本發(fā)明主要屬于選煤廠重介旋流器領(lǐng)域，具體涉及一種選煤廠重介旋流器分選過程懸浮液密度自動控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

重介旋流器作為選煤廠重選過程中重要的分選設(shè)備，以其結(jié)構(gòu)簡單、分選精度高、處理量大等優(yōu)點得以廣泛應(yīng)用，主要用于處理50-0.5mm粒級原煤。重介旋流器分選過程中重介懸浮液密度對分選效果有著重要的影響，控制懸浮液密度是獲得良好分選效果的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在懸浮液密度控制過程中主要的操作變量有補水量和分流量，其中分流主要用來調(diào)控重介懸浮液密度和懸浮液中煤泥含量。一般來講水量消耗大于藥劑消耗，合介桶表現(xiàn)為液位緩慢下降，懸浮液密度緩慢上升，因而懸浮液的密度主要依靠調(diào)整補水閥開度來控制。隨著選前脫泥工藝的逐漸廣泛應(yīng)用，進入系統(tǒng)水量明顯增加，煤泥量減少，單獨的采用控制補水閥開度的密度自動控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)場需求。

現(xiàn)有的洗煤廠密度自動控制系統(tǒng)主要包括以下幾種：1、補水管路安裝在合介桶上方，手動控制補水閥開度，無分流回路。這種密度控制方法一般在老式洗煤廠存在，控制方法落后，控制精確度和靈敏度較差，滯后性強，介耗較高；2、補水管路安裝在合介泵前，采用PID控制補水閥開度，無分流回路。該方法控制精度和靈敏度都有明顯的提高，然而由于沒有分流回路，并未考慮到重介懸浮液中的煤泥含量，重介懸浮液穩(wěn)定性較差，從而降低重介旋流器的分選效果；3、補水管路安裝在合介泵前，采用PID控制補水閥開度，分流閥(箱)開度固定；該方法分流量固定，然而由于選煤廠入洗原煤性質(zhì)的波動性和不均勻性，懸浮液中煤泥含量和磁性物含量也在不斷變化，固定的分流量不利于重介懸浮液的穩(wěn)定，從而影響到重介旋流器分選效果；4、補水閥安裝在合介泵前，采用PID控制補水閥開度，分流量采用模糊控制方法。該控制方法精確度和靈敏度都較高，系統(tǒng)設(shè)計考慮到了重介懸浮液密度和穩(wěn)定性，然而由于模糊控制的設(shè)計大都僅考慮了合介桶液位或者煤泥含量，而分流過程影響因素眾多，同時模糊控制系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種重介旋流器分選過程懸浮液密度自動控制系統(tǒng)，采用補水+分流共同進行密度自動控制，其中補水采用PID控制，分流采用基于LSSVM的預(yù)測控制方法，能夠保證重介懸浮液密度的精確性和穩(wěn)定性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種重介旋流器分選過程懸浮液密度自動控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括控制器和執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)包括安裝在重介旋流器上的補水閥和分流閥；

所述補水閥安裝在重介旋流器的合介泵入口的補水管道上；

所述分流閥安裝在重介旋流器的精煤脫介弧形篩下分流管路上；

所述控制器利用PID算法控制補水閥開度實現(xiàn)自動補水；

所述控制器依據(jù)LSSVM模型對分流閥的開度進行控制實現(xiàn)自動分流；所述控制器通過自動補水和自動分流實現(xiàn)對重介旋流器分選過程懸浮液密度自動控制。

