多台浮选系统控制系统

毕业设计论文题目多台浮选系统控制系统设计摘要本课题设计以洗煤厂的浮选洗煤控制系统的工作原理为模型，使其用控制设备来自动控制进行生产。设计的本系统主要是以PLC为核心来进行的。本设计的控制方案采用PID闭环控制规律，PID控制是工业控制中普遍应用且较为成熟的一种控制规律，在大量的实际应用中取得了明显的控制效果。在控制过程中PLC对浮选槽内的煤浆浓度和流量进行实时检测，并根据PID的控制规律进行运算，从而确定起泡剂的给定量。除了对浮选洗煤控制系统实现PID闭环控制外，本控制方案还解决了多输入输出量的控制以及多台电动机启动时冲击电流大的问题，为了解决多输入输出量的控制的问题，本控制方案的核心控制器选用择了西门子公司生产的S7300CPU314系列PLC，该型号的PLC可供扩展的输入输出信号模块达32块至多，该型号的PLC为实现多变量的大规模生产任务的控制，其结构采用了模块化结构，各种功能的信号模块可以很方便的进行扩展；在解决多台电动机启动时冲击电流大的问题上，电动机在启动时对其绕组采用星形/三角形接法换接启动，除了采用星形/三角形接法换接启动外，多台电动机之间的启动还采用了分时启动的启动方法，这样就可以减小电流的冲击作用。其启动的控制由PLC的程序实现。PLC对控制过程中可能出现的故障现象实现自动监控并在出现故障发出报警信号，以便提醒工作人员进行及时的检修，排除故障，保证生产的连续进行。本设计在文中给出了详尽的硬件设计和软件设计，对其中涉及的传感器的选择及工作原理一并做了详尽的介绍，并对该浮选控制系统的工作原理做了详细的说明。此外PLC的输入输出模块上都留有相应的未用端口，以备以后系统的升级改造。关键词浮选洗煤PLCS7300CPU314PID闭环控制硬件软件所有下载了本文的注意本论文附有CAD图纸和完整版说明书，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（QQ邮箱），或加我百度用户名QQ，我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你ABSTRACTTHESUBJECTOFDESIGNFLOTATIONCOALWASHERYCOALWASHINGCONTROLSYSTEMWORKSASAMODEL,TOAUTOMATICALLYCONTROLTHEUSEOFCONTROLEQUIPMENTFORPRODUCTIONTHISSYSTEMISMAINLYDESIGNEDASTHECOREFORTHEPLCTHEDESIGNOFTHECONTROLSCHEMEUSINGPIDCLOSEDLOOPCONTROLLAW,PIDCONTROLISWIDELYUSEDININDUSTRIALCONTROLANDMOREMATUREINACONTROLLAW,INALARGENUMBEROFPRACTICALAPPLICATIONSHAVEACHIEVEDREMARKABLECONTROLEFFECTPLCINTHECONTROLPROCESSONTHEFLOTATIONTANKANDFLOWOFCOALSLURRYCONCENTRATIONOFREALTIMEDETECTION,PIDCONTROLLAWBASEDONTHEOPERATIONTODETERMINETHEFOAMINGAGENTTOQUANTIFYINADDITIONTOTHEFLOTATIONOFCOALWASHINGCONTROLSYSTEMPIDLOOPCONTROL,THISCONTROLSCHEMEALSOADDRESSESANUMBEROFINPUTANDOUTPUTVOLUMECONTROLANDTHEIMPACTOFMULTIPLEMOTORSTARTINGCURRENTISABIGPROBLEMWHEN,INORDERTOSOLVETHEMULTIINPUTOUTPUTCONTROLPROBLEM,THECONTROLOPTIONALCORECONTROLLERSELECTSTHEPROGRAMPRODUCEDBYSIEMENSS7300CPU314SERIESPLC,THEPLCMODELINPUTANDOUTPUTSIGNALSFOREXPANSIONMODULESUPTO32UPTOTHEPLCMODELTOACHIEVEMULTIVARIABLECONTROLOFLARGESCALEPRODUCTIONTASKSTHESTRUCTUREMODULARSTRUCTURE,THEVARIOUSFUNCTIONSOFSIGNALMODULESCANBEEXPANDEDEASILYINADDRESSINGTHEIMPACTOFMULTIPLEMOTORSTARTINGCURRENTISLARGEWHENTHEISSUE,WHENITSTARTSTHEMOTORWINDINGSARESTAR/DELTACONNECTIONCHANGEBYSTART,INADDITIONTOSTAR/DELTACONNECTIONFORACCESSSTARTS,THESTARTBETWEENMULTIPLEMOTORSALSOUSESTIMESHARINGSTARTSTARTMETHOD,SOTHATYOUCANREDUCETHEIMPACTOFTHECURRENTROLETHESTARTOFTHECONTROLBYTHEPLCPROGRAMIMPLEMENTATIONPLCTOCONTROLTHECOURSEOFSYMPTOMSMAYOCCURAUTOMATICALLYMONITORANDANALARMSIGNALINTHEEVENTOFFAILURETOTIMELYREMINDEROFTHEMAINTENANCESTAFF,TROUBLESHOOTINGTHISPAPERPRESENTSTHEDESIGNOFHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDETAILEDDESIGN,THECHOICEOFSENSORSINVOLVEDANDWORKINGPRINCIPLEOFADETAILEDDESCRIPTIONBEDONE,ANDTHEFLOTATIONCONTROLSYSTEMFORADETAILEDDESCRIPTIONOFTHEPRINCIPLEINADDITIONPLCINPUTANDOUTPUTMODULESARELEFTUNUSEDPORTSCORRESPONDINGTOPREPAREFORFUTURESYSTEMUPGRADESKEYWORDSFLOTATIONWASHINGPLCS7300CPU314PIDCLOSEDLOOPCONTROLHARDWAREANDSOFTWARE目录摘要IABSTRACT2第1章绪论111课题的提出及意义112选煤厂选煤分类及简介113浮选洗煤技术的现状及发展趋势4第2章浮游选煤721概述722浮游选煤原理823浮选药剂及其作用924浮选效果的评定11第3章浮选系统的控制方案1831浮选控制系统简介1832主要器件的选择介绍20第4章控制系统硬件设计2341S7300系列PLC概况2342控制系统的I/O点及地址分配2643电气控制系统原理图4144PLC的I/O端子接线图43第5章控制系统程序设计4551电动机控制4552浮选机工作台数控制5153起泡剂的PID闭环控制5454故障报警控制56第6章总结与展望58致谢59参考文献60第1章绪论11课题的提出及意义随着现代社会的发展，能源危机日益突显出来，而煤炭作为主要的工业能源在工业生产中占有重要的地位。尤其是在我国现阶段，煤炭更是最主要的工业能源，煤炭在我国能源生产和消耗中均占75左右，在未来3050年内，以煤为主的能源结构不会改变，煤炭的能源基础地位不会改变。洗选煤是提高煤炭质量的重要手段，是煤炭工业的重要生产环节，原煤经过洗选加工，生产出高质量、品种适合各部门需要的商品煤，用户使用合适的商品煤可以降低煤耗10；原煤经过洗选，可以降低6070的灰分和脱除5070的黄铁矿，减少燃煤对大气的污染，有着十分显著的环境效益。另外原煤经过洗选，除去杂质后，其利用率得到提高，燃烧更充分，经济效益更明显。在20世纪30年代，国内外的煤炭分选基本以跳汰为主。90年代以来，随着煤炭市场供求关系的变化，用户为提高生产效率和减少燃煤对环境的污染，对煤炭的质量要求不断提高，再加上受石油、天然气激烈竞争的影响，促使选煤工业向高效率，低成本方向快速发展。浮选法选煤技术因为分选精度高，操作方便，生产效率高而成为煤炭工业中的主要选煤方法，在主要产煤国家，浮选法选煤技术已占据选煤行业中的主导地位。煤炭作为我国的主要能源，产量已经占世界第一位，但原煤入选比重仅占68，采用浮选法洗煤的比重仅占各种选煤方法的45，由此可见，中国急需发展选煤技术，尤其急需发展浮选洗煤技术。另外，随着采煤机械化程度的提高和地质条件的变化，原煤质量有逐渐恶化的趋势。特别是随着近些年来社会和科学技术的发展，世界范围内的能源危机和环境污染日益突显出来。因此生产高质量的煤势在必行。而浮选技术由于其独到的特点而得到广泛应用，因此发展浮选技术，提高煤炭质量是个重要的课题。12选煤厂选煤分类及简介大型、高效、耐用的选煤设备，已成为现代化煤矿产资源不可缺少的一部分。西方国家对煤焦精煤的灰粉要求是。美国规定电站不准使用硫粉超过的动力煤。因此，无论是炼焦煤还是动力煤，都必须进行洗选或筛分。德、英、法、日等国原煤几乎全部入选，美国不入选的原煤是低灰粉的动力煤，但也都进行筛分，用选择性破碎机除去大块矸石。目前跳汰机和重介质分选机的最大处理能力均已达吨时，最大浮选机为吨时。德国海里希罗伯特矿新建洗煤厂，采用组合洗选系统，即每道工序只用一套大型设备，没有备用，使整个流程大大简化。主要设备只用一台块煤跳汰机和一台专煤跳汰机以及一台吨时离心脱水机。用跳汰机选煤现仍占主要地位。德国在引进日本高桑式筛下空气跳汰机基础上研制成功的巴塔克型跳汰机，处理煤的分选指标与重介质选煤不相上下。重介质选煤则流程简单，占地面积小，选精煤回收率高，美、法、波、澳、捷等国多用重介选。采用大直径重介质旋流器作主选设备，原煤破碎到毫米以下。因环保要求，对煤泥水处理十分重视。法国选煤厂已基本实现洗水闭路循环。处理方法一般是先加凝聚剂浓缩，再用压滤机脱水。同时，选煤厂自动化已进入全厂工艺过程集中控制阶段。下面我们对各个选煤方法介绍其特点1跳汰选煤在垂直脉动的介质中按颗粒密度差别进行选煤的过程叫跳汰选煤。跳汰选煤所用的介质为水或空气，个别也用重悬浮液。以水作分选介质的叫水力跳汰，以空气作分选介质的叫风力跳汰，以重悬浮液作分选介质时叫重介跳汰。