密度的粗颗粒沉降得最快，位于下层，低密度的细颗粒位于上层，当水流下降时，又产生吸啜作用，高密度的细颗粒在吸啜力下，穿过粗粒间的间隙，透过筛板落入机体下部，称谓“透筛”排料，低密度的细粒煤由于沉降速度慢，覆盖在上层。在连续跳汰过程中，入料一方面在上升下降交变的水流中按密度分层，另一方面又在水平流的作用下，物料由入料端向排料端移动，上层的轻产物将与水一起，流过溢流堰，排出机外，中煤与矸石分别从矸石段和中煤段的排料闸门排放到机体下部，并与透筛物料一起被斗式提升机运走。物料在跳汰过程中之所以能分层，起主要作用的内因是矿粒自身的性质，但能让分层得以实现的客观条件，则是垂直升降的交变水流。由于它的存在，原本密集的床层获得松散，同时在已获得松散的床层中，密度、粒度、形状各不相同的颗粒，表现出不同的运动状态，最终得到矸石、中煤和精煤三种产物。图2.3 跳汰机的工作原理原煤；精煤；精煤和中煤的混合物；中煤；中煤和矸石的混合物；矸石2.3 跳汰机操作工艺因素影响跳汰选煤效果的主要因素是原料煤性质（密度和粒度组成）、给煤量与均匀性、跳汰机结构和跳汰机的工作制度等。在生产条件下，跳汰机已定，原料煤在一定时期内相对稳定，因此跳汰机工作制度就成为影响跳汰分选效果的重要因素。但工作制度的调整仍与原煤的性质有关。1给煤量及均匀性随着采煤综合机械化水平的提高，资源利用的日益扩大，毛煤和原煤质量日趋恶化，细粒度含量增高，而入选的原料煤大都未经均质化处理。跳汰机入料性质的波动及给煤量的变化将会对跳汰机的工艺效果产生显著的影响。因此，要求入料性质（密度和粒度组成）的波动应尽量小，能够在稳定在适当的范围内，给煤量和给煤速度要均匀，以保持床层稳定，并在一定的风水制度下保持床层处于最佳的分选状态，以降低煤在矸石中的损失，提高分选效率。相反，如果煤炭可选性时易、时难，给料时多、时少、时断、时续，就会导致床层不稳定，这对分选是不利的。同时，给料沿跳汰机宽度上分布要均匀，伴随物料给入的冲水一定要使原煤润湿，防止打团、漂浮，使精煤质量降低，特别是分选不分级煤和粉煤含量较高时更为重要。要注意给料粒度组成的影响。细粒需要较高的分选密度，而粗粒则分选密度较低。但如果某一中间粒级过少，则会给分选带来困难。床层中要有一定的细料物料量，用来填充床层中的空隙，帮助调节下降流吸啜作用对大粒级的影响，以减少水量消耗又不影响效率。但过量的末煤将会引起床层拥塞和水流脉动的迟缓，使床层失去活动性，应急的解决办法是减缓大粒级的排放速度。对于分选250mm的煤或者100mm的煤要采用人工床层。原煤在入选前要采用电磁除铁器除铁，动筛或手选出矸石、除杂，大块经破碎后入洗。另在跳汰机矸石段、中煤段分别设有除杂装置，给煤机采用变频调速装置（由跳汰机控制柜控制），可有效保证给煤量和均匀性，基本上能保证精煤的纯度。对于用同一种跳汰机可能分选几个矿原煤的选煤厂和分选性质差异较大的几个煤层煤的选煤厂，为了确保入料性质均匀性，应尽可能采取均质化或配煤入洗的措施，以使原煤均质化入洗。2跳汰频率与脉动水流振幅跳汰频率和脉动水流振幅是跳汰过程中的重要调整参数，频率决定一个跳汰周期所经历的时间，而脉动水流的振幅决定床层在上升期间扬起的高度，它们直接影响床层的松散度和跳汰分层。影响跳汰频率和振幅的因素是：物料粒度与床层厚度，给煤量及物料的相对密度。一般，跳汰频率低，处理量相对较大。