АВТОРЕФЕРАТ

квалификационной работы магистра
«Автоматизация процесса обогащения углей на пневмовибрационном сепараторе»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Для обогащения угля в последние годы все чаще используется пневмовибрационный способ. Особенности данной технологии [7,8,9], воплощенной в современных сепараторах, позволяют производить разделение горной массы с высокой эффективностью и в широком диапазоне крупности. Но недостаточная изученность сепаратора как объекта управления и чрезвычайно низкий уровень автоматизации обогатительной установки на его базе, заставляют оператора в условиях производства осуществлять обогащение угля преимущественно вручную, основываясь на собственном опыте. Это значительно повышает вероятность неправильного управления и, как следствие, снижения эффективности разделения исходного материала. Разработка законов регулирования сепаратором позволит повысить его экономические показатели и надежность. При этом особый интерес представляет поведение частиц, образующих постель сепаратора, в создающихся режимах механического встряхивания и подачи воздуха. Разработка адекватной модели, позволяющей определить законы управления сепаратором, даст возможность построить эффективную систему управления и улучшить показатели его работы.

Объект исследований – гравитационное обогащение угля на пневмовибрационном сепараторе.

Цель работы – повышение эффективности обогащения угля на пневмовибрационном сепараторе путем создания системы управления.

Идея работы. Применить физико-математический аппарат для описания процессов, происходящих при гравитационном обогащении угля на пневмовибрационном сепараторе.

Методы исследований. Математическое моделирование, математическая статистика и теория вероятностей, метод планирования эксперимента.

Задачи. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

1. Изучение и анализ технологи пневмовибрационном обогащения, поиск известных способов и методов повышения эффективности работы сепаратора.
2. Разработка математической модели с целью изучения поведение частиц постели сепаратора, анализ полученных результатов моделирования.
3. Обоснование метода и разработка алгоритма управления сепаратором.
4. Моделирование системы управления, проверка её эффективности
5. Разработка технических решений

Процесс разделения горной массы на продукты с использованием вибропневматического сепаратора показан на рис.1 (если анимация не проигрывается, перезагрузите страницу).

Рисунок 1 – Разделение горной массы на сепараторе
(gif-анимация: объем - 65 КБ; разрешение - 640x480; количество кадров - 12; задержка между кадрами - 200 мс; количество циклов повторения - 10; анимация создана с использованием программ 3dsmax 6.0 и Macromedia Fireworks MX 2004)

(смотреть качественный и более информативный видеоролик)

ТЕХНОЛОГИЯ ПНЕВМОВИБРАЦИОННОГО ОБОГАЩЕНИЯ

В настоящее время существует несколько различных принципов разделения горной массы с целью выделения из неё и дальнейшего использования наиболее ценной составляющей – угля. Каждому способу обогащения соответствует машина определенной конструкции. При этом всем методам разделения и реализующих их машинам присущи определённые достоинства и недостатки, влияющие на выбор технологии и оборудования для предприятия.

Основными критериями здесь являются:

• точность выделения угля;
• производительность установки;
• влияние влажности горной массы на эффективность разделения;
• вибрационная нагрузка на конструкции здания, где находится машина;
• использование воды в процессе разделения;
• загрязнение и запыление окружающей среды;
• стоимость оборудования.

В последнее время получила широкое распространение и продолжает развиваться технология вибропневматического обогащения. Данное направление успешно развивается в Австралии, России, Казахстане, США, Японии и Китае. Для реализации указанной технологи используются установки с вибропневматическими сепараторами. Примером зарубежных установок могут служить FGX–6 (Китай) и Allair (Германия). В Украине ЗАО «Луганский машиностроительный завод имени А.Я.Пархоменко» выпускается сепаратор СВП–5,5х1, который предназначен для обогащения в воздушной среде углей руд и других сыпучих материалов насыпной плотностью до 2.8 т/м³ с поверхностной влагой до 8%, крупностью до 75 мм. Применяется при обогащении каменных углей и антрацитов в регионах с малой обеспеченностью гидроресурсами, а также при переобогащении отвалов [1].