选煤生产中，以水力跳汰用得最多。跳汰选煤是国内外选煤方法中应用最多的一种，我国采用跳汰法分选的原煤量约占入选原煤量的56跳汰法适宜处理易选和中等可选性煤，分选粒度范围较宽，上限可达100MM，下降可至05MM。跳汰选煤由于工艺流程简单、设备操作维修方便、处理能力大且有足够的分选精度，在煤炭分选中占有十分重要的地位。全世界每年入选的煤炭中，有50多是采用跳汰机处理，我国跳汰选煤占全部入选原煤量的70左右。另外，跳汰选煤处理的粒度级别较宽，既可不分级入选，也可分级入选。跳汰选煤的适应性较强，除非极难选煤，均可优先考虑采用跳汰的方法处理。2重介质选煤在密度大于1G/CM3的介质中，按颗粒密度的差异进行选煤，叫重介质选煤或重介选煤。重介质选煤的基本原理是阿基米德原理，即浸没在重介质中的颗粒受到的浮力等于颗粒所排开的同体积的介质重量。选煤所用的重介质有重液和重悬浮液（简称悬浮液）两类。有机溶液（如四氯化碳、三溴甲烷、苯、二甲苯）和无机盐水溶液（如氯化锌水溶液、氯化钙水溶液）属于重液，它们是稳定介质，放置很长时间能保持自己的物理性质。悬浮液是固体粒子和水的混合物，静置后粒子即下沉，使悬浮液密度上、下不一致，为不稳定介质。重液价格高、不易回收，多数还有毒性或腐蚀性，所以没有在工业上使用，只在实验室中做煤炭浮沉试验用。目前，国内外普遍采用磁铁矿粉水配制的悬浮液作选煤用的重介质。这种悬浮液可以配制成需要的密度，而且容易净化回收。重介质选煤的主要优点是分选效率高于其他选煤方法；入选粒度范围宽，分选机的入料粒限为10006MM，旋流器为80015MM；生产控制易于自动化。重介选煤的缺点是工艺复杂，生产费用较高；设备磨损快，维修量大。3浮游选煤煤泥浮选是以煤和矸石颗粒表面性质的差异为依据而进行的分选过程，其目的是获得05MM的低灰精煤。煤泥以矿浆的形式给入搅拌器，将其配成适当的浓度，同时加入适量的浮选药剂进行充分的搅拌。搅拌后的煤浆进入浮选机，由于浮选机中搅拌机构的充气作用，在矿浆中产生大小不等的大量气泡。吸附了药剂的疏水性煤粒和气泡粘附在一起，浮升到矿浆液面聚集成矿化泡沫层，由刮泡器刮取成为浮选精煤煤浆；而亲水性的矸石颗粒则不能粘附到气泡上而留在矿浆底部成为浮选尾煤。煤泥浮选是在固（煤泥）、液（水）和气（气泡）三相界面上进行的。这一过程的关键是矿物表面性质具有差异；矿浆中析出大量稳定而细小的气泡；固体颗粒与气泡碰撞的结果是低灰分煤粒粘附在气泡上被浮到矿浆的表面，高灰分的矸石颗粒则不能粘附在气泡上而遗留在矿浆中。在浮选过程中，气泡是分选的媒介，它同时又是精煤颗粒的运载工具。由于每一种选煤方法都有其优缺点，根据不同选煤需求来确定选煤方法，细分方式通常是煤粒的大小，重介分选在难选煤或极难选煤洗选中比跳汰分选精度高回收率也高是事实，但对易选煤或极易选煤两种工艺没有多大区别。最重要的应当看所采用的选煤工艺是否适合入选原煤的煤质特性，是否能实现用户所要求的产品结构。对小于05MM以下的细粒级煤泥最有效的分选方法是浮游选煤法。总之，选煤工艺确定的正确与否是选煤厂设计的核心问题。煤质分析的是否透彻、原煤特性及产品市场定位把握的是否准确又是选煤工艺合理确定的关建，是搞好选煤工艺设计必须引起足够重视的问题。只有做好以上两项基础工作，才有可能实现设计的最终目标获取最佳经济效益和社会效益。13浮选洗煤技术的现状及发展趋势国际上的大型选煤厂普遍采用单槽容积100M3的浮选机，而我国一般在20M3左右，与国际先进水平相比存在着较大的差距，不能满足我国矿山建设现代化、大型化的需求，造成了我国选矿厂中超大型浮选设备被国外厂家垄断的局面。国内选矿厂为了完成改、扩建工程，不得不接受国外厂商高昂的设备报价，造成基建投资费用大幅增加，极大地影响了企业的经济效益。研制开发具有自主知识产权的大型高效浮选设备，是我国矿物加工业的迫切需要。另外随着全球经济的快速发展和科学技术的迅猛发展，对煤炭加工业所提供的精煤的质量和数量的要求不断提高，以及煤炭资源品位日趋贫乏、成分复杂的现状和未来趋势，研发先进的浮选技术成为我国煤炭加工业的迫切需要。然而先进的浮选技术一直以来都被国外所垄断，我国科技人员从60年代起开始对浮选设备的研究，到现在已经取得了长足的进步。田庄洗煤厂自主研发，拥有自主知识产权的双流态微泡浮选机已经应用于生产中并取得了明显的经济效益，打破了国外大型浮选机在国内的垄断地位，缩小了与国际先进水平的差距。随着科技水平的提高，选煤技术的发展以及用户对煤炭质量的要求提高，浮选机将朝着容积更大，自动化程度更高的方向发展。1国外浮选控制技术现状由于国外传感器和计算机技术的领先，使得国外煤泥浮选过程的控制出现得比国内要早，水平也较高。在这个领域里，处于领先技术水平的国家主要是澳大利亚、美国和德国。这些国家已经开始由定值控制转入使用在线测灰装置的优化控制，控制策略也由PID控制转入模糊逻辑控制，下面的实例反映了国外关于煤泥浮选控制的先进水平。1984年，由澳大利亚昆士兰大学JULIUSKRUTTSCHNITT矿物研究中心JKMRC和UTAH发展有限公司合作开发了一种能够测量煤浆灰分和固体含量的在线分析仪ASHSCAN，并于1985年1月应用于PEAKDOWNS选煤厂的粗粒浮选单元的自动控制中，控制系统原理如图1所示。它是根据ASHSCAN在线测得的浮选入料、精煤和尾煤流的灰分及固体含量，分别调整加药量、浮选机液位和真空过滤机转速3个回路的设定值。