高频率跳汰仅能使床层小部分膨胀，因此对于分级块煤或易选煤频率太高是不可取的。当给料中细粒煤含量过多（超过25%）时最好预先脱泥。低密度物要求较低的跳汰速度，因为沉降速度较慢。在风阀进、排气口面积一定的情况下，增大频率加快了进、排气口的打开速度，空气室升压速度加快，以较大的爆发力驱动水流运动。反之，升压缓慢则水流振动无力。正常情况下，可以通过改变跳汰频率来调整床层的松散度。加大频率通常都是振幅降低，吸啜力增加，适合于细颗粒煤洗选。当原料煤粒度发生变化时，可用改变跳汰频率的方法来调整床层状态。一般情况下，末煤跳汰频率高于55次/min，块煤低于45次/min，不分级煤跳汰频率为3060次/min。采用这样的频率一般都能满足床层松散度的需要，得到较好的分选效果。为了满足矸石段、中煤段各自不同的分选需要，有的跳汰机（如skt2002型）采用多频脉动技术，矸石段、中煤段可根据需要分别设定不同的频率。矸石段物料密度高、粒度大，可采用较低的频率；中煤段物料密度低、粒度小，可采用较高的频率。一般可用改变风压、风量（调节风门）、风阀进气孔和排气孔面积以及频率的方法调整振幅。调整振幅，同时也改变了床层的松散度。有的跳汰机（如skt型）为了方便调整，在进、排气口分别设有手动或电动蝶阀，用来适当调整进、排气口面积，以达到所需的洗水振幅。进、排气口面积同时加大才能提高洗水振幅。跳汰频率对整个跳汰周期中各阶段的时间都按比例增减，但对洗水振幅的影响较大。在现场实际操作中，振幅和频率的调整要相互配合，合理搭配。床层必须扬起的高度主要与给料的粒度及床层的厚度有关。矸石段粒度大、床层厚，就要求有较大的洗水频率。中煤段粒度大、床层薄，要求有较小的洗水频率。在同段内，顺煤流方向由大变小。skt系列跳汰机的跳汰频率可根据需要调整，调整范围可达30150mm。3风阀周期风阀周期是指风阀进气、膨胀、排气和压缩（休止）期时间的设置比例。在煤质稳定的情况下，一般很少再调节。在一个周期内，进气使床层升起，膨胀使床层松散度分层，排气是粉矸透筛。各期的选择应根据物料的性质来确定。物料中矸石含量多时，应选用较长的进气期；粉矸多时，为了加强吸啜透筛，减少粉矸污染精煤，排气期应长一些。若物料中细颗粒煤含量较多，排气期应短一些，以防止精煤损失。理想的情况是水流在相对较短的时间内做上升运动后，床层沿全高度的松散度能达到最大值，然后使颗粒尽可能按各自的相对密度干扰沉降，知道颗粒密实后开始第二个周期。在操作过程中，要注意进气期不能太长，进气期过长，床层翻花不利于分层，应以达到跳汰所需的振幅为宜；排气期要设置合理，空气室内要留有一定的余压。排气期过长，排气口会出现喷水现象，甚至无法正常跳汰分选。此外，在同一段中各室风阀的周期特性要保持连续，以使床层向前运动是均匀协调。脉动水流特性主要决定风阀的周期特性。合适的风阀特性必须由实践来确定，用产品质量、处理量、数量效率等指标来衡量。图为某筛侧空气室跳汰机风阀周期的进、排气期的分配情况。（a） 风阀周期（b） 风阀周期划分图2.4 某筛侧空气室跳汰机风阀周期的进、排气期的分配新型skt跳汰机采用多室共用数控立式锥形变径滑动风阀，各段周期特性一致，可以保证床层的整起散落，为跳汰分选创造了有利的条件。4风量和水量风（压缩空气）的作用是鼓动水流脉动。单位时间内风量越大，压入的水量越多，床层升起越高，排气期下降水速也相对较大（与空气室剩余风量和风压有关）。