樊 毅

(云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400)

現(xiàn)有以DCS系統(tǒng)為平臺(tái)的銅礦山磨礦鋼球添加為全人工手動(dòng)添加方式，或在通過以PLC為核心設(shè)計(jì)的方式前提下，新增整套控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行加球，兩種添加方式均不可取。這是因?yàn)?，人工手?dòng)添加鋼球的方式需要大量的體力操作，額外增加員工的體力勞動(dòng)量，降低員工身心健康指數(shù)，鋼球添加的及時(shí)可靠性得不到保障，造成生產(chǎn)原材料及能源的浪費(fèi)，生產(chǎn)效率低下，不利于企業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)的提升。另外，在吊裝鋼球添加過程存在高空墜物、機(jī)械傷害、噪聲等較大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，不利于企業(yè)安全生產(chǎn)的管控。采用以PLC為核心設(shè)計(jì)，新增整套鋼球添加控制系統(tǒng)設(shè)備，單臺(tái)磨礦磨機(jī)加球機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備備件材料采購(gòu)、安裝、調(diào)試等預(yù)計(jì)花銷約100萬元以上，隨著磨機(jī)臺(tái)數(shù)增加，會(huì)造成直接生產(chǎn)成本成倍額外增加，給企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來不小壓力，給企業(yè)降本增效工作效果的全面提升造成困難。因此，以現(xiàn)有DCS系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)銅礦山磨礦鋼球添加系統(tǒng)最佳選擇，僅采購(gòu)傳感器和小變頻器等費(fèi)用共計(jì)萬元小件，充分運(yùn)用現(xiàn)有DCS系統(tǒng)平臺(tái)的功能，自行探索研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)磨礦鋼球添加的全自動(dòng)循環(huán)控制。

1 實(shí)際鋼球添加量計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)

實(shí)際鋼球添加量計(jì)數(shù)裝置包含漫反射型光電開關(guān)傳感器[1，2]、鐵質(zhì)剎車擋板、安裝磁鐵的被測(cè)活動(dòng)面板等硬件部件。計(jì)數(shù)傳感器采用漫反射型光電開關(guān)[1，2](對(duì)射型和鏡面反射型，現(xiàn)場(chǎng)不具備安裝使用條件)，檢測(cè)范圍0～40 cm，信號(hào)常開型，共3個(gè)。3個(gè)傳感器成一排，均勻分布垂直安裝于滾筒正上方，分別對(duì)準(zhǔn)滾筒上三個(gè)抓手的每一個(gè)中心點(diǎn)。其計(jì)數(shù)檢測(cè)裝置系統(tǒng)功能示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)數(shù)檢測(cè)裝置系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 Function diagram of counting detection device system

檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：

1)面測(cè)方式代替點(diǎn)測(cè)方式降低滾筒面的干擾信號(hào)產(chǎn)生。由于鋼球檢測(cè)方式比較特殊，為點(diǎn)測(cè)方式，對(duì)漫反射型光電開關(guān)檢測(cè)光強(qiáng)度要求比較高。才其他非球型規(guī)則物體的檢測(cè)方式為面測(cè)方式，對(duì)漫反射型光電開關(guān)檢測(cè)光強(qiáng)度要求不高。因此，漫反射型光電開關(guān)調(diào)節(jié)到對(duì)鋼球點(diǎn)起作用，有信號(hào)反饋輸出的時(shí)候，其面測(cè)方式距離已經(jīng)到達(dá)滾筒最高圓柱體面，圓柱體面上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，因此設(shè)計(jì)應(yīng)用輕質(zhì)光滑面板代替鋼球作為被檢測(cè)對(duì)象。

2)應(yīng)用鐵質(zhì)剎車擋板和被測(cè)活動(dòng)面板安裝磁鐵吸引的方式消除被測(cè)活動(dòng)面板被鋼球推動(dòng)后多次自由擺動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)干擾，每次鋼球到達(dá)傳感器底部就推動(dòng)被測(cè)活動(dòng)面板向鋼球運(yùn)輸方向擺動(dòng)，在與鋼球分離之后，被測(cè)活動(dòng)面板回到中心初始位置，立即停止擺動(dòng)，光電開關(guān)檢測(cè)反饋信號(hào)只輸出一次，計(jì)一個(gè)鋼球數(shù)量。