進一步地，所述LSSVM模型以懸浮液實時密度、煤泥含量、合介桶液位和補水閥開度作為輸入變量，以分流閥開度作為輸出變量。

進一步地，所述LSSVM模型為：

其中，K(x，x_i)為核函數(shù)，K(x，x_i)＝exp＝(-||x-x_i||²/2σ²)；

α_i＝γe_i；γ是正則化參數(shù)，e_i是松弛因子；σ²為核參數(shù)；b為偏置量；

i＝1,2…l，l為輸入?yún)⒘總€數(shù)；x_i為輸入?yún)?shù)；f(x)分流閥開度，單位為％；

l＝4；

x₁為懸浮液實時密度，單位為g·cm^-3；x₂為合介桶液位，單位為m；x₃為煤泥含量，單位為g·cm^-3；x₄為補水閥開度，單位為％。

進一步地，所述控制系統(tǒng)還包括傳感器，傳感器測得的數(shù)據(jù)可傳輸至控制器；

所述傳感器包括的密度傳感器、磁性物含量儀和壓力型液位傳感器；

所述密度傳感器和磁性物含量儀分別安裝在重介旋流器的入料管道上，分別實時測量重介旋流器懸浮液的密度和磁性物含量；

所述壓力型液位傳感器安裝在重介旋流器的合介桶上，實時測量合介桶液位；

依據(jù)懸浮液的密度和磁性物含量可計算得到懸浮液的煤泥含量。

進一步地，利用PSO算法對LSSVM模型中正則化參數(shù)γ，核參數(shù)σ²進行優(yōu)化選擇。

進一步地，所述控制系統(tǒng)還包括分流裝置；分流裝置具體安裝為：

在主分流管道上安裝了主分流閥，依據(jù)LSSVM模型預(yù)測閥門開度值進行自動調(diào)整；

在主分流管道旁設(shè)有分流旁路管道，分流旁路管道上安裝了分流旁路蝶閥，分流旁路蝶閥在控制系統(tǒng)完成調(diào)試后開度固定不變；

同時在主分流管道旁設(shè)有防堵管道，防堵管道上安裝有防堵蝶閥，當(dāng)管道堵塞時，系統(tǒng)可通過遠程手動或就地控制防堵閥打開進行排料疏通。

進一步地，所述控制系統(tǒng)還包括上位機，上位機與所述控制器通過以太網(wǎng)通訊；

上位機選用研華工控機ACP-4000，組態(tài)軟件選用WINCC，控制器采用西門子PLC，模型運算軟件采用MATLAB。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

本系統(tǒng)采用補水+分流共同進行密度自動控制，其中補水采用傳ID控制，分流采用基于LSSVM的預(yù)測控制方法，能夠保證重介懸浮液密度的穩(wěn)定性，波動范圍可控制在±0.005g/cm³，從而保障重介旋流器高效精確分選。同時由于基于預(yù)測控制思路，能夠及時調(diào)整分流量，大大減小了控制過程中懸浮液密度的超調(diào)量和波動性，分流量調(diào)整連續(xù)且平穩(wěn)，進而穩(wěn)定了磁選機入料量，避免了由于磁選機入料劇烈波動而導(dǎo)致的磁選效率降低，從而保證了磁選回收率，降低了介質(zhì)消耗量。同時系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提升洗煤廠自動化水平，提高選煤廠綜合管理效率和經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1、重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)框原理示意圖；

圖2、補水閥自動控制PID原理示意圖；

圖3、PSO算法優(yōu)化流程示意圖；

圖4、分流裝置示意圖；

圖5、重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

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

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

實施例1

一種重介旋流器分選過程懸浮液密度自動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括控制器和執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)安裝在重介旋流器上；

執(zhí)行機構(gòu)包括補水閥和分流閥；

補水閥安裝在重介旋流器的合介泵入口的補水管道上；

分流閥安裝在重介旋流器的精煤脫介弧形篩下分流管路上；

所述控制器利用PID算法控制補水閥開度實現(xiàn)自動補水；

所述控制器依據(jù)LSSVM模型對分流閥的開度進行控制實現(xiàn)自動分流；所述控制器通過自動補水和自動分流實現(xiàn)對重介旋流器分選過程懸浮液密度自動控制。

同時控制器利用PLD控制來控制補水閥的開度，原理如圖2所示。

所示控制系統(tǒng)還包含分流裝置，所述分流裝置具體為，所述分流閥為電動蝶閥；

在主分流管道上安裝了主分流閥，依據(jù)LSSVM模型預(yù)測閥門開度值進行自動調(diào)整；

在主分流管道旁設(shè)有分流旁路管道，分流旁路管道上安裝了分流旁路蝶閥，分流旁路蝶閥在控制系統(tǒng)完成調(diào)試后開度固定不變；

分流旁路的設(shè)計提高系統(tǒng)的分流冗余量，確保了主閥能夠在一個較小的開度范圍內(nèi)完成自動分流過程，提高了系統(tǒng)的靈敏性；

同時主分流管道旁設(shè)有防堵管道，防堵管道上設(shè)有防堵蝶閥，當(dāng)分流管道出現(xiàn)故障或者堵塞時，防堵管道打開，懸浮液返回合介桶，該分流管道設(shè)計充分保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