风是跳汰选煤的动力源。风量可以改变振幅，从而通过水量来改变床层的松散度。增大风量使床层升的更高，造成水流较强的上下脉动。矸石段的风量要比中煤段的风量大一些，粒度大时适当增加风量，粒度小时适当减少风量。通常，筛侧空气室跳汰机用的风压为0.0180.025mpa，筛下空气室跳汰机用的风压为0.0250.05mpa。用风量参见下表。鼓风机能力一般约为7.5m3/m2筛板面积。表2.1 跳汰机用风量跳汰机的类型单位筛面空气耗量/m3（m2min）-1筛下空气室跳汰机56筛侧空气室跳汰机56混合入选56选块煤56选末煤34水的作用是作为一种介质使床层升起，形成分选空间，使矿粒相对运动实现分层，并从跳汰机中排出。用水量包括筛下顶水（反向水）和与给料一起进入的冲水（上部水）。顶水提供水流脉动，吸啜作用和促进活动性，而上部冲水则是湿润给料和使其划入跳汰室。冲水量约占总水量的20%30%，顶水约占70%80%（粗略计，顶水和冲水的比例大约是2：1）。增加顶水量，能提高床层松散度，减弱吸啜作用和细颗粒透筛，并加大水平流速。过多的上部冲水，将造成过快的水平流，加大了颗粒粒度和形状对分选的影响。通常，分选050mm不分级煤时，水量消耗约为2.53m3/t（原煤）。大型跳汰机的用水量要少些，约为1.52.5 m3/t（煤）（其中约0.751.25m3/t是筛下水）；分选块煤时，水量消耗约为45.5m3/t（原煤）。现代高效选煤厂的水量消耗一般小于1m3/t（原煤）。水的总量随着给料总量和风阀周期而变。细粒和未分级的原煤要求的水量大大少于预先分级的物料。细粒含量高的原煤需要较多的上部冲水，已克服细小矿粒“打团”现象，避免在床层上部滚动，不能被分选并污染精煤产品。水的压力也非常重要。其它设置都调好后，再调水压，调好后不应随意改变。带有溢流的定压水箱是较好的压力源。筛孔尺寸对水流运动和水流作用于床层的速度有重要的影响。通常用直径上小下大的锥形孔，或者条形筛孔，防止堵塞。大孔产生大的下降流。筛孔一般为530mm，520mm的小孔用于粗粒煤跳汰（120mm0.5mm），而大孔则用于人工床层（长石）的细粒煤的跳汰。这是用筛孔控制下降流常用的方法。风量和水量的正确配合对分选至关重要。在一定范围内增加风量或者水量都能提高床层的松散度。若减小脉动，需要降低风量和水量；若增大下降流，需增加风量或减少水量。反之，减少风量增加水量。加大风量能提高下降期的吸啜作用，而加大水量却是减弱它的作用。在筛下顶水的分配上，矸石段比中煤段用量大，而且各分室通常是从入料端到排料端依次减少。下图表明了跳汰机各室风阀和水阀开启的相对大小。在实际操作中，应根据具体情况和工作经验灵活运用。图2.5 跳汰机各室风水调节采用多室共用风阀的skt跳汰机，风量的调整只能是分段进行。各室水量可用电动阀门随意调整，以达到满意的跳汰分选条件。5床层状态床层运动状态决定着矿粒按密度分层的效果。床层厚度变化的原因来自两个方面，一是给料变化，当粒度组成发生变化时，溢流和底流床层的厚度比值随之波动；二是排料系统，常因排料连续性较差而引起床层厚度比例失调。排料口大小决定重产物层厚度。当给料中含有大于100mm的大块时，床层厚度应大于最大粒度的3倍，以保证它们在固水介质中有效分选，以防止原料煤刚进入跳汰机就立刻沉降到筛板上。在满足上述要求时，床层应尽可能薄，以使其在脉动水流中快速而有效的运动。