3)推動(dòng)被測(cè)活動(dòng)面板底部設(shè)計(jì)為單指狀，確保抓手在運(yùn)行過程中，不接觸被測(cè)活動(dòng)面板，而順利通過檢測(cè)光電底部，這樣避免了空抓手帶來的信號(hào)干擾計(jì)數(shù)。

4)被控輸出為變頻器電機(jī)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒圓柱體上均勻分布三個(gè)抓手，滾筒每滾一圈，最大可以輸送三個(gè)鋼球。

2 DCS控制策略設(shè)計(jì)

該DCS系統(tǒng)平臺(tái)[3]是Honeywell 的PKS系統(tǒng)平臺(tái)，在磨礦控制站的冗余C300控制器底下進(jìn)行新建CM控制策略設(shè)計(jì)，包含定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元、鋼球需求量自動(dòng)計(jì)算單元、實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元、自動(dòng)周期循環(huán)控制單元的CM控制策略核心功能設(shè)計(jì)、手動(dòng)鋼球補(bǔ)充添加控制、班(月)鋼球使用添加量統(tǒng)計(jì)、工藝流程聯(lián)鎖自動(dòng)控制、上位機(jī)HMI監(jiān)控功能等其他功能設(shè)計(jì)。其自動(dòng)控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)控制邏輯框圖Fig.2 Automatic control logic block diagram

2.1 DCS的CM控制策略優(yōu)化設(shè)置

由于在DCS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制是行業(yè)首次，因此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了探索優(yōu)化應(yīng)用。DCS相對(duì)PLC來說，CPU處理速度較慢、默認(rèn)掃描周期較長(zhǎng)，在實(shí)際鋼球添加量反饋用于各檢測(cè)控制功能中時(shí)，需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行DI信號(hào)的約一秒的鎖定功能設(shè)計(jì)；另外，還要對(duì)該加球機(jī)控制程序的執(zhí)行掃描周期進(jìn)行提升設(shè)計(jì)，才能滿足后續(xù)核心算法控制設(shè)計(jì)使用要求[3,5]。特別說明，對(duì)加球機(jī)的CM程序掃描周期提速只是個(gè)別操作，該控制器C300底下其他CM保持默認(rèn)設(shè)置值即可，這樣不會(huì)額外增加控制器C300及服務(wù)器的負(fù)荷，也不會(huì)導(dǎo)致控制器C300死機(jī)及服務(wù)器死機(jī)等故障。

2.2 定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元

信號(hào)源：皮帶秤的累計(jì)量是脈沖信號(hào)反饋到DCS的DI輸入通道經(jīng)系統(tǒng)集成處理后的量，皮帶秤每累計(jì)到一噸礦量就反饋輸出一個(gè)脈沖信號(hào)作為DCS的礦量累計(jì)信號(hào)源，而皮帶秤的瞬時(shí)量以模擬量實(shí)時(shí)反饋到DCS的AI輸入通道，進(jìn)行集成應(yīng)用與顯示。

皮帶秤安裝情況：磨機(jī)的總?cè)氲V量安裝有皮帶秤計(jì)量，磨機(jī)的頑石返回礦量安裝有皮帶秤計(jì)量，磨機(jī)的新給礦量(儲(chǔ)礦堆來礦量)沒有安裝皮帶秤計(jì)量。另外，需要添加鋼球的為磨機(jī)新給礦量，頑石不需要添加鋼球研磨，因?yàn)轭B石已經(jīng)在頑石破碎機(jī)進(jìn)行了破碎，直接進(jìn)入磨機(jī)，進(jìn)入磨浮流程即可。

