磨礦控制系統(tǒng)中西門子PLC的應(yīng)用分析

郭天舒 張寶秋

摘 要：文章主要對磨礦控制系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析論述，通過對控制系統(tǒng)的主要程序以及結(jié)構(gòu)的介紹，分析了PLC在磨礦系統(tǒng)中的構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：西門子PLC；磨礦控制；PROFIBUS

1 球磨機(jī)工藝概述

某鐵礦選礦廠車間在磨礦工藝流程上均選用了兩段式閉路磨礦工藝。設(shè)備通過給礦機(jī)將入磨礦石運(yùn)送至集礦皮帶，再由集礦皮帶轉(zhuǎn)到給礦皮帶，最后送入球磨機(jī)，完成一段磨礦作業(yè)。在一段磨礦完成后礦石繼而進(jìn)入螺旋分級機(jī)，由分級機(jī)進(jìn)行一次分級，在分級后予以反砂再次進(jìn)入球磨機(jī)。后進(jìn)入二段螺旋分級機(jī)，該螺旋分級機(jī)為沉沒式分級機(jī)，通過二次分級后，再次反砂，從螺旋分級機(jī)進(jìn)入到二段球磨機(jī)中進(jìn)行磨礦，完成二段磨礦處理后，由球磨機(jī)排礦，再由二段分級機(jī)予以分級，后再次反砂進(jìn)行再磨。磨礦的產(chǎn)品分級通過二次分級溢流完成，以上步驟完成后進(jìn)入浮選脫硫工序。

粒度作為磨礦工序生產(chǎn)的重要參數(shù)，在整個生產(chǎn)過程中，只有保證粒度維持在一定范圍中，才能使得浮選工作順利進(jìn)行。若粒度級別過大，則會造成很多成分無法得到分離，若粒度級別過小，則會提高在磨礦作業(yè)中的能耗、材料消耗，并且尾礦處理工作量也隨之加大。

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過對工藝的了解，在原有的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，加入了西門子PLC作為系統(tǒng)的控制器，該種控制器具有可編程性，因此擴(kuò)展了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲量，并加大了系統(tǒng)的測量以及控制參數(shù)范圍。通過對車間信號以及配電室信號的采集點(diǎn)布局的實際了解，為提高系統(tǒng)通訊的可靠性以及便捷性，該系統(tǒng)需要增設(shè)信息采集站點(diǎn)。設(shè)備之間聯(lián)鎖關(guān)系變得更加緊密，例如以給礦皮帶、潤滑油泵、集礦皮帶、分級機(jī)和磨機(jī)、給礦機(jī)為例，上述系統(tǒng)便是典型的以電機(jī)的互鎖控制以及啟停作為聯(lián)系的系統(tǒng)。因此以粒度控制實現(xiàn)作為目標(biāo)，需要對入磨臺時以及礦漿的粒度值、給水量等進(jìn)行實時的檢測，并通過變頻器以及調(diào)節(jié)閥對上述參數(shù)予以控制、調(diào)節(jié)。

2.1 控制設(shè)備簡介

控制過程在該系統(tǒng)中相比較其他控制系統(tǒng)較多，主要過程為給礦控制、加球控制、反礦水控制以及油泵控制、溫度控制和啟動停止控制。由于需要進(jìn)行控制的信息量過大，因此對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研后，選用以下控制器件。

上述系列中中央控制單元選擇了西門子控制單元，該單元內(nèi)部具有一百二十六個定時器，僅10ms便可以完成1000條指令的掃描，現(xiàn)場的實時控制要求完全可以通過該控制單元完成。并且DP網(wǎng)絡(luò)可以利用其結(jié)構(gòu)中的DP接口作為主站，具有較大的傳輸速率。此外RAM可達(dá)64KB，還提供128個模擬量IO以及IO通道1024個。

在控制系統(tǒng)中粒度儀是用來檢測粒度的重要設(shè)備，其性能的好壞直接會對磨礦控制效果造成影響。本系統(tǒng)的粒度儀選用芬蘭選用芬蘭Outokumpumintecoy公司的生產(chǎn)的PSI200粒度分析設(shè)備，能夠直接應(yīng)用在磨礦環(huán)境。控制粒度儀主要通過對取樣閥、泵以及回流閥、攪拌機(jī)以及礦液池液位進(jìn)行控制完成粒度的控制，并且由于其控制單元較少，因此中央控制器選用了CPU314降低了成本。

2.2 PLC軟件設(shè)計和功能概述

啟動和停止球磨機(jī)是一個較為復(fù)雜的過程，在啟停前需要操作柜以及控制柜的開關(guān)操作必須到位，且控制系統(tǒng)的輔助設(shè)備達(dá)到球磨機(jī)啟動和停止的要求狀態(tài)，保證設(shè)備的相關(guān)啟停動作按相關(guān)操作順序完成。由于PLC的邏輯控制相對比傳統(tǒng)的人工操作失誤率更小，使得系統(tǒng)更加可靠。