为保持床层厚度相对稳定，要有准确测床层厚度的传感器，有良好的自动化排料系统以改善其对入料变化的适应能力。整个床层必须具有可动性。这可用探杆（木棒或金属棒）来探测。水流上升时，探杆稍稍升起，水流下降时向前沉下，稍施压力即能停在筛板上。较好的情况是，在上升流情况下向床层插入探杆时，感到细粒向上推，而在下降流时是向下推动。如果感到太猛烈，则先要减少水量和空气量。如果床层过死或者床层上部出现硬盖，都将严重影响产品质量。通过调整筛板倾角和风水量，可以控制床层水平移动速度，使它与床层分层速度相适应，物料到达排料闸门时应按密度分好层，并使矸石床层和中煤床层沿跳汰室全宽的水平移动速度与原煤中矸石和中煤的含量相适应，以保证合适的重产物层厚度，并创造良好的分选条件。正确的床层厚度由排料口控制，这要有些实践经验，。当给料组成在规定范围内时，为防止床层厚度随上升水流剧烈变化，由浮标排料装置来控制，自动保持床层厚度。厚度和流动性要常检查，不同物料层在跳汰室中运动速度也不同（如下图），要防止矸石床层厚度变薄。矸石层缺失时可从斗子内的产品中看出，它含有粗粒煤并与普通粒度的矸石混在一起。图2.6 床层运动速度现代跳汰机多采用取消溢流堤的连续“稳静”排料方式，或者低堰式自动测控排料系统，在一定程度上改善了对入料变化的适应能力。但在操作的过程中仍要注意根据原煤性质的变化随时调整活动溢流堤或阀门的高度，以确保合适的重产物层厚度与稳定的透筛排料。6洗水浓度矿粒在水中的沉降末速是其密度和粒度的函数，大块煤与小块矸石可达相同的沉降末速。水中细粒固体物越多，介质密度相对增大，同效分选的粒度范围越宽。然而实践经验确是，在清水中洗选总是可以得出更纯净的最终产品。这与上述理论似有矛盾。有人解释是，随着“介质”相对密度的增高，举起矿粒所需要的水速减小。于是相同的水流上升速度，能将更大的矸石升到较高层位上。当然，这一水速不应过大，否则可能污染精煤。我国多数选煤厂为混合入选，对目前的一些跳汰机型而言，供跳汰用的洗水浓度不宜大于5080g/l。使用更高浓度的洗水虽然也可以分选，但将使分选变的困难，影响精煤质量，降低分选效率。3 跳汰机风阀与控制策略3.1 跳汰机风阀风阀是跳汰机的关键装置，它控制跳汰机空气室周期性地与风包和大气相通，从而造成周期性的进气和排气，是水流产生合理的脉动，是物料达到较为理想的松散分层。风阀的结构直接影响着水流在跳汰机中的振动特性。因此，此装置在不断地加以改进和发展，从作垂直往复运动的滑动风阀发展到作旋转运动的旋转风阀，而后又发展到用电子数控装置和电磁阀控制的数控风阀。1.滑动风阀滑动风阀的构造见图。它是由顶部封闭的圆筒形壳体1和圆筒形的空心滑阀2组成。壳体固定在跳汰机的空气室之上，其上端进气管与压缩空气源联接，下端则与空气室相通。外壳四周开有三排窗孔（排气孔），滑阀上对应地开有窗孔。滑阀用拉杆与偏心轮联接，偏心轮转动时滑阀上下作往复运动。当滑阀向下运动时，外壳体上部的进气孔打开，排气孔封闭，压缩空气经空心滑阀进入跳汰机的空气室，这便是进气期。当滑阀向上运动时，关闭进气孔而打开排气孔，空气室的空气被排放至大气中，这就是排气期。为使进气孔与排气孔不致窜通，进气与排气之间有一短时间的间歇，此时进气孔已关闭而排气孔尚未打开，压缩空气在空气室内继续膨胀，故称为膨胀期。