新給礦量計(jì)算：應(yīng)用PKS之控制策略CM里的定時(shí)器模塊、脈沖累加模塊、條件推送模塊、立即數(shù)存儲(chǔ)模塊等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在遠(yuǎn)程、自動(dòng)、其他聯(lián)鎖條件滿足的情況下，啟動(dòng)后，定時(shí)器模塊開始計(jì)時(shí)(定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度在HMI上，操作人員根據(jù)需要進(jìn)行靈活設(shè)定)、脈沖累加模塊(總?cè)氲V量、頑石返回礦量各使用一個(gè)模塊)開始進(jìn)行礦量累加，在本次定時(shí)周期結(jié)束時(shí)，定時(shí)器輸出定時(shí)完成的脈沖信號(hào)觸發(fā)條件推送模塊(總?cè)氲V量、頑石返回礦量各使用一個(gè)模塊)，該模塊把該周期脈沖累加模塊所累加的礦量推送給立即數(shù)存儲(chǔ)模塊(總?cè)氲V量、頑石返回礦量各使用一個(gè)模塊)?？?cè)氲V量對(duì)應(yīng)的立即數(shù)累計(jì)量n1(單位：t)減去頑石返礦量對(duì)應(yīng)的立即數(shù)累計(jì)量n2(單位：t)得到新給礦量在該定時(shí)周期的累計(jì)量n(單位：t)，即n=n1-n2。然后將新給礦量在該定時(shí)周期的累計(jì)量n輸送給下一處理單元(鋼球需求量，自動(dòng)計(jì)算單元)，即完成本次定時(shí)周期的新給礦量計(jì)算處理。同時(shí)，復(fù)位定時(shí)器和脈沖累加模塊，在遠(yuǎn)程、自動(dòng)、啟動(dòng)等自動(dòng)控制信號(hào)一直為真的條件下，又立即開始執(zhí)行下一個(gè)定時(shí)周期的新給礦量，自動(dòng)計(jì)算處理過程。定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元邏輯框圖如圖3所示。

圖3 定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元邏輯框圖Fig.3 Logic block diagram of automatic calculation unit of new feeding quantity in fixed period

這個(gè)定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元有以下優(yōu)點(diǎn)：在HMI上設(shè)計(jì)周期設(shè)定接口，可方便操作人員靈活設(shè)置使用周期。做周期倒計(jì)時(shí)顯示，可方便操作人員直觀掌握加球機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間。做礦量累計(jì)顯示，便于生產(chǎn)數(shù)據(jù)核算。在CM里做歷史數(shù)據(jù)組態(tài)，便于永久性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與備查。

2.3 鋼球需求量自動(dòng)計(jì)算單元

信號(hào)源：新給礦累計(jì)量n(來自定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元輸送)、鋼球的單耗量k(中控人員在HMI上靈活設(shè)定，選礦技術(shù)人員根據(jù)礦石性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出)、每個(gè)鋼球的質(zhì)量m(中控人員在HMI上靈活設(shè)定，不同批次鋼球重量會(huì)有不同)，以上信號(hào)源變量均存儲(chǔ)在CM的立即數(shù)存儲(chǔ)模塊里。

鋼球需求量自動(dòng)計(jì)算：根據(jù)以上三個(gè)變量進(jìn)行四則混合運(yùn)算，得出該周期的礦量對(duì)應(yīng)的鋼球需要個(gè)數(shù)，即：新給礦累計(jì)量n(單位：t)乘以鋼球的單耗量k(單位：kg/t)，再除以每個(gè)鋼球的質(zhì)量m(單位：kg)得到鋼球需求添加量y(單位：個(gè))，即y=n×k/m。該過程全部應(yīng)用CM的立即數(shù)存儲(chǔ)模塊輸出進(jìn)行計(jì)算。然后將該鋼球需求添加量y送人下一處理單元(實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元)。

該處理單元的鋼球單耗k和鋼球單個(gè)質(zhì)量m均在操作站HMI設(shè)計(jì)開放輸入接口，便于操作人員根據(jù)實(shí)際物料情況進(jìn)行使用參數(shù)及時(shí)調(diào)整，達(dá)到精確自動(dòng)計(jì)算和控制處理。

2.4 實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元

信號(hào)源：鋼球需求添加量(來自鋼球需求量自動(dòng)計(jì)算單元輸送)、實(shí)際鋼球添加反饋量(DI)、變頻器頻率給定(AO)、變頻器頻率反饋(AI)等。