分流裝置的示意圖如附圖4所示。

分流是指在重介旋流器分選過程中，利用磁選精礦懸浮液密度和磁性物含量都較高的特點，通過將一部分合格介質(zhì)分流到稀介中，然后再次通過磁選機進行凈化和濃縮后返回合介桶中，從而達到提高懸浮液密度和降低系統(tǒng)懸浮液中煤泥含量的目的，這部分分流到稀介中的合格介質(zhì)量即為分流量；分流量過小，往往不能起到保證懸浮液密度和穩(wěn)定性的作用；分流量過大，由于受限于磁選機磁鐵礦粉回收率，往往導(dǎo)致介耗增加，因而分流量的大小需要依據(jù)分選過程中實際情況及時調(diào)整。通過對重介分選過程工藝流程分析，影響分流量大小的主要因素如下：

1懸浮液密度：

重介懸浮液密度的精確性會直接影響分選效果，而分流對于懸浮液密度有著重要的影響，當(dāng)懸浮液密度實時值低于設(shè)定值時，通過提高分流量，增加進入稀介中的合格介質(zhì)，從而增加磁選機濃縮后的濃介量，可以提高合介桶中懸浮液密度；反之當(dāng)懸浮液密度實時值低于設(shè)定值時，應(yīng)適當(dāng)減少分流量，從而起到降低合介桶中懸浮液密度的作用。

2合介桶液位：

合介桶液位的正常和穩(wěn)定對于保證重介分選過程連續(xù)穩(wěn)定運行具有重要意義，合介桶液位過高，密度調(diào)節(jié)過慢，停車時管道中懸浮液的回流容易造成溢桶事；合介桶液位過低，無法保證旋流器入料壓力和懸浮液密度的穩(wěn)定。

在實際生產(chǎn)過程中，當(dāng)合介桶液位較高時，可通過增加分流量，減少返回合介桶中的合介量，從而降低合介桶液位；反之當(dāng)合介桶液位較低時，可通過減小分流量，增加返回合介桶中的合介量，從而提高合介桶液位。

3煤泥含量：

重介懸浮液是由水、煤泥和磁鐵礦粉共同組成，在重介選煤過程中，磁性物含量和煤泥含量應(yīng)保持一定的比例，才能夠保證懸浮液的粘度，而粘度直接影響到懸浮液的穩(wěn)定性。

煤泥含量可間接反映懸浮液的粘度，由重介懸浮液密度和磁性物含量計算得到，當(dāng)煤泥含量較高時，懸浮液粘度較大，穩(wěn)定性好，但是不利于細顆粒物料的分選，此時應(yīng)該適當(dāng)增加分流量，降低系統(tǒng)煤泥含量，保證分選效果；當(dāng)煤泥含量較低時，懸浮液粘度較小，穩(wěn)定性較差，此時應(yīng)適當(dāng)減少分流量，提高懸浮液中煤泥含量，保證懸浮液的穩(wěn)定性。

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

4補水閥開度：

補水是重介選煤過程調(diào)節(jié)懸浮液密度的一個重要手段，通過調(diào)整安裝在合介泵前的補水閥的開度從而調(diào)節(jié)進入合介管道的清水量，進而達到控制懸浮液密度的作用。

當(dāng)補水閥開度較大時，表明此時懸浮液密度較高，可適當(dāng)提前減小分流量，間接起到降低密度作用；當(dāng)補水閥開度較小時，表明此時懸浮液密度較低，可適當(dāng)提前增加分流量，起到提高懸浮液密度作用。

因此，結(jié)合上述對分流影響因素的分析，本發(fā)明中，所述LSSVM模型將懸浮液實時密度、合介桶液位、煤泥含量、補水閥開度作為輸入變量；

l＝4；

x₁為懸浮液實時密度，單位為g·cm^-3；x₂為合介桶液位，單位為m；x₃為煤泥含量，單位為g·cm^-3；x₄為補水閥開度，單位為％。

其中懸浮液實時密度、煤泥含量、合介桶液位和補水閥開度分別由傳感器實時測得。

其中，傳感器包括的密度傳感器、磁性物含量儀和壓力型液位傳感器；

濃度傳感器、磁性物含量儀安裝在重介旋流器的入料管道上；

壓力型液位傳感器安裝在重介旋流器的合介桶上，實時測量合介桶液位。

控制系統(tǒng)原理示意圖如附圖1所示。

最小二乘支持向量機(LS-SVM)其回歸建模原理如下：

給定一組訓(xùn)練樣本集S：{(x₁，y₁)...(x_i，y_i)}∈Rⁿ×R，其中i＝1,2…l，l為樣本個數(shù)，x_i為輸入變量，y_i為對應(yīng)的輸出變量。引入非線性映射函數(shù)將輸入數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，從而建立如下回歸模型：

