基于三菱PLC的磨礦分級PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王立鳳

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153)

在選礦工藝過程中，一般有兩個(gè)必需的工序：解離和分選。解離就是破碎和磨細(xì)大塊的礦石，解離出各種有用礦物顆粒；分選就是將已解離出的礦物顆粒按其物理化學(xué)性質(zhì)分選為不同的產(chǎn)品。由于自然界中多數(shù)的有用礦物與脈石緊密共生在一起，常常呈嵌布狀態(tài)，因此需要碎礦與磨礦，使礦石中緊密結(jié)合的有用礦物和脈石充分解離。

若沒有合理選擇粉碎作業(yè)的工藝和設(shè)備，則粉碎的最終產(chǎn)物可能會(huì)出現(xiàn)解離不充分，或者粉碎過細(xì)，從而降低整個(gè)選礦廠的技術(shù)指標(biāo)。

一、磨礦作業(yè)工作過程

磨礦作業(yè)通過球磨機(jī)筒進(jìn)行，通過筒體內(nèi)鋼球的運(yùn)動(dòng)把礦石磨碎。礦石由給礦機(jī)經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)送入球磨機(jī)。隨著筒體的旋轉(zhuǎn)，鋼球被帶到一定的高度后落下，于是裝在筒體內(nèi)的礦石就受到鋼球的沖擊力。同時(shí)，由于鋼球在筒體內(nèi)沿筒體軸心公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，在鋼球之間以及與筒體接觸時(shí)又產(chǎn)生對礦石的擠壓和磨削力，從而將礦石磨碎。

(一)磨礦分級的工藝流程

如圖1所示，粉礦由變頻調(diào)速的給礦機(jī)送入皮帶，經(jīng)皮帶送入球磨機(jī)進(jìn)行磨礦，磨礦后的礦漿流入分級機(jī)進(jìn)行分級，滿足粒度要求的礦石溢流進(jìn)入泵池進(jìn)行選別，大顆粒的礦石經(jīng)分級機(jī)重新送入球磨機(jī)進(jìn)行再磨。其中給礦機(jī)通過變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)給礦量；粉礦通過粉礦倉進(jìn)入皮帶，輸送到球磨機(jī)，進(jìn)一步磨成礦漿。由于30%的用電量消耗在球磨機(jī)工作中，因此要控制給礦量。給礦量不能太少或太多:太少了,不經(jīng)濟(jì);太多了,球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不了，造成球磨機(jī)堵塞，從而會(huì)死機(jī)。

圖1 磨礦分級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要達(dá)到最好的磨礦效果，需要對磨礦濃度進(jìn)行控制，如銅金屬磨礦濃度要求為80%左右?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)返砂水調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)水量，從而調(diào)節(jié)磨礦濃度。

經(jīng)過磨礦后的粉礦的粒度要符合要求，如果粒度超過要求值，需要再次進(jìn)行磨礦。因此必須對分級機(jī)的分級粒度進(jìn)行控制。

(二)過程變量的控制要求

磨礦分級過程中主要控制3個(gè)變量：給礦量、磨礦濃度、溢流濃度。

1.給礦量的控制

為了提高磨礦效率，球磨機(jī)的給礦量需根據(jù)礦石的可磨性進(jìn)行設(shè)定，并通過對給礦機(jī)調(diào)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。給礦量由核子皮帶秤來進(jìn)行檢測。給礦量的設(shè)定通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)，由核子皮帶秤檢測，給礦量控制是通過改變給礦電機(jī)的頻率，使礦石進(jìn)入磨機(jī)的機(jī)臺(tái)時(shí)量按設(shè)定值進(jìn)行PID閉環(huán)控制。本系統(tǒng)的臺(tái)時(shí)處理量設(shè)計(jì)為40 t/h。