自動(dòng)控制：鋼球需求添加量是在上一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)進(jìn)行處理，周期結(jié)束時(shí)計(jì)算輸出的實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元的給定信號(hào)。實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元是在第二定時(shí)周期開始時(shí)執(zhí)行控制處理動(dòng)作，即鋼球需求添加量的計(jì)算處理過程總比實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制處理要早一個(gè)周期。上一單元(鋼球需求量自動(dòng)計(jì)算單元)的鋼球需求添加量計(jì)算數(shù)字輸出信號(hào)為浮點(diǎn)數(shù)，可能是整數(shù)，也可能帶小數(shù)。因此，需要先對(duì)鋼球需求添加量的所有小數(shù)進(jìn)位取整數(shù)后作為給定設(shè)定值，然后與實(shí)際鋼球添加反饋量進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)設(shè)定值(鋼球需求添加量進(jìn)位取整值)與實(shí)際鋼球添加反饋值相等時(shí)，完成本次加球。同時(shí)，進(jìn)入本次周期設(shè)定時(shí)間的剩余計(jì)時(shí)階段，及新給礦量繼續(xù)累計(jì)的等待時(shí)間段(經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，任意頻率給定情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)直連滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行加球，其動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間均遠(yuǎn)小于自動(dòng)鋼球添加模式的周期設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度)，當(dāng)本次周期計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，該周期的自動(dòng)控制及計(jì)算處理過程全部結(jié)束。其鋼球添加自動(dòng)控制單元邏輯框圖如圖4所示。

圖4 鋼球添加自動(dòng)控制單元邏輯框圖Fig.4 Logic block diagram of automatic control unit for steel ball adding

該過程主要用到兩種自動(dòng)控制輸出模式：PID變頻調(diào)速控制模式、定速控制模式。

PID變頻調(diào)速控制[4，5]：SP設(shè)定值為鋼球需求添加量的進(jìn)位取整值，PV過程值為實(shí)際實(shí)時(shí)加球數(shù)量反饋值，OP輸出量為變頻器的頻率給定值。經(jīng)過使用測(cè)試，磨機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，1 h為周期設(shè)定，頻率為10 Hz時(shí)，僅需要8 min左右即可完成1 h周期的鋼球添加，因此，在自動(dòng)控制模式下，使用PID調(diào)節(jié)頻率輸出，范圍在0～15 Hz即可。PID參數(shù)整定設(shè)置為：比例P為5；積分I為0.3；微分D為0。

定速控制：周期循環(huán)自動(dòng)加球控制也可以固定頻率輸出運(yùn)行，程序內(nèi)部設(shè)定為10 Hz即可滿足使用，在添加前段，鋼球量較少或鋼球補(bǔ)充的過程中使用定速控制，加球機(jī)及周圍環(huán)境相對(duì)比較安全可靠。

2.5 自動(dòng)周期循環(huán)控制單元

利用定時(shí)器模塊、脈沖累加模塊、條件推送模塊、立即數(shù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)字量上級(jí)控制輸出處理模塊等的啟動(dòng)置位、使能復(fù)位等功能。

在每個(gè)周期定時(shí)開始時(shí)，進(jìn)行各功能模塊的使能置位，使其各功能模塊各司其職，又配合工作，共同完成前面三個(gè)處理單元(定時(shí)周期新給礦量自動(dòng)計(jì)算單元、鋼球需求量自動(dòng)計(jì)算單元、實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元)的設(shè)計(jì)功能，達(dá)到新給礦累計(jì)量、鋼球需求添加量自動(dòng)計(jì)算處理，鋼球添加動(dòng)作自動(dòng)控制執(zhí)行。

在鋼球添加動(dòng)作自動(dòng)控制執(zhí)行完成時(shí)，對(duì)頻率給定模塊和數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行使能復(fù)位，使其變頻器和電機(jī)立即停止運(yùn)行。

在每個(gè)周期定時(shí)結(jié)束時(shí)，用定時(shí)器計(jì)時(shí)完成的輸出脈沖信號(hào)，對(duì)定時(shí)器模塊、脈沖累加模塊進(jìn)行復(fù)位處理，使其兩個(gè)模塊重新定時(shí)和累計(jì)計(jì)數(shù)，為下一周期自動(dòng)加球控制做輸入數(shù)據(jù)給定準(zhǔn)備。用定時(shí)器計(jì)時(shí)完成的輸出脈沖信號(hào)，對(duì)條件推送模塊進(jìn)行使能，使其執(zhí)行總給礦累計(jì)量和頑石給礦累計(jì)量推送到立即數(shù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)執(zhí)行立即數(shù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)計(jì)算，得到新給礦累計(jì)量、鋼球需求添加量，送到下一周期的實(shí)際鋼球添加自動(dòng)控制單元。