Среди машин подобного класса СВП-5,5х1 лидирует по качественным показателям получения концентрата, оставаясь при этом более доступным по цене. При сравнении сепаратора СВП-5,5х1 с аналогичными машинами для сухого обогащения FGX-5 (Китай) и «СЕПАИР» (Россия), установлено, что украинский сепаратор имеет более высокую производительность и эффективность разделения при меньшей себестоимости получения конечного продукта.

Вместе с тем, к недостаткам рассматриваемой конструкции сепаратора следует отнести низкий уровень автоматизации технологического процесса. В настоящее время регулирование подъемного механизма 4 и углов наклона деки 5 осуществляется оператором вручную, отсутствуют средства контроля разрыхленности постели, расхода воздуха, параметров вибрации (см. рис.2). Разработка системы автоматизированного управления вибропневматическим сепаратором и средств контроля основных технологических параметров сухого обогащения позволит исключить влияние человеческого фактора на конечный результат и связанные с этим непроизводительные простои механического оборудования, повысить качественные показатели получаемого продукта.

ВИБРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР

При пневмовибрационном обогащении под действием воздушного потока и одновременного механического встряхивания происходит разделение горной массы, находящейся на перфорированной рабочей поверхности машины [3]. В зависимости от крупности и плотности зёрен материала происходит его разрыхление и расслаивание. Разделение материала на продукты осуществляется путем перемещения образующихся слоев постели по рабочей поверхности машины в нескольких направлениях (веерное разделение).

В пневмовибрационных сепараторах (рис. 2) отделение образующихся слоев происходит постепенно на всей площади рабочей поверхности, что обеспечивает на разных участках различную концентрацию материала в зависимости от плотности и крупности зёрен. Разгрузка производится с периферийных участков дек.

Рисунок 2 – Схема сепаратора СВП–5.5х1:
1 – технологический вентилятор; 2 – воздуховод; 3 – опора; 4 – подъемный механизм; 5 – дека;
6 – постель; 7 – приводной механизм; 8 – зонт

Наиболее важные технологические параметры и их влияние на процесс обогащения сведены в табл.1.

Таблица 1 – Основные технологические параметры процесса пневмовибрационного обогащения

Основная задача автоматического регулирования пневмовибрационных сепараторов заключается в выборе режима работы, при котором обеспечивается наилучшее отделение посторонних примесей из угля при его минимальных потерях в отходах. Анализ табл.1 показывает, что управление процессом обогащения на сепараторе сводится к регулированию следующих основных параметров [2]:

• расход воздуха Q_B, м³/ч;
• частота колебаний короба ω, сек^–1;
• амплитуда колебаний короба Δ, мм;

На рис.3 представлена структурная схема управления пневмовибрационным сепаратором:

Рисунок 3 – Структурная схема управления сепаратором

Изменяющийся гранулометрический состав угля и его плотность является возмущающим воздействием f(t). Управляющее воздействие u(t) представлено изменением расхода воздуха Q,_B, частоты ω и амплитуды Δ колебаний короба. Вектор наблюдения y(t) представлен выходными сигналами измерительных преобразователей о зольности концентрата А^К, промпродукта А^П/П и отходов А^ОТХ , а также о степени разрыхленности постели.

Таким образом, управление сепаратором сводится к оперативному изменению значений параметров управляющего воздействия в зависимости от возмущающих факторов с целью получения продукта высокого качества.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

Для нормального протекания процесса обогащения необходимо разрыхлить горную массу и привести её к состоянию псевдоожиженности. В настоящее время не существует устройств, позволяющих оценить степень разрыхленности постели материала пневмовибрационного сепаратора. При этом, именно степень разрыхленности является наиболее важным показателем, от которого зависит эффективность разделения горной массы в процессе обогащения.

В настоящее время существуют устройства, предназначенные для измерения разрыхленности постели отсадочных машин. Одно из таких устройств — устройство для автоматического измерения разрыхленности постели отсадочной машины, содержит поплавок с рычажной системой, индуктивный датчик разрыхленности и схему формирования сигнала измерения разрыхленности [4].