煤浆液体检测传感器安装于浮选机第3室，通过PI调节器控制尾煤的排放量，以此来稳定液位。这套控制系统的使用效果不仅使精煤灰分和固体含量更加稳定，而且使浮选效益提高了10以上。2国内浮选控制技术现状我国煤泥浮选工艺参数的自动控制起步较晚，和国外相比，大约落后十多年。由于没有煤浆测灰仪，我国仍停留在定值控制的水平上。1982年，淮南矿业学院与淮南矿务局望峰岗选煤厂结合，利用单板机设计的PID调节器，首次在国内实现了浮选入料浓度和加药量的自动控制，获得了能降低浮选药剂消耗，提高精煤产率的效果。经过多年的推广应用与改进，许多选煤厂也已经装备了这种控制系统，并成为我国煤泥浮选自动控制的基本模式。1988年和1989年煤炭科学研究总院唐山分院又相继研究成功了FC和FC型浮选工艺参数测控系统，这种控制系统用单片机作控制器，解决了小流量浮选药剂的自动计量和分散多点添加技术，加药量不但自动跟踪干煤泥量，同时也自动跟踪入浮煤浆浓度，使浮选药剂添加量更加合理，精度大大提高。1991年由煤炭科学研究总院北京煤化学研究所为株洲选煤厂设计的浮选过程工艺参数控制系统，它主要有4种功能，合理控制入料流量的大小和稳定值；合理控制入浮浓度的大小和稳定值；根据干煤泥的变化，控制浮选机各加药点的给药量；保持浮选液面的稳定和合适高度。采用PID调节实现定值控制，通过对入浮浓度、流量、浮选机液位和给药量各参数进行综合控制，来保证浮选过程和工艺参数的稳定。我国所有的这类控制系统对浮选工艺参数的控制均采用定值控制方式，所使用的控制算法为PID调节。浮选工艺过程的定值控制在一定程度上能降低浮选药剂耗量、提高精煤回收率，但入浮浓度设定值、流量设定值以及每吨干煤泥药耗及配比的确定，没有合理的理论推导方法，只能靠经验和实验来确定，同时各个选煤厂因煤质特点和所使用的浮选药剂不同，这些控制量也有所不同。如何根据煤质的变化和环境的改变，及时改变这些设定值以获得最佳的浮选效果是一个值得研究的课题，目前有关这方面的报道甚少。3我国浮选控制技术面临的问题我国已有的浮选控制系统在控制装置、检测元件和执行机构等方面比较落后，有待于更新和提高。在加药装置方面，现有的煤泥浮选控制系统多采用电磁阀和齿轮泵，实践证明，效果和可靠性极差，但对于微流量药剂的计算和控制在化工行业出现了精密计量泵，使用效果较好，在株洲选煤厂和淮北选煤厂已开始应用。对于煤浆液位控制，我国应用的极少，因为液位的调整没有依据，除此之外，现场用于升降尾煤闸板的电动执行机构，不论是手动还是自动，很难正常运行，因此需要开发新的执行装置。过去开发研制的浮选工艺参数控制系统由于当时的软硬件技术条件限制，使得可靠性较差。选煤厂的浮选控制系统应该随着上述所谈到的新技术、新仪表的出现和发展而不断改进。与国外相比，通过实例对比可以看出，我国煤泥浮选控制技术落后的原因主要表现在传感器主要是煤浆测灰仪和控制策略两方面上。虽然我国在同位素测灰方面的研究已经很深入，从70年代至今，国产测灰仪已超过50台，但多为离线式，所测量的煤样也仅限于原煤或最终精煤，而迄今为止，还没有我国自行设计的成功应用于现场的煤浆测灰仪的报道。这也是发展我国煤泥浮选控制技术的主要障碍。但在这方面，国外已经相当成熟。4煤泥浮选工艺参数控制的发展方向在计算机结构和检测仪器的技术特征达到要求后，控制系统的技术水平则主要取决于控制策略，我国煤泥浮选控制策略的发展经历了两个阶段，即经典控制策略和以模型为基础的现代控制策略，但是它们的理论基础是要求控制对象精确的数学模型。第2章浮游选煤21概述在充气的煤浆中，依据颗粒表面润湿性分选煤泥，叫浮游选煤。简称浮选。选煤厂通常把颗粒在05MM以下的湿煤叫做煤泥。煤泥的来源有两个一是人选原煤中所含，即开采和运输过程中产生的，称为原生煤泥；一为选煤过程中粉碎和泥化产生的，称为次生煤泥。煤泥的数量与煤、矸的易碎程度有关。一般原生煤泥占入选原煤的1020,次生煤泥占入选原煤的510，两者合计约占1530。这些煤泥被洗选产品带走约35，其余留在煤泥水中。为了从大量的煤泥中选出精煤，提高精煤产率，增加经济收益，选煤厂广泛产用浮选方法分选煤泥。煤泥浮选需要的基建投资和生产费用都较重选高。因此，在选煤过程中应尽量发挥重选设备和脱水设备的效能，使05MM以上的煤粒得到分选并不进入浮选系统，控制浮选入料上限。选煤是利用煤炭于其他矿物的不同物理、物理化学性质，在选煤出内用机械方法除去原煤中的杂质，把它分成不同质量、规格的产品，以适应不同用户的要求。选煤的目的是（1）除去原煤中的杂质，降低灰分和硫分，提高煤炭质量，适应用户的需要。（2）把煤炭分成不同质量、规格的产品，适应用户需要，以便有效合理地利用煤炭，节约用煤。（3）煤炭经过细选，矸石可以就地废弃，可以减少无效运输，同时为综合利用煤矸石创造条件。（4）煤炭经过洗选可以除去大部分的灰分和5070的黄铁矿硫，减少燃煤对大气的污染。它是洁净煤技术的前提。22浮游选煤原理在充气的矿浆中，矿粒与气泡相互碰撞。煤粒表面润湿性差，碰撞时粘附到气泡上，被气泡带至水面，形成狂化泡沫。矸石表面润湿性好，碰撞时不与气泡附着，仍留在矿浆中。将泡沫和矿浆分别排出，即可得到精煤和尾煤。一、矿物表面的润湿性在日常生活中，滴一滴水在玻璃上，水很快展开，附着在玻璃表面上；滴一滴水在石蜡上，石蜡表面上不沾水，水成圆球状。矿物表面沾水的这种性质叫做矿物表面的润湿性。