式中ω是權(quán)向量，b為偏置量，ω∈Rⁿ，b∈R。

根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則，回歸問題可轉(zhuǎn)化為有約束的二次優(yōu)化問題：

其中J(ω，e)是目標(biāo)函數(shù)，γ是正則化參數(shù)，e_i是松弛因子。為了解決上述優(yōu)化問題，通過將約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題，引入拉格朗日乘子，得到目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)最優(yōu)系統(tǒng)理論的KTT條件可知存在以下等式：

進而得到如下線性方程式：

式中K(x_i，x_j)為核函數(shù)，滿足Mercer條件。

最終求解得到的回歸函數(shù)可表示為：

在LSSVM建模過程中，正則化參數(shù)γ和核參數(shù)σ²對模型回歸精度有著重要的影響，本發(fā)明選用粒子群算法(PSO)對LSSVM模型參數(shù)進行優(yōu)化選擇。

PSO具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)參數(shù)少，收斂速度較快等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于參數(shù)優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等領(lǐng)域，采用PSO進行參數(shù)尋優(yōu)的思想為：首先初始化一群粒子，粒子個數(shù)為m，每個粒子的位置代表一個參數(shù)值，通過迭代尋找最優(yōu)解，在每一次迭代過程中，粒子通過跟蹤個體極值(pbest)和全局極值(gbest)來更新自己。同時選用線性遞減權(quán)重策略(LDW)對慣性權(quán)重ω進行調(diào)整。迭代過程如公式(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維搜索空間中，第i個粒子的第k次迭代過程中的速度，x_id(k)表示在d維搜索空間中，第i個粒子的第k次迭代過程中的位置，c₁，c₂為學(xué)習(xí)因子，r₁，r₂為0到1之間的隨機數(shù)，ω為慣性權(quán)重。

同時，所述控制系統(tǒng)還包括上位機，上位機與所述控制器通過以太網(wǎng)通訊；上位機選用研華工控機ACP-4000，組態(tài)軟件選用WINCC，控制器采用西門子PLC，模型運算軟件采用MATLAB。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖5。

將本發(fā)明提供的重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)應(yīng)用于潞安集團宏通煤化洗煤廠重介分選過程，挑選工業(yè)過程中現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)N組，其中N1組用于模型離線訓(xùn)練，剩余N-N1組進行模型精度驗證，其中，N取100，N1取70；

PSO參數(shù)設(shè)置：初始化種群大小m＝20，最大迭代次數(shù)k_max＝200，c1＝1.7，c2＝1.5，ω_max＝1.2，ω_min＝0.8。初始化每個粒子的位置和速度，隨機產(chǎn)生p_best,g_best，設(shè)置粒子維數(shù)d＝2，SVM交叉驗證參數(shù)為3，γ_min＝0.01,γ_max＝1000,σ²_min＝0.1,σ²_max＝100；優(yōu)化結(jié)果γ＝2.92，σ²＝14.83。

模型預(yù)測精度采用均方根誤差RMSE和平均絕對百分誤差MAPE來進行評價。

采用上述優(yōu)化后的內(nèi)部參數(shù)γ＝2.92，σ²＝14.83，進行建模，利用剩余30組數(shù)據(jù)進行模型預(yù)測精度評價，RMSE＝0.7344，MAPE＝3.54％，預(yù)測效果良好。

將本發(fā)明提供的重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)應(yīng)用于潞安集團宏通煤化洗煤廠重介分選過程，分流閥和補水閥能夠依據(jù)當(dāng)前實際工況自動輸出最佳閥門開度，重介懸浮液密度波動明顯減小，系統(tǒng)應(yīng)用后，實時密度波動范圍可控制在±0.005g/cm³，噸煤介耗降低了0.18Kg。