礦漿均密攪拌控制方法研究

高沖， 姜磊， 馬學(xué)毅， 張興華， 王世杰

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110870；2.北方重工集團(tuán) 礦山機(jī)械分公司，沈陽 110870）

0 引 言

礦漿攪拌裝置是礦漿攪拌成套設(shè)備中的重要組成部分，在礦業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在醫(yī)藥、化工、材料合成行業(yè)的生產(chǎn)線中也十分常見［1］。為保證礦漿攪拌效果，現(xiàn)多采用攪拌裝置配置高功率的電動(dòng)機(jī)的方法，但礦漿的高濃度、高黏度、高密度等特殊屬性，使得攪拌裝置雖然盡可能地減少沉槽的發(fā)生，但是不可避免地增大了功耗，降低了生產(chǎn)效率［2］。除此之外液位增加時(shí),主軸自然壓力隨著減小，但相應(yīng)增加了提升礦漿所耗的電能以及減小了攪拌器的有效容積,這也不利于礦漿攪拌裝置工作。針對(duì)上述問題開發(fā)了一種基于PLC的礦漿勻密攪拌控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通過檢測(cè)攪拌礦漿濃度，調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)攪拌強(qiáng)度、保證排料濃度的目的。

1 礦漿攪拌裝置的設(shè)計(jì)原理

礦漿攪拌裝置工作的最終目的在于提高礦漿的攪拌效果。大型金屬礦漿攪拌裝置的攪拌目的是將固、液兩相物系非均相分散，使其處于懸浮狀態(tài)［3］。此類攪拌裝置的攪拌效果可以由濃度的高低來表示。在物料添加量相同時(shí)，顆粒的軸向濃度隨著攪拌裝置的轉(zhuǎn)速的升高而提高［4-5］。這是攪拌裝置的電機(jī)輸出高轉(zhuǎn)速，為設(shè)備提供較高的攪拌動(dòng)力，混合物料在高攪拌動(dòng)力的作用下，能夠攪拌得更加充分均勻，使物料在槽底堆積量降低。當(dāng)?shù)V漿濃度低時(shí)就表明需要提高礦漿攪拌強(qiáng)度。本裝置就是根據(jù)此原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

具體應(yīng)用中，根據(jù)DF-6420超聲波濃度計(jì)的工作原理是當(dāng)超聲波在礦漿類懸浮液中傳播時(shí)，根據(jù)礦漿中固體量的多少及粒子大小與其振幅變化的關(guān)系，測(cè)量超聲衰減量得到相應(yīng)濃度值。根據(jù)聲學(xué)原理，平面超聲波在礦漿中傳播時(shí)，其電壓E的變化可用下式表示：

式中：Er為發(fā)射電壓；α為衰減系數(shù)；L為傳播距離。

懸浮粒子引起的衰減率可由下式求得：

由浸入式傳感器接受到的聲波幅度將伴隨礦漿濃度的增加而衰減，因此聲波幅度對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換后的電壓值也隨礦漿濃度的增加而衰減，將濃度-電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后，即可從測(cè)量電壓得到濃度值。因此，濃度輸入信號(hào)通過PID算法控制，根據(jù)濃度與電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系，通過指令調(diào)節(jié)輸出的模擬量信號(hào)給變頻器，從而控制電機(jī)。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

在攪拌裝置側(cè)壁安裝有液位開關(guān)，上液位開關(guān)ST1、中液位開關(guān)ST2、下液位開關(guān)ST3；KM2、KM3分別為進(jìn)料電磁閥和出料電磁閥。

1）在初始狀態(tài)下，容器為空，向容器內(nèi)添加礦漿，此時(shí)啟動(dòng)攪拌裝置可以由人工當(dāng)按下開關(guān)SB1，KM線圈得電，變頻器和電機(jī)接入三相交流電源，攪拌裝置啟動(dòng)；也可以直接向裝置內(nèi)加入礦漿，當(dāng)液面到達(dá)下液位開關(guān)時(shí)，下液位開關(guān)動(dòng)作，攪拌裝置啟動(dòng)。

2）當(dāng)?shù)V漿液面高于出料口高度，則上液位開關(guān)動(dòng)作，此時(shí)進(jìn)料電磁閥閉合，以降低液面。當(dāng)液位降低到中液位開關(guān)以下，進(jìn)料電磁閥恢復(fù)到原有的通路狀態(tài)。

3）超聲波濃度測(cè)量排出礦漿濃度，通過PID控制，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與排料濃度的擬合曲線所得的數(shù)量關(guān)系，相應(yīng)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證排出礦漿達(dá)到要求范圍。