易被水润湿的矿物称为亲水性矿物，不易被水润湿的矿物称为疏水性矿物。图31是水滴和气泡在不同矿物表面的铺展情况。图中矿物的上方是空气中水滴在矿物表面的铺展形式，从左到右，随着矿物亲水程度的减弱，水滴越来越难于铺开而成为球形；图中矿物下方是水中气泡在矿物表面附着的形式，气泡的形状正好与水滴的形状相反，从右向左，随着矿物表面亲水性的增强，气泡变为球形。显然，在水中亲水性的矿物难与气泡附着，可浮性差；疏水性的矿物易与气泡附着，可浮性好。图31矿物表面的润湿现象二、矿粒与气泡的粘附在浮选机中煤粒与气泡相互粘附主要有两种方式。1颗粒与气泡相互碰撞这种粘附可以分为3个阶段颗粒与气泡接触；颗粒与气泡间的水化层破裂；颗粒与气泡固着。颗粒与气泡接触是其相互粘附的前提。因此，在浮选机中要搅拌矿浆充入大量气泡，加强颗粒与气泡的接触机会。颗粒与气泡间水化层的破裂是选择性粘附的关键。疏水性很强的煤粒，表面水化层很薄，碰撞接触时易于破裂，与气泡粘附。矸石则相反。煤粒与气泡附着后，由于各种力的作用（其他颗粒与气泡的撞击力、浮选机的搅拌力、颗粒本身的重力等），附着的颗粒还可能会脱落，特别是疏水性不强、附着不牢的煤粒。为此，在气泡上浮过程中矿浆应保持稳定。2气体在煤粒表面析出气体在水中的溶解度与压力有关。当压力突然降低时，就以微泡的形式从水中析离出来。实验表明，微泡最容易在疏水性强的固体表面生成。浮选机叶轮旋转受到压力，一部分空气溶解在矿浆中。这部分矿浆被叶轮甩出后，压力恢复正常（浮选机其他部分比叶轮附近压力低），空气就从煤浆中析出。这利于煤粒选择性地粘附气泡。煤粒表面聚集微泡后，易于大气泡附着。在浮选过程中，气泡矿化后形成结合体，其形式大致有以下几种，如图32所示图32A为几个煤粒粘附在一个气泡上；图32B为煤粒与气泡形成絮团；图32C为若干气泡粘附在一个煤粒上。图32矿化气泡23浮选药剂及其作用浮选药剂是实现浮选过程的重要手段，组成浮选药剂的物质，按其分子结构可以分成为极性、非极性和杂极性（复极性）3种一、起泡剂在浮选过程中控制气泡大小和维持泡沫稳定性的浮选药剂叫做起泡剂。通常使用杂极性的有机化合物作为起泡剂。在纯水中气泡是不稳定的，以为在它们相互接触时便立即合并，形成较大的气泡，上升到水面时就立刻破灭。当水中有起泡剂分子时，起泡剂的杂极性分子是以其极性部分向着水层，其非极性烃链在空气中或气泡内。分子的极性部分是亲水的，它与水分子强烈地吸引着。当附有起泡剂单分子层的气泡相互接触时，由于它们之间有两层起泡剂单分子层所形成的水层相隔，并被两层起泡剂分子的极性部分保持着，因而气泡在水中不容易合并，在水面上也不容易破没。所以，起泡剂能使泡沫稳定，并提高泡沫的牢固性。水中有起泡剂存在时，不仅能使泡沫稳定，而且还能促进空气分裂成小气泡。因为起泡剂能够在水气界面上降低表面张力，减小气泡的分裂阻力。上述两种作用在浮选过程中有重要意义。因为只有当生成的泡沫稳定时，浮选才能实现；气泡越小，所形成的气泡总面积越大（等量空气时），有更多的气泡表面附着浮游矿物颗粒。二、捕收剂提高煤粒表面疏水性的药剂称为捕收剂，它具有捕收煤粒的作用。浮选煤炭时通常采用非极性碳氢化合物，如煤油、柴油等。非极性捕收剂具有很好的疏水性，不溶于水，对煤粒表面有良好的附着能力。这类药剂在煤粒表面上附着是物理吸附，即分子力作用的结果。非极性油类药剂虽不溶于水，但由于强烈的搅拌作用，被粉碎成许多小油滴而分散在矿浆中。这些小油滴一经与煤粒相遇，就附着在煤粒表面。煤粒的疏水性越强，油滴在其表面附着的可能性越大，附着得越快、越多、越牢固。非极性的小油滴不与亲水性的矸石附着。因此，捕收剂的捕收是有选择性的。在浮选过程中非极性油类捕收剂的作用可归纳为3方面油滴附着在煤粒表面，提高疏水性；油滴在煤粒、气泡、水三相接触周边上形成油环，提高气泡与煤粒的沾着强度；油滴与煤粒、气泡形成絮团，提高浮游能力。24浮选效果的评定一、浮选机的处理能力评价浮选机处理能力的指标是每小时每立方米容积处理干煤泥的质量，3HMT即单位容积处理量。浮选机的处理能力与矿浆的浓度及所需的浮选时间等因素有关，每台浮选机按干煤泥计的处理能力用下式计算TRNVKQ160式中Q浮选机地处理能力，；台）HTN每台浮选机的室数，室；V浮选机每室的容积，；3MK浮选机的容积利用系数，选煤时K值一般取065075；R给料矿浆的液固化；煤泥的真密度；T浮选时间，MIN浮选时间可通过实测浮选机入料矿浆量计算求得MNVKT60式中M浮选机入料矿浆量，（其他符号同前）。H3求得处理能力后，按下式计算单位容积处理量NVQQ式中Q单位容积处理能力，（其他符号同前）。3HMT浮选机实际处理能力是通过实际测定求得的。对单台浮选机来说，可用电磁流量计测定入料矿浆量，取样测定浓度，求得干煤泥量。二药剂消耗药剂消耗是指入浮每吨干煤泥所用的各类药剂的总和。计算公式为KQBW21式中B浮选1T干煤泥的药剂消耗，；TKG实际处理的干煤泥量，T；KQ处理吨干煤泥时相应的捕收剂和起泡剂耗用量，KG。1W2K三浮选工艺效果洗煤厂常以浮选精煤率表征煤泥浮选的操作效果。1988年发布的煤炭部标准MT1801988选煤厂浮选工艺效果评定方法规定采用浮选精煤数量指数不同煤之间的浮选工艺效果；采用浮选完善指标评定同一煤在不同条件下的分选完善程度。1浮选精煤产率指浮选精煤数量（）占浮选入料量（）的百分数（）。