基于PLC的XFD型煤用浮選機(jī)自動化改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘 要：傳統(tǒng)的XFD型浮選機(jī)在進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)時，采用手動方法對其進(jìn)行操作，導(dǎo)致浮選實(shí)驗(yàn)工作量大，重復(fù)率高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確等。為了克服上述缺點(diǎn)，設(shè)想對XFD型浮選機(jī)的相關(guān)硬件進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)想設(shè)計(jì)一種以PLC為控制主機(jī)，以自動微量進(jìn)樣器、電磁閥、變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以觸摸屏和PLC通過外部總線通訊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入與輸出。簡要闡述了該自動化系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并繪制了PLC順序功能圖。

關(guān)鍵詞：浮選機(jī)；自動化；PLC；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

1 實(shí)驗(yàn)室煤用浮選機(jī)的應(yīng)用背景

為了降低煤炭的灰分，提高資源利用效率及經(jīng)濟(jì)效益，減少污染物的排放，對煤炭進(jìn)行洗選及深加工是必不可少的過程[1]。在煤炭洗選過程中，針對細(xì)粒煤泥采用浮選工藝以達(dá)到煤泥降灰回收的目的。隨著采煤機(jī)械化程度的提高，原煤中煤泥量也隨之增加，需要進(jìn)入浮選的煤泥量可占原煤總量的10%-30%[2]，因此，在選煤工藝中煤炭浮選對提高經(jīng)濟(jì)效益和資源利用起到了重要的作用，而浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果對選煤工藝的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。目前，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)常用槽體容積為1.5L的XFD型單槽浮選機(jī)。在浮選實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時，浮選機(jī)通電，交流電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，攪拌礦漿并產(chǎn)生負(fù)壓吸入空氣，親氣疏水的煤顆粒與空氣形成的氣泡附著，隨其升至礦漿液面被刮板刮出并收集到指定容器內(nèi)，而親水的矸石留在礦漿中，待試驗(yàn)完畢后被傾倒至指定的容器內(nèi)。影響浮選效果的因素除煤泥自身性質(zhì)外，還包括：攪拌速度，充氣量，加藥量，加藥時間間隔，浮選時間，刮泡等。而在用傳統(tǒng)XFD型浮選機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，上述對浮選實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響的因素需要人工控制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。并且浮選實(shí)驗(yàn)工作量大重復(fù)率高，增加了實(shí)驗(yàn)人員的勞動強(qiáng)度。因此設(shè)想設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制上述過程的浮選機(jī)，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)效率，減少實(shí)驗(yàn)誤差的目的。

2 傳統(tǒng)XFD型浮選機(jī)的改進(jìn)

浮選機(jī)的攪拌速度會影響浮選效果。XFD型浮選機(jī)是利用葉輪在礦漿中攪拌，形成負(fù)壓從外部吸入空氣產(chǎn)生氣泡的。適當(dāng)速度的攪拌可以使藥劑快速分散并與煤泥作用，同時可以細(xì)化氣泡，提高浮選效率。但是強(qiáng)度過大的機(jī)械攪拌產(chǎn)生的紊流會使已經(jīng)附著在氣泡上的煤泥脫落，同時會導(dǎo)致煤泥的進(jìn)一步泥化，從而使浮選效果變差。傳統(tǒng)的XFD型浮選機(jī)是根據(jù)皮帶所連接的皮帶輪的直徑不同而調(diào)整轉(zhuǎn)子在浮選槽中的攪拌速度，皮帶輪只有三種直徑可供選擇，如果要通過實(shí)驗(yàn)確定浮選攪拌強(qiáng)度，在一些情況下很難滿足實(shí)驗(yàn)要求，王世玉[3]等采用交流電動機(jī)無級變頻調(diào)速，可以使電動機(jī)轉(zhuǎn)速在500-2800r/min中隨意變換，克服了上述缺點(diǎn)，而且簡化了浮選機(jī)調(diào)速操作。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與交流電的頻率成正比，與電動機(jī)極對數(shù)成反比，當(dāng)頻率在0-50Hz范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[4]。在實(shí)際操作中極對數(shù)無法改變，因此可以采用變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的脈沖信號來改變交流電的頻率從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

