圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

甘桂裕　張美義

摘要：為提高圓錐破碎機(jī)效率，提高產(chǎn)能，解決破碎能力不足的問題，同時(shí)提高企業(yè)自動(dòng)化和信息化水平。廣西冶金研究院有限公司研制了一套圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以西門子S7-200 smart PLC為控制核心，采用WINCC作為上位機(jī)組態(tài)軟件，具有數(shù)據(jù)采集、過程自動(dòng)控制，設(shè)備參數(shù)顯示，運(yùn)行記錄曲線，報(bào)警記錄等功能。

關(guān)鍵詞：圓錐破碎機(jī) 智能化 S7-200SMART WINCC 恒功率自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0014-01

1 引言

隨著礦山不斷開采，礦資源日益枯竭，礦石品位日趨下降，圓錐破碎機(jī)作為中細(xì)碎作業(yè)的主要設(shè)備，其效率的高低在整個(gè)破碎、篩分工藝流程中占有舉足輕重的地位，甚至影響選廠的產(chǎn)能。

現(xiàn)在的圓錐破碎機(jī)控制系統(tǒng)一般是采用人工操作的方式。人工操作只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過人工調(diào)節(jié)給礦量。該操作方式不能滿足“擠滿式”給礦，在破碎腔低料位狀態(tài)下，破碎機(jī)經(jīng)常處于低負(fù)荷運(yùn)行模式，破碎效果差，循環(huán)負(fù)荷大，效率低；有時(shí)候又出現(xiàn)堵料事件，堵料影響生產(chǎn)，破碎機(jī)出現(xiàn)過載，設(shè)備易損壞。

為了提高圓錐破碎機(jī)的工作效率，降低破碎機(jī)能耗，解決破碎能力不足，解決制約選廠產(chǎn)能的瓶頸的問題，廣西冶金研究院有限公司專門研制了一套圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圓錐破碎機(jī)最佳工作狀態(tài)是：破碎腔“擠滿式”給礦狀態(tài)；破碎機(jī)工作負(fù)載處于額定負(fù)荷的百分之八十到百分之一百之間。通過設(shè)計(jì)一套料位“PID”自適應(yīng)控制裝置以及電流“PID”自適應(yīng)控制裝置，料位、電流“PID”自適應(yīng)控制協(xié)調(diào)控制程序，即可實(shí)現(xiàn)圓錐破碎機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。PID控制算法如下：

2.1 模擬PID控制系統(tǒng)組成（見圖1）

2.2 模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

（1）PID調(diào)節(jié)器的微分方程。

（2）PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)。

2.3 PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用

（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

（3）微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)是以西門子S7-200 smart PLC為控制核心，采用WINCC作為上位機(jī)組態(tài)軟件。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)和手動(dòng)兩種相對(duì)獨(dú)立、互為備用的控制方法，可通過切換開關(guān)無憂切換控制模式。不管在那種控制模式下，都必須要求PLC控制系統(tǒng)能采集各開關(guān)量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、主軸電動(dòng)機(jī)電流、破碎腔料位、振動(dòng)給料機(jī)運(yùn)行頻率等參數(shù)。并且在上位機(jī)WINCC組態(tài)軟件上實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、主軸電機(jī)電流、破碎機(jī)料位等數(shù)據(jù)、模擬量記錄曲線、故障報(bào)警信息，控制參數(shù)設(shè)置等功能。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)的硬件以西門子S7-200 smart PLC為核心控制器、WINCC為人機(jī)界面，采用雷達(dá)料位計(jì)測(cè)量破碎腔料位、電流變送器檢測(cè)主電機(jī)電流。PLC根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序計(jì)算，輸出控制信號(hào)給變頻器，變頻器通過改變輸出頻率調(diào)整給礦電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到主電機(jī)恒功率不變，并且主電機(jī)處于接近滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)功能要求，本控制系統(tǒng)中共有20點(diǎn)數(shù)字量輸入（DI）和12點(diǎn)數(shù)字量輸出（DO），10點(diǎn)模擬量輸入（AI）和5點(diǎn)模擬量輸出（AO）。

人機(jī)界面采用西門子WINCC組態(tài)軟件，操作工人通過電腦屏幕上的組態(tài)畫面，可以了解整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。畫面十分友好，并且可隨時(shí)查看模擬量記錄曲線，報(bào)警信息等。

該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。系統(tǒng)方便擴(kuò)展，其他系統(tǒng)只需一根網(wǎng)線就可以接入本系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)礦山全自動(dòng)化架設(shè)好網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高礦山數(shù)字化水平，并且為企業(yè)信息化打下基礎(chǔ)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面：使用WINCC組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)的控制畫面編程；使用PLC編程軟件編制控制程序。PLC控制程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其中本系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)圓錐破碎機(jī)恒功率自動(dòng)控制以及料位自動(dòng)控制。其控制原理圖如圖2所示。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)研制的圓錐破碎機(jī)智能化控制系統(tǒng)。具有操作界面優(yōu)美，簡單明了的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度以及克服了人工操作的缺點(diǎn)，有效地提高了圓錐破碎機(jī)產(chǎn)能，降低圓錐破碎機(jī)能耗，避免了圓錐破碎機(jī)堵料的問題，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。實(shí)踐表面，該系統(tǒng)具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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