即KQ0Q10R由于在生产过程中浮选精煤和入料的计量有困难，所以浮选精煤产率通常是按浮选入料，精煤和尾煤的灰分量平衡法计量的。即102AR式中入料精煤尾煤的干基灰分。012浮选精煤数量指数指浮选精煤灰分相同时，实际浮选精煤产率与标准浮选精煤产率之比的百分数。即10JRIIF式中浮选精煤数量指数，；IF实际浮选精煤产率，；JR精煤灰分相同时，标准浮选精煤产率，。J标准浮选精煤产率由煤炭部颁布的标准MT1441997实验室分布释放浮选实验方法所绘制的精煤累计产率（纵坐标）和其平均灰分（横坐标）曲线确定。3浮选完善指标该指标可应用于评价某一给定的煤样，在选择最佳药剂制度和浮选工艺等条件时使用。即YJYJWFAR10式中浮选完善指标，；F实际浮选精煤产率，；JR浮选入料灰分，；YA浮选精煤灰分，。J当采用浮选精煤滤液返回搅拌桶循环的流程时，浮选入料精煤的含义是浮选入料不含有滤液的浮选入料；浮选精煤过滤机滤饼。当采用滤液单独处理不返回搅拌桶的流程时，则浮选精煤的含义为浮选机的泡沫产品。34影响浮选效果的因素煤泥浮选是一个复杂过程。影响煤泥浮选效果的因素很多，例如煤泥性质、矿浆特征、药剂制度、设备性能、工艺流程和操作技术等。日常生产中变化的因素主要有以下几种。1煤泥的粒度组成不同粒度的煤泥有不同的可浮性，粒度越小的煤泥，起始浮选速度越大；粗粒煤泥从第三个浮选槽开始，也就是细粒煤泥浮选出之后，浮选速度才明显提高；同一浮选槽的精煤中，由于细粒级煤泥的选择性差、可浮性好，所以细粒的灰分往往比粗粒级的灰分高。浮选粗粒煤泥时，一般从05MM起，可浮性随着粒度的增加而降低。大于1MM的煤粒基本上都损失于尾煤中，造成精煤产率低、尾煤灰分低。所以，在生产过程中应加强管理，把浮选入料上限严格控制在05MM以下。细粒泥质的浮选速度快、选择性差，常常污染精煤质量。为提高精煤质量、改善浮选效果，可适当降低入料浓度改善分选精度；粗细煤泥分级浮选或选前脱除高灰分细泥。2入料浓度入料浓度一般用G/L表示，即以每升矿浆中所含固体的克数表示。图33所示为矿浆浓度对若干浮选因素的影响。曲线1说明矿浆的充气作用随矿浆浓度增加而增加，达到最大值后又逐渐变小，表明矿浆浓度与充气作用之间有一最大值。曲线2、3说明随着矿浆浓度的增加，药剂的容积浓度越大，煤泥的浮选时间越长。曲线4表明随着矿浆浓度的增加，细粒级煤泥的可浮性提高。曲线5表明随着矿浆浓度增高，粗粒级煤泥的可浮性降低；曲线6表明随着矿浆浓度增加，煤泥的粉碎作用加强。从上述矿浆浓度的影响及生产实践表明，较大的入料浓度有利于提高煤泥计的处理能力，降低药耗、水耗和电耗，但不利于提高分选效果和精煤质量。选煤厂煤泥水直接浮选流程的采用，使入料浓度大为下降。浓度过低，将会增加药电的消耗，降低处理能力，因而在保证产品质量的前提下尽量提高入料浓度。浮选入料浓度通过浓度仪表或浓度壶测定。浓缩浮选入料浓度的调整通常是在搅拌桶上加稀释水，直接浮选入料浓度的调整主要靠控制洗煤用水。图33矿浆浓度对若干浮选因素的影响1矿浆充气量；2药剂的容积浓度；3浮选时间；4细粒的可浮性；5粗粒的可浮性；6煤泥的粉碎程度3、充气程度矿浆充气程度包括浮选机内矿浆充气量和充气均匀度。前者指向矿浆导入的空气量的多少，后者指在机体内充气量分布的均匀程度。一般来说，叶轮结构好转速高浸入深度小矿浆浓度低循环量大进气口大矿浆的充气程度就大。矿浆的充气程度大，浮选速度高，浮选机的处理能力就大，叶轮的搅拌强度越大，起泡剂的性能越好，产生的小气泡越多，矿浆的充气程度越大。但矿浆所受搅拌作用过强时，不仅消耗典礼，还易造成液面不稳或翻花，增加矸石带入泡沫产品中的机械作用，使精煤灰分增高。实践证明，浮选机的充气量不是越大越好，而是要根据具体生产条件提出不同要求。充气量的大小可根据搅拌机的转速来调整。4、刮取泡沫刮取泡沫影响浮选产品的质量和浮选机的处理能力。在液面的矿化泡沫中，表层气泡出现了兼并和破灭；同时向下的水流带走气泡上粘附不牢的颗粒。在泡沫层中进行的这种清洗和优化过程称为二次富集作用。泡沫层的厚度与泡沫生成的速度有关，也和泡沫的稳定性有关。在浮选过程中，应根据入选原料的性质和产品质量的要求，选择有利的泡沫层厚度。泡沫层越厚，粗颗粒从泡沫层中落下的可能性越大；泡沫层很薄，将使二次富集作用完全消失。5浮选流程浮选流程决定于煤泥的性质和对产品的质量要求。煤泥的可浮性难产品质量要求高时，宜采用较复杂的流程。随着浮选流程的复杂，显著影响处理能力药耗水耗和电耗，并使操作管理困难。123456图34最简单的浮选流程最简单的浮选流程（图34）是由每槽刮取精煤，浮选机的最后一槽排出尾煤。适用于易浮选的煤炭。对于难选煤，可采用后几槽的泡沫产品（中煤）循环再选的浮选流程（图35）。这种流程是将第五5及6槽（或仅仅最后一槽）的泡沫产品（中煤）进行循环再选，由前4个槽（或5个槽）刮取精煤，以保证低的精煤灰分和高的尾煤灰分。当然，在这种情况下浮选机的处理量减小一些。123456入料尾煤精煤入料尾煤图35部分精选回选的浮选流程对于很难选的煤炭，必须采用粗选和精选的浮选流程（图36）。这种浮选流程一般在两组浮选机中进行。第一组浮选机的泡沫产品作为粗选精煤，经稀释和加药后（在搅拌桶中）供给第二组浮选机进行精选。第二组浮选机的泡沫产品为最终精煤。第一组和第二组浮选机的尾煤可以合起来作为最终尾煤。浮选入料小于200目的较多且多为泥质时，由于其浮选速度快，往往混入精煤中影响精煤质量，在浮选前可用分级设备脱除这部分细泥，然后再浮选。