實(shí)驗(yàn)室浮選操作步驟依次是：調(diào)漿、加捕收劑、加起泡劑、充氣，刮泡。進(jìn)行上述的每一個步驟都要相隔一定的時間間隔，傳統(tǒng)做法是用秒表計(jì)時。而浮選時所需的捕收劑和起泡劑是通過微量進(jìn)樣器計(jì)量后手動完成進(jìn)樣的。如果想要浮選機(jī)自動完成上述過程，可以采用PLC自帶的內(nèi)部時鐘進(jìn)行計(jì)時，捕收劑和起泡劑可以根據(jù)PLC預(yù)先編寫好的程序在相應(yīng)的時刻進(jìn)樣。進(jìn)樣操作采用特殊的自動進(jìn)樣器來完成，它主要由注射器，絲桿，螺母，步進(jìn)電機(jī)組成，絲桿的一端連接針管活塞，另一端連接步進(jìn)電機(jī)，而步進(jìn)電機(jī)根據(jù)PLC發(fā)出的脈沖信號產(chǎn)生動作，加藥量與絲桿前進(jìn)的距離和螺紋寬度有關(guān)。XFD型浮選機(jī)的充氣量是通過人工手動開合進(jìn)氣閥門來控制進(jìn)氣量，這種操作不僅需要人工計(jì)時，而且隨意性強(qiáng)，不能很好的控制充氣量。采用PLC通過模擬量輸出控制電磁閥的開合大小可以克服上述問題。在這里需要考慮PLC輸出的參數(shù)與電磁閥輸入的參數(shù)是否匹配，如果匹配，PLC可以直接對其進(jìn)行控制，否則需要中間繼電器間接進(jìn)行控制[5]。采用電磁閥控制浮選實(shí)驗(yàn)的充氣量可以避免人工操作所造成的誤差，但是由于在浮選過程中對充氣量精度要求不是很高，不需要負(fù)反饋，采用開路控制方式即可。本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)切換到手動浮選操作，因此需要選擇可以手動開合的電磁閥。

在浮選試驗(yàn)中，刮泡是非常重要的步驟。當(dāng)煤泥附著在氣泡上被帶至液面，需要進(jìn)行刮泡操作使其與其它親水性礦物雜質(zhì)分離。傳統(tǒng)XFD型浮選機(jī)采用伺服電機(jī)帶動活動刮板做圓周運(yùn)動進(jìn)行刮泡。但是刮泡效果不好，因此需要人工進(jìn)行刮泡，可以通過曲柄擺桿機(jī)械原理[3]，使刮板做水平運(yùn)動，達(dá)到良好的刮泡效果。在刮泡的過程中需要不斷的補(bǔ)加清水以實(shí)現(xiàn)浮選槽中礦漿液面高度保持穩(wěn)定，可以采用液位計(jì)來檢測礦漿液位，PLC根據(jù)采集到的礦漿液位來調(diào)整微型泵的開合實(shí)現(xiàn)補(bǔ)加清水的過程。

3 自動浮選機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

本浮選機(jī)自動化系統(tǒng)包括控制單元、執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)采集單元?？刂茊卧钦麄€系統(tǒng)的中心，它根據(jù)外部輸入的浮選時間、加藥量、加藥時間間隔、充氣閥門開度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)發(fā)出信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收信號進(jìn)行相應(yīng)的動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