在遠(yuǎn)程、自動(dòng)、啟動(dòng)等自動(dòng)控制信號(hào)一直為真的條件下，上一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，前面設(shè)計(jì)單元的輸出新給礦累計(jì)量、鋼球需求添加量在當(dāng)前周期開始時(shí)立即進(jìn)行加球的自動(dòng)控制動(dòng)作，在當(dāng)前周期定時(shí)結(jié)束時(shí)，自動(dòng)加球動(dòng)作已在本周期內(nèi)提前完成，而新給礦累計(jì)量、鋼球需求添加量的計(jì)算處理數(shù)據(jù)，在當(dāng)前周期定時(shí)結(jié)束時(shí)自動(dòng)計(jì)算給出，同時(shí)立即進(jìn)入下一周期。又立即開始執(zhí)行新的鋼球添加自動(dòng)控制動(dòng)作和新給礦量、鋼球需求添加量的計(jì)算處理過程。如此周期性循環(huán)執(zhí)行CM程序功能，達(dá)到自動(dòng)模式下自動(dòng)加球周期性循環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行。其自動(dòng)周期循環(huán)控制單元邏輯框圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)周期循環(huán)控制單元邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of automatic cycle control unit

新給礦量計(jì)算值，鋼球需求添加量計(jì)算值，鋼球添加反饋量，定時(shí)器設(shè)定值，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)等數(shù)據(jù)均在HMI上做設(shè)定和顯示功能。新給礦量計(jì)算值，鋼球需求添加量計(jì)算值，鋼球添加反饋量均能保持顯示一個(gè)周期，并在CM里做歷史趨勢(shì)組態(tài)，可以永久性備查。

2.6 其他功能

設(shè)計(jì)的其他功能還包括工藝流程聯(lián)鎖自動(dòng)控制、班(月)鋼球使用添加量統(tǒng)計(jì)、手動(dòng)鋼球補(bǔ)充添加控制、加球機(jī)無球報(bào)警等。

3 應(yīng)用實(shí)踐效果

充分運(yùn)用云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司現(xiàn)有DCS系統(tǒng)平臺(tái)的功能，自主進(jìn)行磨礦鋼球添加全自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)方案的探索研究設(shè)計(jì)，自行進(jìn)行檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與制作安裝、程序組態(tài)、系統(tǒng)實(shí)施調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)磨礦磨機(jī)鋼球添加的全自動(dòng)循環(huán)控制[6-8]。DCS系統(tǒng)平臺(tái)操作站HMI應(yīng)用人機(jī)操作畫面如圖6所示，主要功能包含：手/自動(dòng)畫面、歷史趨勢(shì)、加球機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、聲光報(bào)警、班月報(bào)表等功能。

圖6 人機(jī)操作HMI畫面Fig.6 HMI screen of man machine operation

該控制系統(tǒng)于2020年7月云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司投入運(yùn)行之后，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)均勻、準(zhǔn)確加球，磨機(jī)耗能得以有效降低，磨礦濃度和磨礦粒度得到較好控制，提高了原礦處理能力，提高了磨機(jī)臺(tái)效，可達(dá)到采用在PLC上快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)控制功能的全自動(dòng)加球機(jī)快速檢測(cè)控制系統(tǒng)的效果，而且消除了磨礦人工鋼球添加方式中的高空墜物、機(jī)械傷害、噪聲等生產(chǎn)安全隱患，特別在高原環(huán)境下，降低了崗位操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了員工身心健康指數(shù)。

4 結(jié)語

利用DCS系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)在DCS系統(tǒng)平臺(tái)上探索實(shí)現(xiàn)諸如加球機(jī)的快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有安全、可靠、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到目前為止僅在PLC上成功應(yīng)用快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)控制功能的全自動(dòng)加球機(jī)快速檢測(cè)控制系統(tǒng)的效果，也可解決長(zhǎng)期以來人工手動(dòng)鋼球添加的不安全、不準(zhǔn)確困難，避免新增一整套PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加球機(jī)控制應(yīng)用。

采用該系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)可使公司磨礦設(shè)備的綜合優(yōu)越性能得以充分發(fā)揮出來，磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率得到全面提升、生產(chǎn)成本大幅度降低。在公司全面推行全要素對(duì)標(biāo)、降本增效、安全高效生產(chǎn)的大環(huán)境下，可極大地節(jié)約投資費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)要素對(duì)標(biāo)、降本增效、安全高效生產(chǎn)，具有歷史突破性和重大推廣應(yīng)用價(jià)值。