Известно также устройство, включающее погружаемые в постель щупы, выполненные в виде стержней, укрепленных в направляющих подшипниках [5]. Существует прибор, включающий измерительный элемент, установленный на валу электродвигателя. При погружении измерительного элемента в постель материала и включении электродвигателя за счет торможения вала двигателя зернами постели возникает крутящий момент, который преобразуется в деформацию упругой измерительной балки. Деформацию балки регистрируют тензометрические датчики [6].

Однако перечисленные устройства спроектированы для применения в условиях отсадочных машин, в отличие от которых при пневмовибрационном обогащении присутствует вибрационное поле, создаваемое колеблющейся декой сепаратора, что влияет на точность измерений.

Разработанное устройство автоматического контроля степени разрыхленности постели приведено на рис.4. Устройство состоит из измерительного элемента 1, укрепленного на валу 2 двигателя 3 постоянного тока с независимым возбуждением, корпус которого закреплен неподвижно. В цепь электродвигателя последовательно включен постоянный резистор 4, падение напряжения на котором воспринимается аналогово–цифровым преобразователем (АЦП) микроконтроллера (МК) 5.

Рисунок 4 – Устройство для контроля разрыхленности постели пневмовибрационного сепаратора

При подаче напряжения питания U на обмотку якоря двигателя, последний начинает вращаться, испытывая момент сопротивления M_C, зависящий от геометрических параметров измерительного элемента 1 и степени разрыхленности постели исследуемого материала ρ. Чем меньше разрыхлена постель твёрдого материала, тем больший момент сопротивления создается на валу 2 электродвигателя 3. С ростом момента сопротивления на валу снижается скорость вращения последнего, в связи с чем увеличивается ток I_Я, потребляемый двигателем из сети. При увеличении степени разрыхленности постели величина тока в цепи электродвигателя, соответственно, снижается. Соответственно току изменяется падение напряжения ΔU на включенном последовательно с якорной цепью резисторе. Это падение напряжения преобразуется АЦП микроконтроллера, который в соответствии с алгоритмом формирует соответствующий сигнал управления сепаратором.

В установившемся режиме работы напряжение U_Я, приложенное к якорю двигателя, уравновешивается электродвижущей силой (ЭДС) Е, наведенной в якоре, и падением напряжения в якорной цепи:

где

c – конструктивный коэффициент двигателя;

Φ – магнитный поток создаваемый обмоткой возбуждения двигателя или постоянными магнитами;

ω_Д – угловая скорость вращения вала двигателя;

I_Я – ток якорной цепи двигателя;

R_Я – сопротивление якорной цепи двигателя;

R_Д – сопротивление добавочного резистора.

Изменение угловой скорости ω_Д на валу двигателя под действием сопротивления, создаваемого постелью материала, разрыхленного до определенной степени, приводит к изменению ЭДС E и, следовательно, величины тока I_Я.

Таким образом, по величине тока, потребляемого приводным электродвигателем устройства, можно оценивать степень разрыхленности постели сепаратора. Применение разработанного устройства позволяет формировать управляющее воздействие для обеспечения высокой производительности сепаратора и выхода качественного продукта обогащения.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Как было показано ранее, углеобогатительная установка на основе вибропневматической технологии достаточно эффективна. Но эффективность может быть повышена. Это возможно путём устранения её главного недостатка – ручного управления. Главная машина установки – вибропневматический сепаратор – подвержен значительному времени простоя по причине отсутствия исполнительных механизмов для изменения технологических параметров. Также отсутствует датчик разрыхленности постели материала и система управления процессом обогащения, что приводит к значительному влиянию человеческого фактора на эффективность разделения.

Система управления может быть построена как набор блоков, каждый из которых отвечает за измерение и изменение определенных параметров вибропневматического сепаратора (далее сепаратор). Все блоки взаимодействуют с центральным устройством, которое, согласно алгоритму, управляет процессом разделения и создает запросы и информационные сообщения оператору.

На рис.5 показана схема сепараторной установки с расположенными в ней блоками. Для управления используются следующие блоки:

• БПУ – блок пылеулавливания;
• БКД – блок качаний деки;
• БПР – блок продольного наклона деки;
• БПП – блок поперечного наклона деки;
• БПВ – блок подачи воздуха;
• БПМ – блок подачи материала;
• БСП – блок состояния постели.