123456123456图36精煤精选的浮选流程尾煤1搅拌桶尾煤2（中煤）入料精煤第3章浮选系统的控制方案31浮选控制系统简介矿浆浮选系统的控制采用PLC作为核心控制器进行集中自动化控制。本次作为毕业设计课题，为简便起见本课题设计拟设计自动控制的浮选机数量为10台，每台浮选机浮选槽的槽数为6槽，浮选槽的高为2M，宽为3M，长为5M，容积30M3。本浮选控制系统的设计原理可应用于更多台浮选机的自动控制，能够控制的浮选机数量最多为30台，应用于工业实际生产时可根据生产规模的大小适当增减浮选机的台数，其控制逻辑不变。浮选机的控制示意图如图41所示图41浮选机的控制示意图本控制系统采用PLC作为核心控制器，系统从开始工作时起的整个工作过程见下文所述当PLC接收到开始工作的启动信号时将煤浆泵电动机启动，本浮选控制中要使用的电动机数量众多，将近有100台且功率较大，为了降低电动机在启动过程中产生的冲击电流，煤浆泵电动机及各台搅拌电动机的启动时采用星形/三角形接法换接启动的启动方法，且每台电动机之间的启动还采用分时启动的方式启动。两种启动方式同时作用，双管齐下，能够有效地降低电动机启动时所产生的冲击电流。煤浆泵电动机启动的同时将总电磁阀开关打开，因为当浮选机开始工作时，至少有一台浮选机要进行浮选工作，所以当整个控制系统开始工作时，第一台浮选机也要开始工作。即当煤浆泵电动机启动，总电磁阀开关打开的同时第一台浮选机的给煤浆电磁阀开关也要开启，准备工作；煤浆泵电动机启动完毕投入正常运行后，第一台浮选机中的第一台搅拌电动机也采用同样的启动方式启动；第一台搅拌电动机启动完毕投入正常运行后，接着第二台搅拌电动机也采用同样的启动方式启动，后面的搅拌电动机也采用同样的启动方式启动，直到最后一台搅拌电动机启动完毕投入运行。系统可根据生产规模的大小自动控制浮选机的工作台数，生产的规模由装设在总给煤浆管上的流量传感器确定，传感器检测到的流量大时，通过PLC控制增加浮选机的工作台数，检测到的流量小时则相反。起泡剂的给定控制采用PID闭环控制，由装设在各浮选槽内的浓度传感器将检测到的浓度值经输入端口送入PLC，PLC经过运算PID控制程序得出控制量，由PLC将控制量输出送往相应的执行机构，控制调节阀的开度，给出适量的起泡剂；起泡剂作用于浮选槽内的煤浆时会产生大量的泡沫，根据前述的浮选原理可知这时煤炭颗粒就会粘附气泡表面，随着泡沫的增加，膨胀细煤粒被带出煤浆，当泡沫达到一定的位置后，由刮泡器将泡沫刮走，同时也将粘附在泡沫表面的细煤颗粒刮走，刮走的泡沫经过干燥后即可得到浮选出的精煤。以上为浮选机的整个工作过程。1、起泡剂给定控制框图由前文介绍可知浮选机的浮选过程是整个系统控制的关键环节，其控制效果的好坏直接影响到精煤产品的品质。因此对起泡剂的控制就显得尤为重要，因此采用了PID闭环控制的控制规律，起泡剂的给定控制作为整个控制系统关键环节，其控制框图如图42所示。浓度设定图42起泡剂给定控制框图32主要器件的选择介绍1、煤浆流量测量煤浆属于悬浮液的一种，其中含有的各种不均匀颗粒较多，如果采用直接接触式的流量传感器，煤浆中的颗粒会对传感器造成损坏，影响传感器的测量精度和连续使用的寿命。结合传感器的具体应用环境中各种因素的影响，本设计中的流量传感器采用超声波流量传感器。超声波流量传感器属于非接触式测量传感器，它通过发射换能器发射超声波，穿过流动的流体，被接收换能器接收后，经过信号处理反映出流体的流速，根据流速便能算出流量。超声波测量是根据超声波在流体中的传播速度，顺流时会增大、逆流时会减小的原理测流速的。通过测量超声波在顺流、逆流时传播的时间差来实现流体流量的测量。超声波流量传感器的非接触式测量方式，不会影响被测流体的流动状况，被测流体也不会对流量传感器造成磨损或腐蚀伤害，因此适合本设计中的使用环境，测量精度可达02级。然后根据测量的流量可以决定打开浮选机的个数，这样使设备更加合理的被利用。2、煤浆浓度测量在自动化控制的浮选过程中，煤浆悬浮液浓度在线实时测量是至关重要的，它直接影响着浮选的工艺效果和精煤产品的品质。在浮选过程中，由于各种因素的影响，煤浆悬浮液的浓度是变化的，起泡剂给定量要根据不同的煤浆浓度值输出合适的给定量，以达到最佳的浮选效果和经济效益。煤浆悬浮液的浓度测量有多种方法，浓度和密度两者的本质是没有区别的，所以本设计中采用放射性密度测量仪对煤浆的浓度进行测量。放射性密度测量仪PID控制器执行器被控对象浓度检测也称同位素密度计，放射性密度测量仪是根据射线穿过悬浮液时被吸收程度的大小，来实现悬浮液密度的非接触在线测量。测定射线强度的接受器安装在管道的另一侧，射线透过管道的悬浮液时，会产生衰减，衰减的程度与悬浮液的密度有关。3、执行机构本设计的执行机构为电动执行机构，用于对起泡剂阀门开度的调节，称为电动调节阀。电动调节阀主要是接受来自调节器的电流信号，将其转换为阀门的开度。电动执行机构一般采用随动系统的方案组成。其框图如图43所示图43电动执行机构框图从调节器过来的信号通过伺服放大器驱动伺服电动机，经减速器带动调节阀，同时经过位置发信器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的行程。阀门电动机伺服放大器减速器位置发信器阀行程输入信号阀门图44伺服放大器原理图图（44）为伺服放大器的原理图。