SLon磁選機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：為了保證Slon磁選機(jī)具有良好的選礦性能，必須設(shè)計(jì)出可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)。文章以西門子S7-200型PLC為控制系統(tǒng)，應(yīng)用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)的控制，提高了磁選機(jī)的工作性能。

關(guān)鍵詞：Slon磁選機(jī)；自動(dòng)控制系統(tǒng)；研究設(shè)計(jì)

將Slon立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，有效解決了礦石中小直徑鈦鐵礦、弱磁性鐵礦和多種非金屬礦石選擇過(guò)程的技術(shù)難題，選礦性能的提高必須以先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)為依托。在礦產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)不斷提高的同時(shí)，磁選機(jī)逐漸成為生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，也對(duì)該設(shè)備提出了較高的控制要求，必須可靠接入企業(yè)的整體自動(dòng)控制系統(tǒng)。文章對(duì)Slon立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)的工作原理進(jìn)行了介紹，分析了設(shè)計(jì)要求，提出了自動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)中以西門子S7-200 PLC作為控制單元，應(yīng)用可靠的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)可控硅數(shù)字整流裝置的控制，整機(jī)的綜合性能得到提高。為了保證人機(jī)友好交流，在人機(jī)交流界面中選用TP170B觸摸屏，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的一體化。

1 Slon磁選機(jī)工作原理

從結(jié)構(gòu)上講，SLon立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)主要包括脈動(dòng)機(jī)構(gòu)、勵(lì)磁線圈、鐵軛、轉(zhuǎn)環(huán)和不同種類的礦斗、水斗等，在該系統(tǒng)中應(yīng)用導(dǎo)磁不銹鋼的圓棒作為重要的磁傳輸介質(zhì)。磁選機(jī)工作過(guò)程中，直流電通入勵(lì)磁線圈中，在分選區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)，在該區(qū)域內(nèi)的磁介質(zhì)表面將會(huì)出現(xiàn)非均勻的高梯度磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)環(huán)在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中不斷將磁介質(zhì)傳傳入和送出分選區(qū)，從給礦斗位置灌入礦漿，礦漿沿上鐵軛縫隙經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)環(huán)，磁介質(zhì)表面上回吸附一定量的礦漿中的磁性顆粒，磁性顆粒在轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中到達(dá)頂部無(wú)磁場(chǎng)區(qū)域，沖洗水將磁性顆粒充入精礦斗，而非磁性顆粒會(huì)在重力和脈動(dòng)流體力的共同作用下穿過(guò)磁介質(zhì)堆，經(jīng)過(guò)下鐵軛縫隙之后進(jìn)入到尾礦斗中排出。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

以SLon磁選機(jī)的工作原理為設(shè)計(jì)依據(jù)，以保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作為主要目的，現(xiàn)歸納總結(jié)出自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

第一，需要產(chǎn)生穩(wěn)定的直流勵(lì)磁電流。該部分需要借助三相半控整流電流變壓器和可控硅觸發(fā)單元。為了適應(yīng)眾多型號(hào)SLon磁選機(jī)的工作需求，在人機(jī)交流界面上設(shè)定出勵(lì)磁電流的大小，為了保證有穩(wěn)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，需要使設(shè)置的勵(lì)磁電流相對(duì)穩(wěn)定，因此可以應(yīng)用PID算法實(shí)現(xiàn)電流控制。第二，明確SLon磁選機(jī)的工作過(guò)程，提高系統(tǒng)的安全性，保證轉(zhuǎn)環(huán)的電機(jī)、勵(lì)磁單元和脈動(dòng)電機(jī)按照設(shè)計(jì)的順序啟動(dòng)和停止，采用可靠的互鎖方案。生產(chǎn)過(guò)程中，勵(lì)磁單元需要在通風(fēng)電機(jī)、脈動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)環(huán)電機(jī)都啟動(dòng)后再啟動(dòng)，避免出現(xiàn)勵(lì)磁單元啟動(dòng)無(wú)效的問(wèn)題。如果通風(fēng)電機(jī)、脈動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)環(huán)電機(jī)中有任何一個(gè)出現(xiàn)停止的問(wèn)題，勵(lì)磁單元必須無(wú)條件停止，同時(shí)發(fā)出警告。第三，系統(tǒng)需要對(duì)可控硅進(jìn)行可靠的保護(hù)。如果相關(guān)可控硅元件的工作溫度超過(guò)40℃，通風(fēng)電機(jī)將會(huì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，如果可控硅元件的工作溫度低于38℃，通風(fēng)電機(jī)將會(huì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)。第四，如果磁選機(jī)系統(tǒng)中出現(xiàn)缺相、超溫、欠壓、過(guò)流和短路的問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安全關(guān)閉，磁選機(jī)停止工作，發(fā)出故障警告。第五，為了保證磁選機(jī)系統(tǒng)與企業(yè)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)有良好的兼容性，借助于上位機(jī)通信相對(duì)應(yīng)的通信接口，提供數(shù)據(jù)交換區(qū)實(shí)現(xiàn)不同變量的存儲(chǔ)。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磁選機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件主要包括西門子S7-200PLC主機(jī)、模擬量輸入和輸出模塊、TP170B觸摸屏（實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流）、可控硅整流單元（其中包含三相半空整流電路和觸發(fā)器）、溫度變送器、電流變送器和電壓變送器等。該自動(dòng)控制系統(tǒng)中以S7-200PLC作為重要的控制部分，該控制系統(tǒng)中包含24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)和16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)，由于該控制部分沒(méi)有模擬量的輸入和輸出單元，因此在應(yīng)用過(guò)程中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。