Задачей БПУ является обеспечение оператора информацией о состоянии системы пылеулавливания (исправность вентилятора, давление в трубопроводе и пр.). БКД измеряет и изменяет режим качаний деки сепаратора. БПР и БПП измеряют и изменяют соответственно продольный и поперечный углы наклона деки. БПВ измеряет и изменяет параметры воздушного режима восходящего потока (расход и пульсации воздуха). БПМ управляет питателем. БСП информирует о состоянии постели материала (измеряет разрыхленность).

Рисунок 5 – Схема сепараторной установки [1]:
1 – технологический вентилятор; 2 – воздуховод; 3 – опора; 4 – подъемный механизм; 5 – дека;
6 – постель; 7 – приводной механизм; 8 – зонт; 9 – бункер; 10 – питатель; 11 – подъемный механизм; 12 – очистка воздуха

Центральное устройство (ЦУ) с каждым блоком взаимодействует по двухпроводной линии связи. Это позволит повысить надежность системы по сравнению с более экономичной топологией «общая шина». С компьютером ЦУ соединяется по интерфейсу RS–232 (рис.6). При этом у оператора должна быть возможность ручного управления процессом через ЦУ.

Рисунок 6 – Структурная схема системы управления

Применение ЭВМ позволит использовать сложную модель для эффективного управления процессом. Также возможен сбор и архивирование данных о работе установки и наглядное отображение текущего состояния процесса.

Центральное устройство представлено микроконтроллером МК, который питается от промышленной сети через преобразующий блок питания БП (рис.7). Для согласования уровней при обмене информацией с компьютером предназначен блок согласования БС. Каждый из блоков БПУ..БСП соединяется с МК через устройство гальванической развязки ГР. Второй блок питания предназначен для передачи по линии к блокам сигнала более высокого по уровню по сравнению с напряжением, которым оперирует МК.

Рисунок 7 – Укрупнённая структурная схема

Каждый блок должен одинаковым образом взаимодействовать с МК. Это позволит упростить обмен информацией между МК и блоками, а также избежать связанными с этим ошибками. Формат сообщений обмена данными между ЦУ и блоками имеет следующий вид (рис.8):

Рисунок 8 – Вид сообщений:
1 – стартовый бит; 2 – запрос на изменение/измерение; 3 – команда; 4 – бит чётности; 5 – ответные данные

Создание подобной системы позволит добиться следующих результатов:

• наглядное представление данных
• быстрый поиск неисправности
• быстрое изменение параметров (управление объектом)
• управление на основе компьютерного моделирования процесса
• минимизация влияния человеческого фактора

Список источников 

1. Каталог товаров ЗАО «Луганский машиностроительный завод имени А.Я.Пархоменко»
2. Б.Д.Бесов Аппаратчик пневматического обогащения углей. Справочное пособие для рабочих. М.: Недра, 1988, 77 с.
3. Справочник по обогащению углей. Под ред. И.С.Благова, А.М.Коткина, Л.С.Зарубина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984, 614 с.
4. Авторское свидетельство СССЗ №989790, кл. В03В 13/00, 1980
5. Авторское свидетельство СССР №155763, кл. В03В 13/00, 1962
6. Авторское свидетельство СССР №219479, кл. В03В 13/00, 1966
7. Gravity_separation, en.wikipedia.org
8. Кузбасс внедряет «сухой» способ обогащения угля
9. «Сухое» обогащение – реальная замена устаревшим технологиям (эта статья есть в библиотеке)
10. Рубинштейн Ю.Б, Волков Л.А. Математические методы в обогащении полезных ископаемых. – М.: Недра, 1987. – 296 с.
11. Гравітаційна сепарація корисних копалин: Навч. посібник /П.І.Пілов.– Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2003.– 123 с.
12. Автоматизированные системы управления технологическими процессами обогащения руд / Хорольский В.П., Хоцкина В.Б., Бабец Е.К. // Збагачення кописних копалин: Наук.–техн. зб. – 2004. – Вип. 21(62). – С. 105–114