在排气后期和进气初期之间同样也有一段短暂的间歇时间，这时排气孔已关闭而进气孔尚未打开，空气室内的空气因水位上升而受到压缩，故称压缩期。（a） （b）图3.1滑动风阀的构造及工作原理1外壳；2空心滑阀；3进气管；4进气孔；5排气孔；6拉杆滑动风阀就是利用滑阀上下作往复运动，使跳汰机空气室周期性的进气、膨胀、排气和压缩，促使在跳汰室产生脉动水流，实现物料在跳汰机中进行分选。调整拉杆的长短可在小范围内改变进气期和排气期的长短。但此结构特别复杂，难以采用。所以目前现有风阀的特性曲线是固定不变的，即在一个周期内，其进气期100、膨胀期10、排气期170、压缩期10。在同样的分选条件下，跳汰机使用旋转风阀要比使用滑动风阀的处理量大。所以，滑动风阀现已大多被旋转风阀所代替，仅在一些老厂中尚还使用。2.旋转风阀各种跳汰机的旋转风阀，其结构和参数虽有所不同，但其工作原理是基本相同的。旋转风阀主要是由水平放置的铸铁外壳定子、带有手柄可以转动的进、排气调整套和转子组成。定子下部有两个矩形开口，一个开口与风箱接通进气口，另一个开口用管子穿过风箱与跳汰机空气室相联排气口。转子是一个中间被隔板分成进气和排气两部分的空心铸铁圆筒，在这两部分的相背方向分别开有矩形的进气孔和排气孔；转子套在转子轴上，转子轴分别装在左右两端堵盖的滚动轴承上；进气端的堵盖用螺钉固定在外壳端部，并构成封密；排气端的堵盖是通的，只是用以支持轴承，从跳汰室排出的压缩空气可以通过这个堵盖排到大气中。在定子与转子之间套着用来调整风阀进、排气口面积的调整套。调整套上开有矩形孔口，并装有手柄以转动调整套位置。为了不使调整套被转子所带动，手柄上有固定爪，固定爪嵌合在外壳的扇形齿板上。并用压紧螺钉固定。进气和排气调整套可以分别独立地进行调整。风阀进、排气口面积是指定子与转子进、排气孔相遇的开口面积。当转子的进气孔与定子的进气孔相遇时，从进气导管通入的压缩空气进入空气室，这时排气孔被关闭，形成进气期；转子继续转动，当定子的进气孔被转子盖住，而排气孔仍未与转子的排气孔相遇，压缩空气在空气室内继续推动水面，这就是所谓的膨胀期；直到转子的排气孔与定子的排气孔相遇时，膨胀过的压缩空气才从转子的排气孔沿排气端堵盖排至大气中，这就是排气期。多数旋转风阀没有压缩期，即转子的排气孔一离开定子的排气孔时，转子的进气孔与定子的进气孔就马上相遇。在跳汰室中水流的上升期常常滞后于风阀的进气期，这是因为只有当跳汰室的气压上升超过下降水流的动能以及两室间的液位差所形成的压力时，跳汰室内的水流才能回升。所以需要在空气室里有一段升压的时间，这段时间的长短取决于风压的大小、空气室的容积和风阀的结构特点（特别是风阀的进、排气面积）等因素。利用电子示波器测试筛侧空气室跳汰机的滞后角度为4060，筛下空气室跳汰机的滞后角为700100。跳汰室中水流下降期开始的时间一般都发生在排气孔打开之后，若风阀的膨胀期较长，下降水则与排气孔打开同时发生；若风阀特性没有膨胀期或膨胀期较短，则下降水稍有滞后。这是因为水流运动具有惯性的缘故。风阀进气孔的面积要保证跳汰机空气室的气压在进气初期能迅速上升到所需的压力，使脉动水流具有所需要的最大速度和加速度。因此，风阀进气孔面积大小与使用的风源压力、跳汰机的结构和入选物料粒度等因素有关。在其他条件不变的情况下，风源压力高，开口可小些；跳汰机空气室和水的沿程阻力大，进气孔面积也要求大些。块煤分选机比末煤分选机所需要的进气孔面积大。