基于PLC的磨礦分級自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：針對磨礦分級過程人工操作勞動強度大，分級精度較低等特點，文章設(shè)計了基于S7-200PLC的磨礦分級自動控制系統(tǒng)，主要包括控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并設(shè)計了上位機監(jiān)控界面，實現(xiàn)磨礦分級的自動控制和遠(yuǎn)程控制。實際運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了管控一體化，提高了磨礦分級的產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：磨礦分級；PLC；PID

中圖分類號：TD453 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0018-02

磨礦分級過程是將礦石經(jīng)過磨礦處理成細(xì)粒度級的顆粒，是選礦廠最重要的生產(chǎn)過程之一，影響選礦生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高磨礦效率、節(jié)能降耗、提高有用礦物的精礦品位和提高選礦廠的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)磨礦分級的自動控制具有十分重要的意義。本文以西門子S7-200PLC為控制核心，設(shè)計了一套基于PLC的磨礦分級自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了漿池液位和供漿旋流器壓力自動控制，并通過上位機監(jiān)控界面實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 磨礦分級控制系統(tǒng)

1.1 磨礦分級的工藝流程

系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。系統(tǒng)由球磨機系統(tǒng)、旋流器及漿池供漿控制系統(tǒng)組成。漿池供漿控制系統(tǒng)實現(xiàn)漿池液位的恒定及供漿旋流器壓力恒定的功能。

1.2 PID控制實現(xiàn)

PLC的PID控制器的設(shè)計是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化寫成離散形式的PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計。

連續(xù)PID閉環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，圖中Sp（t）是給定值，Pv（t）是反饋量，C（t）是系統(tǒng)輸出量，連續(xù)的PID控制的輸入輸出關(guān)系為：

M（t）=KP[e（t）+■■e（t）dt+■de（t）/dt]+M0（1）

式（1）中，M（t）為控制器的輸出量，M0為輸出的初始值，e（t）=sp（t）-pv（t）為誤差信號，KP為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

假設(shè)采樣周期為Ts，系統(tǒng)用矩形積分近似精確積分，用差分近似精確微分，將（1）離散化，得到離散的PID控制的輸入輸出關(guān)系為

Mn=KP en+（t）+Ki■ej+Kd（en-en-1）+M0（2）

式（2）中，en-1為n-1次采樣時的誤差值，KP為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示，其中Spn、Pvn、En、Mn分別為模擬量在Sp（t）、Pv（t）、E（t）、M（t）在第n次采樣時的數(shù)字量。

1.3 液位及壓力控制

在實際系統(tǒng)中，泵池液位過低，容易出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，嚴(yán)重影響旋流器的正常工作，抽空時旋流器入流全部從沉砂口出，起不到分級效果。泵池液位過高，容易出現(xiàn)溢出，因此，泵池液位必須控制在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，泵池液位通過超聲波液位計檢測，并通過跟蹤控制泵流量實現(xiàn)漿池液位的控制。其控制回路如圖4所示。

旋流器壓力通過變頻器調(diào)節(jié)渣漿泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制。如果旋流器實際壓力大于給定壓力，PLC控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速減小，即可控制旋流器壓力。其壓力控制回路如圖5所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由現(xiàn)場設(shè)備（包括檢測設(shè)備與執(zhí)行設(shè)備）、主控設(shè)備（S7-200）及上位機三部分構(gòu)成。

檢測設(shè)備主要包括各種傳感器、變頻器、比例調(diào)節(jié)閥等，傳感器將現(xiàn)場的非電學(xué)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量信號，變換為標(biāo)準(zhǔn)信號傳送到PLC，執(zhí)行設(shè)備接收PLC送來的控制信號，控制變頻器、電磁閥等進(jìn)行相應(yīng)的動作，完成控制功能。

檢測的開關(guān)量信號主要包括變頻器運行信號、自動/手動等信號；輸出的開關(guān)量信號主要為現(xiàn)場指示燈信號，變頻器控制信號等；檢測的模擬量信號主要包括液位計、壓力計、變頻器等送來的模擬量信號；模擬量信號的輸出主要包括變頻器頻率等信號。

系統(tǒng)的模擬量輸入包括旋流器壓力、漿池液位、比例調(diào)節(jié)閥開度、變頻器電流及頻率共5個量?？紤]監(jiān)測點的預(yù)留量，選擇2塊4通道的EM231模擬輸入模塊。模擬量輸出包括變頻器給定頻率、比例調(diào)節(jié)閥給定開度2個量，選擇一塊2通道的EM232模擬量輸出模塊，見表1。

系統(tǒng)數(shù)字量輸入包括手動/自動、變頻器運行信號、變頻器故障信號燈等6個運行反饋信號，數(shù)字量輸出包括系統(tǒng)運行、系統(tǒng)停機、系統(tǒng)報警等4個控制顯示信號，CPU224模塊自帶數(shù)字量模塊。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PLC控制程序和上位機監(jiān)控界面兩部分。

3.1 PLC控制程序設(shè)計

PLC控制程序的設(shè)計在Step7編程軟件環(huán)境下完成，主要包括硬件配置及參數(shù)設(shè)置、通信定義和用戶控制程序的編寫等。本系統(tǒng)的控制程序主要由主程序和供漿旋流器壓力控制、泵池液位控制等構(gòu)成，系統(tǒng)主體流程圖如圖6所示。

液位控制與壓力控制采用西門子自帶的PID指令功能塊實現(xiàn)，可以使用PID調(diào)節(jié)控制面板來對PID參數(shù)進(jìn)行整定，調(diào)節(jié)控制面板如圖7所示?？梢愿鶕?jù)工藝的要求對PID的比例、積分、微分值進(jìn)行設(shè)定，圖中可顯示過程值、設(shè)定值及輸出值的PID趨勢圖。

3.2 上位機監(jiān)控界面

上位主機采用Windows XP操作系統(tǒng)，設(shè)計了主界面、磨礦監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)查詢界面、趨勢界面、報警界面等。實現(xiàn)了磨礦分級過程中各個設(shè)備的啟停控制，參數(shù)設(shè)定，數(shù)據(jù)生成，設(shè)備狀態(tài)顯示及報警顯示，生成報表及打印等功能。通過設(shè)定安全機制，防止無權(quán)限人員隨意修改數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)運行的安全可靠。上位機監(jiān)控主界面如圖8所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)針對磨礦分級生產(chǎn)的工藝和控制要求，利用PLC在工業(yè)控制應(yīng)用中的可靠性，上位機監(jiān)控界面的實用性、易于遠(yuǎn)程控制及系統(tǒng)擴(kuò)展的靈活性，設(shè)計了基于西門子S7-200PLC的磨礦分級自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了磨礦分級生產(chǎn)的自動化。運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實時準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)操作參數(shù)，進(jìn)而提高磨礦分級的工效和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了故障率和能耗，節(jié)約了大量的人力資源，減輕了勞動強度，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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