4）當(dāng)變頻器故障時(shí)，開關(guān)動(dòng)作，KM線圈失電，指示燈顯示變頻器發(fā)生故障，變頻器與三相交流電源中串聯(lián)的KM開關(guān)斷開，變頻器失電，起到安全保護(hù)的作用。

圖1 礦漿勻密攪拌控制裝置系統(tǒng)硬件接線圖

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

按照控制要求，以西門子S7-300系列PLC為例，設(shè)計(jì)的PLC與變頻器組成的控制系統(tǒng)硬件接線圖如圖1所示，I/O分配表如表1所示。系統(tǒng)主要由以下3個(gè)功能模塊組成：1）控制模塊。S7-300系列產(chǎn)品具有高性能的中央處理器，其各種性能的模塊可以很好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)化控制任務(wù)。簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和通用的網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活，當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可以自由擴(kuò)展［6］。2）檢測(cè)模塊。濃度采用超聲波濃度測(cè)量計(jì)采集礦漿攪拌裝置內(nèi)的模擬量信號(hào)，速度傳感器檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際輸出電壓信號(hào)，不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至要求范圍內(nèi)。3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包括變頻器、電機(jī)、電磁閥等。整個(gè)工段的控制系統(tǒng)主要完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、濾波；采集的模擬量信號(hào)通過控制回路中PID（比例、積分、微分）參數(shù)的設(shè)置及控制以及其與速度的數(shù)量關(guān)系的設(shè)定計(jì)算；液位控制閥等功能。

表1 系統(tǒng)輸入/輸出信號(hào)地址分配表

圖2 控制系統(tǒng)工作原理圖

3 控制算法和軟件設(shè)計(jì)

該裝置涉及多種控制，下面將著重講述濃度控制部分。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)礦漿濃度使用閉環(huán)PID控制，PID是典型的閉環(huán)控制算法，是連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用最成熟、最廣泛的調(diào)節(jié)方式［7］。本裝置是通過電機(jī)轉(zhuǎn)速與礦漿濃度的關(guān)系（用W表示），在每次PID循環(huán)中相應(yīng)地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于控制器輸出的控制信號(hào)是用于完成礦漿攪拌裝置的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，即其輸出值與轉(zhuǎn)速的大小一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，故采用位置式PID算法。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

其中PID控制器的原理表達(dá)式為

式中：t為時(shí)間；u（t）為 PID 算法的輸出；e（t）為系統(tǒng)設(shè)定值與過程檢測(cè)值的偏差；Kp為放大系數(shù) （增益或放大倍數(shù)）；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

PLC控制程序的PID算法采用的其內(nèi)部自帶的指令功能塊來執(zhí)行，PID回路的編號(hào)、給定值范圍、比例增益、采樣時(shí)間以及積分時(shí)間，對(duì)濃度進(jìn)行PI運(yùn)算。按照設(shè)定的采樣周期來執(zhí)行PID功能塊。

圖3為控制系統(tǒng)工作原理圖。當(dāng)向?qū)?shù)設(shè)置后，自動(dòng)生成第X號(hào)回路的初始化子程序、中端程序、符號(hào)表和數(shù)據(jù)塊。圖4為PID初始化指令，完成對(duì)PI運(yùn)算的采樣時(shí)間、比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間等的初始化。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

圖4 PID初始化指令

4結(jié) 論

礦漿均密攪拌裝置系統(tǒng)，將濃度和轉(zhuǎn)速模擬量檢測(cè)信息及液位開關(guān)數(shù)字量信息傳送至PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算及控制，達(dá)到了根據(jù)工況需求調(diào)節(jié)攪拌強(qiáng)度、安全控制液位、保證排料質(zhì)量的目的。該系統(tǒng)是在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用方便、結(jié)構(gòu)簡單，符合節(jié)能理念，并為攪拌裝置提供適當(dāng)?shù)臄嚢杩臻g，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦漿濃度的自動(dòng)控制。

［1］ Alvarez M M， Zalc J M，Shinbrot T，et a1．Mechanisms of mixing and creation of structure in laminar stirred tanks ［J］．AIChE Journal，2002，48（10）：2135-2148.

［2］ 楊建橋，黃德鏞.礦用充填料攪拌機(jī)研究進(jìn)展［J］.中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2011（5）：61-63.

［3］ 陳志平，章序文，林興華.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：3-5.

［4］ 楊峰苓，周慎杰，張翠勛，等.無擋板攪拌槽的固液懸浮特性［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：185-190.

［5］ 王淑嬋，張延安，張超，等.種分槽改進(jìn)Intermig槳攪拌性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2011（2）：204-208.

［6］ 廖常初.PLC編程及應(yīng)用 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：122-123.

［7］ 馬明，陳海峰.基于PLC的真空擠磚機(jī)進(jìn)料濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（1）：36-37.