风阀进气面积差别很大，大约为跳汰机面积的。由于排气时压力比进气时压力低，所以排气孔面积比进气孔面积大些，特别是筛侧空气室跳汰机，进气孔面积约为排气孔面积的5090%。风阀进气孔的弧线长度占其圆周的度数称为风阀开口角。由风阀特性曲线可知，在风阀进气孔面积不变的情况下，开口角度愈小，曲线上升就愈陡，跳汰机空气室压力上升愈快，上升水流更强有力（加速度较大），对提高分选效果有时会有某些好处。但是在风阀进气孔面积不变的情况下，减小风阀开口角度，必然要增大风阀半径，导致风阀体积和重量都要作相应增大。风阀的这些参数通常是在调查研究的基础上由试验来确定的。旋转风阀与滑动风阀比较有以下几个特点：用旋转风阀的跳汰机处理能力较高，一般在617 t/hm2范围。当处理具有相同可选性的煤时，其处理量比用滑动风阀高2 t/hm2左右。旋转风阀结构较轻巧，转动平稳，制作快，投资少，所起的作用大。用旋转风阀的跳汰周期适于选不分级煤，因此可以把入选上限提高到150200mm。对细粒级的精选一般是滑动风阀有效，分选下限达0.3mm，这给用简单办法回收煤泥的精选创造条件。旋转风阀的周期可随煤质变化进行适当的调整。3.数控风阀数控风阀是二十世纪七十年代设计的用电子数控装置和电磁风阀控制进、排气的一种新型的跳汰机风阀。操作时，其频率和风阀特性曲线可以作任意调整。数控风阀按阀体形式的不同，有盖板阀和滑动阀两种；滑动阀又按其滑阀安装方式不同分为卧式滑阀和立式滑阀。数控风阀整个系统由三部分组成：电子数控装置：通过电子脉冲计数控制系统控制电磁风阀的通电和断电时间，从而控制跳汰频率和周期。控制风动部分：这部分由高压风管、气动三联体（过滤器、油雾器、调压器）、电磁阀和气缸构成。其作用是将高压风滤清、调压、油雾后送入气缸，驱动进气阀活塞上下运动。工作风动部分：主要由板阀或滑阀、管路、低压风箱和排气风箱等几部分装在工作风包上，排气阀装在气箱上，排气箱与消音包相连，消音包与大气相通。图3.2电控气动风阀系统示意图1进气电磁阀；2进气阀；3分配箱；4油雾器；5排气电磁阀；6排气阀；7排气管；8进气管；9滤气器；10调压阀；11电子数控系统；12高压风管数控电动风阀的风阀特性曲线如下图所示。曲线陡峭，达到阀口全开的时间甚短，约0.020.013s，托举床层的爆发力强，且进、排气期等各期段可调。对于中等可选性的煤，风压适当时进气期约占20%25%，排气期约为25%30%，休止期约为5%10%，余为膨胀期。各时段所占比例与原料煤可选性、粒度组成及风压等有关。相对而言，进气期和排气期与普通旋转风阀相比要短，因为达最大进、排气面积的时间一般仅为普通风阀的1/3左右。图3.3 数控电动风阀特性曲线数控风阀的优点是：（1）风阀开关速度快，对物料分选有利。由于利用高压风动可以在0.010.02s左右迅速打开或关闭风阀，可使床层迅速托起，增长分选时间，对物料分选有利。因此，不完善度和分选效率均优于旋转风阀。（2）跳汰周期和频率无须停车即可对各室进行无极调节。因此，当原煤的粒度、密度发生变化时，数控风阀可以在0.671.5s内随时调整周期和频率，以适应原煤性质的变化。（3）振幅大，处理量大，分选效率高。由于进风量大而迅速，使跳汰机振幅增大，为提高处理量创造有利条件。经工业性试验和生产实践表明，与旋转风阀相比，数控风阀可提高处理能力20%左右，并可提高数量效率2%左右。