伺服电动机输出转速高、力矩小，必须经过减速器的减速，才能推动调节机构。电动执行机构中才用的减速器为行星齿轮，可以输出转角位移，实现调节阀的开度。4、可编程序控制器选型本浮选控制系统的数字量输入点数为115点，数字量输出点数为156点，模拟量输入点数为61点，模拟量输出点数为60点，总数为392点。控制规模较大，输入输出量多。一般的小型PLC难以满足系统的控制要求，西门子公司生产的S7400/S7300系列大中型PLC专用于中等规模以上的控制，其可供扩展的信号模块较多，S7400可扩展的信号模块为168块，最大数字量输入输出点数均为131072点，最大模拟量输入输出点数均为8192点；S7300可扩展的信号模块为32块，最大数字量输入输出点数均为992点，最大模拟量输入输出点数分别为输入点数248点，输出点数124点。综合比较考虑，选用S7300系列PLC完全满足系统控制要求。S7300系列PLC的简介见下一章的51节。第4章控制系统硬件设计41S7300系列PLC概况S7300是模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用搭积木的方式来组成系统，模块式PLC由机架和模块组成。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用能够十分灵活。其今年来，被广泛应用于专业机床、纺织机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业等诸多领域。S7300采用紧凑的、无槽位限制的模块化组合结构，将电源模块、CPU、信号模块、功能模块、接口模块和通信处理器等安装在导轨上。轨道为一种专门的金属架，只需要将模块挂在符合DIN标准的安装轨道上，用螺丝锁紧就可以了。由很多种不同长度的导轨供用户选择。S7300系列PLC的电源模块通过电源连接器或导线与CPU模块相连，为CPU模块提供DC24V电源。PS307电源模块还有一些端子可以为信号模块提供24V电源。S7300PLC用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，模块通过U形总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。安装时先将总线连接器插在CPU模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块。信号模块和通信处理器模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统可以自动分配模块的地址。每个机架最多只能安装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块。如果系统任务需要的这些模块超过8块，则可以增加扩展机架。（ER）机架的最左边是1号槽，最右边是11号槽，中央机架的1号槽安装电源模，2号槽安装的是接口模块，这3个槽号被固定占用，不能安装其他模块，其他模块只能安装在411号槽中。S7300的模块是通过总线连接器连接的，各个槽号是相对的。当某个槽位不使用时，例如，5号槽位上没有安插任何模块，而4号槽位安插功能模块，6号槽位上插有信号模块，虽然5号槽位没有使用，但占用了一个槽位号。在物理上，6号槽位和4号槽位的模块是连在一起的。IM360/361接口模块可以扩展3个机架，中央机架使用IM360，扩展机架使用IM361，各相邻机架之间的电缆最长为10M。每个IM361需要一个外部24V（DC）电源来对所有的扩展机架上的模块进行供电，可以通过电源连接器连接PS307负载电源，每个机架上的模块除了安装的信号模块、功能和通信模块不能超过8模块外，还要受到背板总线5VDC供电电流的限制。中央机架上的5VDC电源由CPU模块产生，其额定电流值与CPU的型号有关，扩展技嘉的背板总线的5VDC电源由接口模块IM361产生。1、I/O模块地址的确定I/O模块又被称为SM模块，用于测量输入信号并控制输出设备。信号模块可用于数字信号和模拟信号，还可用于连接，如传感器和启动器的连接。S7300的信号模块的字节地址与模块所在的机架号和槽号有关，位地址与信号线接在模块上的哪一个端子有关。对于数字量模块，从0号机架的4号槽开始，每个槽位4B（4个字节）的地址，相当于32个I/O点（见表51）。最多可能有32个数字量模块。模拟量模块以通道为单位，一个通道占一个字地址，或两个字节地址。例如模拟量输入通道IW640由字节IB640和IB641组成。S7300为模拟量模块保留了专用的地址区域，字节地址范围为IB256767。可以用装载指令和传送指令访问模拟量模块。一个模拟量模块最多有8个通道，从256开始，给每一个模拟量模块分配16B（8个字）的地址。SM的字节地址分配表见51，表52为SM的地址举例。表51SM的字节地址分配槽号机架号模块类型4567891011数字量0347811121516192023242728310模拟量256270272286288302304319320334336350352366368382数字量323536394043444748515255566960631模拟量384398400414416430432446448462464478480