模塊化變成是PLC的主要特色，通過對功能模塊、數(shù)字模塊以及組織模塊的調(diào)用，控制算法才得以實現(xiàn)，且PLC呈現(xiàn)出的程序結(jié)構(gòu)較為簡單。在進(jìn)行軟件的設(shè)計前，需要在相關(guān)軟件中對硬件進(jìn)行組態(tài)。PLC的STEP7對硬件的組態(tài)便是對實際的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模擬的過程，通過該軟件將電源、CPU、信號設(shè)備對應(yīng)安裝到機(jī)架上，對硬件參數(shù)予以修改和設(shè)置。并通過該軟件對未用模擬量的輸入通道予以屏蔽，以此降低了掃描所用的時間，并將未用通道在硬件上進(jìn)行短路，以提高系統(tǒng)實施處理性能。

2.2.1 抗干擾

在進(jìn)行AD至DA的轉(zhuǎn)換中，PLC系統(tǒng)對數(shù)值的讀入為模擬值的讀入，例如電壓信號的讀入、電流信號的讀入等，系統(tǒng)的模擬模塊會直接將讀入數(shù)值自動的轉(zhuǎn)化成無量綱數(shù)值。并且為方便上位機(jī)顯示以及PLC編程，應(yīng)當(dāng)將這些無量綱數(shù)值再次進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變成有量綱數(shù)值。同理，若模擬量需要輸入，那么需要對輸出值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成可以輸出的無量綱數(shù)值。在PLC系統(tǒng)的STEP7中，可以通過對FC106UNSCALE以及FC105SCALE兩個模塊的模擬量量程、反量程轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，使得數(shù)據(jù)能夠滿足控制算法的標(biāo)準(zhǔn)。

在磨礦的過程中，會產(chǎn)生很多干擾信號，并且模擬信號的輸入中就會摻雜有干擾信號，因此需要對干擾信號進(jìn)行濾波。例如對磨機(jī)運(yùn)行狀況的檢測是通過電耳完成的，但環(huán)境中過高的噪聲會在檢測結(jié)果中摻有干擾信息，因此若想獲得可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，需要在硬件中加入濾波設(shè)施進(jìn)行濾波。除此以外，在軟件上的數(shù)字濾波也是處理干擾信號的有效方式。STEP7軟件中具有LEADLAG功能模塊，該模塊能夠調(diào)整輸出同輸入之間的時間差，因此可以看做帶通濾波器的一種。

2.2.2 工藝參數(shù)的傳送

制定數(shù)據(jù)塊DB，作為接受上位機(jī)的信息存儲區(qū)。在控制過程中，當(dāng)PLC接受上位機(jī)傳來的工藝參數(shù)后，須將其內(nèi)容傳送至指定數(shù)據(jù)區(qū)。西門子PLC的STEP7軟件提供了SFC20BLKMOV功能塊，可完成將源區(qū)域的數(shù)據(jù)傳送至目標(biāo)區(qū)域，但在實際應(yīng)用中，須注意兩區(qū)域不能有相互重疊的部分，且一般要保證兩區(qū)域的大小相同，數(shù)據(jù)類型一致，否則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳送出錯。

2.2.3 速率保護(hù)

在磨機(jī)控制系統(tǒng)中，對一些重要參數(shù)必須時刻監(jiān)控，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。除了設(shè)定監(jiān)測參數(shù)變化是否超出范圍，還需通過其變化率來判斷設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)及趨勢。例如給礦量的變化，磨機(jī)大瓦溫度，工作電流、粒度變化等。因此，設(shè)計了變化速率保護(hù)功能模塊FC，PLC每一個控制循環(huán)都對這些重要參數(shù)模擬量進(jìn)行監(jiān)測，并判斷是否超出系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的范圍。若參數(shù)變化率超出設(shè)定范圍，則系統(tǒng)報警并啟動相應(yīng)的故障處理機(jī)制。

3 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

以一個系列為例，PLC控制系統(tǒng)由SIMATICS7-300為主站，ET200M遠(yuǎn)程IO為從站，并配以PROFIBUS網(wǎng)線組成。PLCS7-300主站的CPU上DP口可直接與遠(yuǎn)程IO從站ET200M上的通訊模塊IM153通過PROFIBUS網(wǎng)線相連，傳輸協(xié)議為PROFIBUS協(xié)議。PLC通過PROFIBUS總線同分散的設(shè)備交換數(shù)據(jù)，其過程是周期性的。上位機(jī)PC通過通訊卡與PLC通訊，采用密碼通信與校驗，避免信號干擾。控制過程和網(wǎng)絡(luò)通訊中，PLC程序周而復(fù)始循環(huán)執(zhí)行，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通訊程序?qū)LC程序中指定的變量或參數(shù)，經(jīng)DP網(wǎng)絡(luò)傳送至多個站點(diǎn)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。該方式中，數(shù)據(jù)的傳送與接收簡化為對PLC變量V區(qū)內(nèi)的IO數(shù)據(jù)映射區(qū)的讀寫操作，編程簡潔。此外，通過交換機(jī)Switch還可與車間主任、車間調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，從而使管理層及時了解底層的生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行情況，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的管控一體化。

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)在我國的寶鋼集團(tuán)得到了成功應(yīng)用，通過其實際的應(yīng)用效果看，其令集團(tuán)的經(jīng)濟(jì)效益得以提高，因此在生產(chǎn)中具有相當(dāng)高的推廣價值。

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作者簡介：郭天舒（1985，2-），男，現(xiàn)任北方重工集團(tuán)電控液壓設(shè)備分公司，助理工程師。

張寶秋（1963，8-），男，現(xiàn)在北方重工集團(tuán)電控液壓設(shè)備分公司，工程師。