控制主機(jī)采用帶有內(nèi)部時鐘功能的PLC可編程控制器，觸摸屏可以與PLC通過外部總線連接實(shí)現(xiàn)通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的相互溝通[6]。觸摸屏主要由觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩部分組成，當(dāng)手指接觸到觸摸屏?xí)r，觸摸屏控制器檢測到手指所觸摸的坐標(biāo)，然后通過外部總線傳輸?shù)絇LC的CPU中。PLC采集觸摸屏的輸入信號，將攪拌速度，加藥時間間隔，浮選時間等相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)寄存器中，PLC的CPU讀取數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析后發(fā)出指令，輸出模擬信號（0-10V電壓信號或4-20mA電流信號）控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體動作，完成浮選實(shí)驗(yàn)。觸摸屏代替了傳統(tǒng)的操作臺和顯示器，能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)器的相互對話，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示等。并且觸摸屏的用戶界面可以用任意畫圖軟件進(jìn)行繪制，對操作人員來說直觀易學(xué)，可以減小出錯幾率。

執(zhí)行系統(tǒng)是根據(jù)PLC發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)動作的相關(guān)部件，包括控制充氣量的電磁閥（可以手動開關(guān)），控制加藥量的自動微量進(jìn)樣器，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器等。PLC與變頻器I/O端子實(shí)現(xiàn)連接，PLC控制系統(tǒng)主要是通過采集、分析、綜合來自變頻器的全部信息再對變頻器做出相應(yīng)指令[7]。

4 自動浮選機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要由中央處理器、存儲器、I/O接口、電源四部分組成，還包括一些功能模塊。它可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。PLC中的程序包括系統(tǒng)程序和用戶程序，系統(tǒng)程序是PLC自帶的保證其正常工作的程序，應(yīng)用程序時根據(jù)用戶要求而編寫的程序，用于實(shí)際控制設(shè)備的正常運(yùn)行。PLC具有順序控制功能，可以使浮選機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同時刻順序動作[8]。PLC可編程控制器常用的編程方法有梯形圖編程和語句表編程2種，這兩種編程方法均體現(xiàn)了采用繼電器控制的思想[9]，它用內(nèi)部“軟原件”取代了邏輯控制電路中大量的繼電器，簡化了線路，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。PLC是按照集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的，其基本掃描過程包括“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”、“輸出刷新”三個步驟[10]。PLC編程時，首先需要對I/O地址進(jìn)行分配，本自動控制系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)地址分配見表1。PLC順序功能圖見圖2。

本系統(tǒng)一共可以實(shí)現(xiàn)兩種工作方式：自動浮選過程和手動浮選過程。由順序功能圖可見，需要進(jìn)行自動浮選時，可以按下按鈕X0，PLC根據(jù)編寫好的程序向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，完成一次浮選操作后自動停止。而要進(jìn)行手動浮選實(shí)驗(yàn)可以按下按鈕X1，只有攪拌電機(jī)通電工作，加藥和充氣操作與傳統(tǒng)浮選操作方法無異。如果在浮選過程中出現(xiàn)狀況要緊急停止，按鈕X4可以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的XFD型浮選機(jī)除機(jī)械攪拌過程外，充氣，加藥，刮泡等過程全部采用手動完成，而煤炭浮選實(shí)驗(yàn)工作量大，重復(fù)率高，為了達(dá)到使浮選實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確，更高效，減小操作人員的工作量的目的，對于傳統(tǒng)XFD型浮選機(jī)進(jìn)行自動化改進(jìn)是十分必要的。本自動化系統(tǒng)按照煤泥浮選實(shí)驗(yàn)的操作過程和影響煤泥浮選實(shí)驗(yàn)效果的因素來設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)的核心是帶有內(nèi)部時鐘的PLC可編程控制器，它按照時間順序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。PLC在對實(shí)驗(yàn)過程按照時間順序控制的同時，通過輸出模擬量信號實(shí)現(xiàn)對變頻器，充氣電磁閥開合等影響浮選實(shí)驗(yàn)的因素的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。PLC與觸摸屏進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，在浮選實(shí)驗(yàn)之前通過人工在觸摸屏輸入?yún)?shù)，PLC根據(jù)觸摸屏信號控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)來自動控制整個浮選過程。

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作者簡介：田景文（1991-），女，西安市人，在讀碩士研究生，主要從事浮選過程控制和助濾劑應(yīng)用的研究。

周磊（1989-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，主要從事礦物加工理論與過程控制的研究。