2.磨礦濃度的控制

實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明球磨機(jī)內(nèi)的磨礦濃度為75%～80%時(shí)磨礦效果最好。因?yàn)槟サV濃度難以直接檢測,可根據(jù)給礦量及返砂量按比例加返砂水來實(shí)現(xiàn)PI控制。

若磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，磨礦濃度控制在75%左右，所需加水量約為W=0.25Q，其中Q為給礦量。

3.溢流濃度的控制

由于分級的礦石顆粒無法直接檢測，而分級粒度與分級濃度具有嚴(yán)格的關(guān)系，故通過控制分級機(jī)內(nèi)的礦石濃度來間接控制分級粒度。分級機(jī)溢流濃度由核子密度計(jì)檢測。分級機(jī)溢流濃度主要通過電動(dòng)閥控制排補(bǔ)加水來進(jìn)行PID控制。本項(xiàng)目的溢流濃度控制在39%～52%范圍內(nèi),根據(jù)選礦實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。

二、硬件設(shè)備選型

本系統(tǒng)有4個(gè)模擬量輸入、3個(gè)模擬量輸出，選擇FX2N-48MR的PLC作為控制器，配備FX2N-4AD和FX2N-4DA各1塊。采用三菱觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控。

其中，4個(gè)模擬量輸入為：核子皮帶秤檢測給礦量的調(diào)節(jié)器、加水時(shí)的流量調(diào)節(jié)器、濃度計(jì)的調(diào)節(jié)器、系統(tǒng)的設(shè)定值。3個(gè)模擬量輸出為：調(diào)節(jié)后的給礦量、調(diào)節(jié)加水從而影響磨礦濃度的電磁閥開度、用來控制加水影響溢流濃度的電磁閥開度。各種執(zhí)行器及調(diào)節(jié)閥的選型如表1所示。

表1 執(zhí)行器及調(diào)節(jié)閥的選型

(一)PLC的軟硬件設(shè)置

PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行，要進(jìn)行輸入輸出信號的分配、模擬量擴(kuò)展模塊的設(shè)置、PLC外部的接線及PLC的編程與調(diào)試。

1.PLC輸入輸出信號

PLC的控制主要通過觸摸屏上的觸摸鍵M輔助繼電器，過載保護(hù)輸入點(diǎn)需外接熱繼電器的觸點(diǎn)，因此用PLC的輸入繼電器X連接。對應(yīng)的I/O表如表2所示。

表2 PLC輸入輸出分配表

2.三菱模擬量模塊的通道設(shè)置

FX2N-4AD有4個(gè)模擬量輸入通道，AD轉(zhuǎn)換位數(shù)為12位,輸入量程為DC-10 V～+10 V和-20 mA～20 mA。FX2N-4AD模塊通過擴(kuò)展電纜與PLC基本單元或擴(kuò)展單元相連接[1]，通過PLC內(nèi)部總線傳送數(shù)字量，并且需要外部提供DC 24V電源輸入。本系統(tǒng)模擬量模塊設(shè)置如表3所示。FX2N-4DA模塊性能相同,不再描述。

表3 模擬量模塊的通道設(shè)置

3.PLC外部接線圖

PLC的輸入端需要接線部分，主要是兩個(gè)過載保護(hù)的觸點(diǎn)。輸出端則是接多個(gè)用于控制的接觸器線圈，如圖2所示。

圖2 PLC外部接線圖

三、PLC程序

PLC程序包括兩部分：一部分為開關(guān)量的控制，另一部分為模擬量的控制。

開關(guān)量控制的程序如圖3和圖4所示，該部分設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，并定義了KM1～KM6共6個(gè)接觸器線圈，對應(yīng)的輸出為Y0～Y5。

圖3 開關(guān)量控制程序(一)

圖4 開關(guān)量控制程序(二)

模擬量部分的程序重點(diǎn)在于3個(gè)PID回路的模擬量控制，其編程思路可以按讀AD模塊輸入數(shù)據(jù)、PID運(yùn)算、寫DA模塊輸出模擬量至控制設(shè)備的順序進(jìn)行編寫。