人機(jī)交流部分選用TP170B彩色觸摸屏，便于操作人員在生產(chǎn)過(guò)程中完成對(duì)多項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，便于及時(shí)找出故障。借助PPI協(xié)議保證TP170B觸摸屏能夠與S7-200PLC主機(jī)之間可靠通信，通信單元選用RS485接口，應(yīng)用屏蔽式雙絞線實(shí)現(xiàn)PPI通信。為了實(shí)現(xiàn)交流電向直流電的轉(zhuǎn)換，需要應(yīng)用穩(wěn)定的可控硅整流電路，以磁選機(jī)需要應(yīng)用的勵(lì)磁電流值大小為依據(jù)設(shè)定整流后的直流電流，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)最大直流電流高大1600A。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)觸發(fā)器觸發(fā)角的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流值的改變[1]。

硬件系統(tǒng)中的溫度變送器、電流變送器和電壓變送器實(shí)現(xiàn)可控硅元件溫度、勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的參數(shù)值傳輸?shù)絇LC主機(jī)的模擬量輸入和輸出模塊中，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并及時(shí)將信號(hào)顯示在觸摸屏上。PLC程序處理數(shù)字信號(hào)好控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，保證可控硅元件始終工作在允許的溫度環(huán)境下，同時(shí)保證勵(lì)磁電流值始終穩(wěn)定在設(shè)定值。

應(yīng)用多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)的通信方式保證S7-200PLC與上位監(jiān)控機(jī)之間可靠通信，由于該P(yáng)LC中不包含通信接口，因此在使用過(guò)程中必須對(duì)通信模塊進(jìn)行擴(kuò)展，一般在上位機(jī)中裝入可靠的通訊卡即可，完善硬件通信系統(tǒng)。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在S7-200PLC系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中需要借助專用的編程系統(tǒng)完善軟件編程，實(shí)現(xiàn)控制程序的編程、下載和通信組態(tài)規(guī)劃等。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用梯形圖編寫(xiě)PLC程序，控制程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的控制。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，電流變送器檢測(cè)及時(shí)檢測(cè)出實(shí)際勵(lì)磁電流值，將電流參數(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中模擬量的輸入和輸出單元，將參數(shù)信息寫(xiě)入PLC系統(tǒng)中，CPU會(huì)將參數(shù)信息與人機(jī)交互單元中的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，在分析對(duì)比結(jié)果的基礎(chǔ)上應(yīng)用PID控制算法對(duì)需要的控制量進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用模擬量的輸入和輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)器觸發(fā)角的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電流值的控制，保證勵(lì)磁電流始終保持在用戶設(shè)定的值。另外，PLC程序中選用了軟啟動(dòng)控制方法，以避免電流上升速度太快燒毀勵(lì)磁線圈的問(wèn)題，設(shè)計(jì)過(guò)程中還充分考慮了遠(yuǎn)程控制要求，并將歷史故障查詢功能加入到人機(jī)交互系統(tǒng)中。

在觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要保證用戶能夠及時(shí)查看所有的現(xiàn)實(shí)參數(shù)、歷史故障和信息存儲(chǔ)，界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，便于用戶正確操作。人機(jī)界面系統(tǒng)應(yīng)用西門子公司的HMI組態(tài)軟件，人機(jī)界面設(shè)計(jì)重點(diǎn)做好以下六個(gè)方面工作。

第一，系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主界面顯示出生產(chǎn)過(guò)程中的勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓和溫度信息，同時(shí)還可以查看勵(lì)磁電流的變化趨勢(shì)，主界面中包含用戶設(shè)定勵(lì)磁電流的輸入框，顯示出勵(lì)磁電流值是否存在問(wèn)題，同時(shí)便于用戶及時(shí)查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，明確報(bào)警記錄，顯示產(chǎn)品信息等，用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單就會(huì)顯示出對(duì)應(yīng)的界面[2]。第二，系統(tǒng)工作狀態(tài)界面。該界面中及時(shí)顯示出通風(fēng)電機(jī)、轉(zhuǎn)換電機(jī)和脈動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)。第三，參數(shù)設(shè)定界面。該界面中實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)PID控制算法的設(shè)置，便于設(shè)定勵(lì)磁電流的范圍值和軟啟動(dòng)的時(shí)間。第四，報(bào)警記錄界面。該界面中正確顯示出歷史故障記錄，精確查詢故障發(fā)生的時(shí)間和原因。第五，產(chǎn)品信息界面，主要顯示出產(chǎn)品的信息。第六，時(shí)間校準(zhǔn)界面。該界面中實(shí)現(xiàn)用戶的觸摸時(shí)間的校準(zhǔn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

將本設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，提高了磁選機(jī)機(jī)電控制的可靠性，將西門子PLC控制部分應(yīng)用于磁選機(jī)中，借助良好的人機(jī)交互系統(tǒng)提高選礦能力。生產(chǎn)過(guò)程的綜合性能得到提高，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，便于重要參數(shù)的設(shè)定和查詢，為系統(tǒng)規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度奠定了重要的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平得到提高。

參考文獻(xiàn)

[1]盧俊穎，王化軍，方昊，等.基于計(jì)算機(jī)軟件模擬的板式磁選機(jī)磁系設(shè)計(jì)[J].計(jì)量檢測(cè)，2015，15（1）：108.

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