（4）噪声小。数控风阀由于排气迅速，为了降低噪声将其引到消音排气包，因此基本达到无噪声。缺点是：需另配置高压风系统，气缸加工精度要求较高，机电部件多。维修工作量较大。3.2 风阀控制系统控制策略电磁风阀作为跳汰机的主令控制装置，它的工作可靠性直接影响跳汰机的整机运行和生产。八十年代初使用的跳汰机风阀控制器由分离元件组成，体积大，故障点多且难以查找，设置时间不精确等问题；九十年代初出现的以单片机为核心的跳汰机风阀控制器，此系统虽然精度能达到要求，但根据现场使用情况存在集成度低，抗干扰能力差，维护复杂等缺点。选煤厂工作环境煤尘多、湿度大、干扰强、振动大，要求控制装置可靠性要高。因此我们用为工业自动控制而设计的可编程控制器来实现对电磁风阀的控制。本跳汰机有5个隔室，每个隔室有一个空气室，空气室有两组电子数控气动风阀单元对进气阀和排气阀控制。可编程控制器根据设定的进气期、膨胀期、排气期和压缩期参数来控制五个进气阀和五个排气阀的动作。各室的进、排气阀按照一定的顺序开关，使每室在一个跳汰周期内经历以上四个时期。由此，可编程控制器要实现的功能就是根据td200设定的参数产生控制信号，控制五个进气阀和排气阀的动作。我们使用可编程控制器和上位机组成的两级控制系统来实现风阀的自动控制。上位机利用pc友好的人机界面实现人机对话和实时监控，plc作为下位机完成数据采集和实时控制任务。在风阀自动控制中，上位机可修改风阀各室参数和跳汰频率，并通过pc/ppi传至可编程控制器，经过处理，控制风阀动作并将修改后的各个参数显示在td200上。为了处理突发事件和便于现场操作，我们可以利用手动操作系统。它是由plc,td200显示面板，输出电路构成。在必要时，现场工人可根据经验利用td200手动输入修改风阀的控制参数和跳汰频率来控制风阀动作。并可以将修改后的数据传送至上位机显示。在下面的两章将分别就控制系统的硬件和软件设计做详细介绍。4 跳汰机风阀控制系统硬件设计4.1 风阀控制系统原理风阀控制系统原理图如下图所示。本系统由上位机、可编程控制器、td200显示装置输出电路等组成。图4.1风阀控制系统原理图1上位机上位机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中，面对工业现场强烈震动灰尘特别多另有很高的电磁场力干扰且连续作业而可靠运行。它在整个控制系统中起到的作用是对plc进行编程，在线或离线状态编制系统的应用程序在线修改plc程序的相关参数；同时还可以实现对生产过程的实时监控，完成对主要数据的统计分析存储处理等功能。2可编程控制器plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算顺序运算计时计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。考虑到风阀动作的频繁性，plc采用晶体管输出型以保证长的使用寿命。它通过pc-ppi电缆与上位机通讯，实现风阀控制参数的传送，便于上位机实时监测跳汰机的运行情况，也可以及时地响应上位机对参数做出的调整。plc的输出经过由固态继电器、熔断器和保护回路等组成的输出电路控制电磁阀的动作。3td200显示装置td200是所有simatic s7-200系列操作员界面问题的最佳解决方法。td200连接很简单，只需用它提供