通過觸摸屏可進(jìn)行啟停控制、給礦量設(shè)定分級溢流濃度等的設(shè)定，還可在畫面上直接監(jiān)視到現(xiàn)場運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)。

調(diào)節(jié)給礦量的PID程序如圖5所示。其中TO為寫入指令，TOP是TO指令的上升沿形式，TOP指令表示前面條件一直通的情況下，該TO指令只在第1次循環(huán)中執(zhí)行，即執(zhí)行1次，若再次執(zhí)行，則前面條件必須有通斷的切換過程；FROM為讀模塊指令；MOV為傳送指令。其中D300、D301、D303、D304、D306、D20內(nèi)分別寫入采樣時(shí)間、負(fù)反饋方式、比例放大倍數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、給礦量設(shè)定值。這些參數(shù)通過系統(tǒng)整定來確定。

圖5 調(diào)節(jié)給礦量的PID程序

調(diào)節(jié)磨礦濃度和溢流濃度的PID程序如圖6所示。其中D350、D351、D353、D354、D356、D22內(nèi)分別寫入采樣時(shí)間、負(fù)反饋方式、比例放大倍數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、磨礦濃度設(shè)定值。D400、D401、D403、D404、D406、D26內(nèi)分別寫入采樣時(shí)間、負(fù)反饋方式、比例放大倍數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、溢流濃度設(shè)定值。這些參數(shù)通過系統(tǒng)整定來確定。圖6中程序段中的第一個(gè)PID指令含義為：PID運(yùn)算結(jié)果從D501輸出，把D501的值變成模擬量后送到調(diào)節(jié)閥上去調(diào)節(jié)給水量[2]；第二個(gè)PID指令含義為：PID運(yùn)算結(jié)果從D502送到DA模塊上進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到溢流量模擬量去調(diào)節(jié)相對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥。

圖6 調(diào)節(jié)磨礦濃度和溢流濃度的PID程序

DA轉(zhuǎn)換程序如圖7所示，程序中用到的功能指令見圖中框圖所示。

圖7 DA轉(zhuǎn)換程序

四、系統(tǒng)效果測試

實(shí)際系統(tǒng)測試結(jié)果表明，在對系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)控制及PID控制后，系統(tǒng)的性能在以下幾個(gè)方面得到了根本改善。

(1)給礦機(jī)通過變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)給礦量，使礦石入磨機(jī)機(jī)臺(tái)時(shí)量按設(shè)定值進(jìn)行PID閉環(huán)控制。從而使給礦量的輸送得到了有效的控制，極大地提高了球磨機(jī)的工作效率。

(2)通過PID程序調(diào)節(jié)返砂水調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)水量，對磨礦濃度進(jìn)行控制，如銅金屬磨礦濃度達(dá)到了80%左右，從而使磨礦效果達(dá)到較高水平。

(3)通過電動(dòng)閥控制排補(bǔ)加水，從而對分級機(jī)溢流濃度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對分級機(jī)的分級粒度的控制，使磨礦后的粉礦粒度達(dá)到生產(chǎn)要求。

五、結(jié)語

一般來說，選礦廠碎礦和磨礦作業(yè)的設(shè)備投資、生產(chǎn)費(fèi)用、電能消耗和鋼材消耗所占的比例最大：設(shè)備費(fèi)用占60%左右，生產(chǎn)費(fèi)用占40%～60%，電能消耗占50%～65%，鋼材消耗約占50%以上。故破碎和磨碎設(shè)備的計(jì)算選擇及操作管理水平，在很大程度上決定選礦廠的經(jīng)濟(jì)效益。本研究采用PID控制磨礦系統(tǒng)的方式，既克服了單純的比例調(diào)節(jié)有穩(wěn)態(tài)誤差的缺點(diǎn)，又避免了單純的積分調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)性能不好的缺點(diǎn)，產(chǎn)生了良好的控制效果。