矿浆均密搅拌控制方法研究

高冲， 姜磊， 马学毅， 张兴华， 王世杰

（1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳110870；2.北方重工集团 矿山机械分公司，沈阳 110870）

0 引 言

矿浆搅拌装置是矿浆搅拌成套设备中的重要组成部分，在矿业生产中得到广泛应用，在医药、化工、材料合成行业的生产线中也十分常见［1］。为保证矿浆搅拌效果，现多采用搅拌装置配置高功率的电动机的方法，但矿浆的高浓度、高黏度、高密度等特殊属性，使得搅拌装置虽然尽可能地减少沉槽的发生，但是不可避免地增大了功耗，降低了生产效率［2］。除此之外液位增加时,主轴自然压力随着减小，但相应增加了提升矿浆所耗的电能以及减小了搅拌器的有效容积,这也不利于矿浆搅拌装置工作。针对上述问题开发了一种基于PLC的矿浆匀密搅拌控制系统，实现系统通过检测搅拌矿浆浓度，调节电机输出转速，达到实时调节搅拌强度、保证排料浓度的目的。

1 矿浆搅拌装置的设计原理

矿浆搅拌装置工作的最终目的在于提高矿浆的搅拌效果。大型金属矿浆搅拌装置的搅拌目的是将固、液两相物系非均相分散，使其处于悬浮状态［3］。此类搅拌装置的搅拌效果可以由浓度的高低来表示。在物料添加量相同时，颗粒的轴向浓度随着搅拌装置的转速的升高而提高［4-5］。这是搅拌装置的电机输出高转速，为设备提供较高的搅拌动力，混合物料在高搅拌动力的作用下，能够搅拌得更加充分均匀，使物料在槽底堆积量降低。当矿浆浓度低时就表明需要提高矿浆搅拌强度。本装置就是根据此原理进行设计的。

具体应用中，根据DF-6420超声波浓度计的工作原理是当超声波在矿浆类悬浮液中传播时，根据矿浆中固体量的多少及粒子大小与其振幅变化的关系，测量超声衰减量得到相应浓度值。根据声学原理，平面超声波在矿浆中传播时，其电压E的变化可用下式表示：

式中：Er为发射电压；α为衰减系数；L为传播距离。

悬浮粒子引起的衰减率可由下式求得：

由浸入式传感器接受到的声波幅度将伴随矿浆浓度的增加而衰减，因此声波幅度对应转换后的电压值也随矿浆浓度的增加而衰减，将浓度-电压衰减曲线经过标定后，即可从测量电压得到浓度值。因此，浓度输入信号通过PID算法控制，根据浓度与电机转速的线性关系，通过指令调节输出的模拟量信号给变频器，从而控制电机。

2 PLC控制系统硬件设计

2.1 控制要求

在搅拌装置侧壁安装有液位开关，上液位开关ST1、中液位开关ST2、下液位开关ST3；KM2、KM3分别为进料电磁阀和出料电磁阀。

1）在初始状态下，容器为空，向容器内添加矿浆，此时启动搅拌装置可以由人工当按下开关SB1，KM线圈得电，变频器和电机接入三相交流电源，搅拌装置启动；也可以直接向装置内加入矿浆，当液面到达下液位开关时，下液位开关动作，搅拌装置启动。

2）当矿浆液面高于出料口高度，则上液位开关动作，此时进料电磁阀闭合，以降低液面。当液位降低到中液位开关以下，进料电磁阀恢复到原有的通路状态。

3）超声波浓度测量排出矿浆浓度，通过PID控制，根据电机转速与排料浓度的拟合曲线所得的数量关系，相应输出电机转速，保证排出矿浆达到要求范围。

4）当变频器故障时，开关动作，KM线圈失电，指示灯显示变频器发生故障，变频器与三相交流电源中串联的KM开关断开，变频器失电，起到安全保护的作用。

图1 矿浆匀密搅拌控制装置系统硬件接线图

2.2 硬件电路的设计

按照控制要求，以西门子S7-300系列PLC为例，设计的PLC与变频器组成的控制系统硬件接线图如图1所示，I/O分配表如表1所示。系统主要由以下3个功能模块组成：1）控制模块。S7-300系列产品具有高性能的中央处理器，其各种性能的模块可以很好地满足和适应自动化控制任务。简单实用的分布式结构和通用的网络能力，使得应用十分灵活，当控制任务增加时，可以自由扩展［6］。2）检测模块。浓度采用超声波浓度测量计采集矿浆搅拌装置内的模拟量信号，速度传感器检测电机的实际输出电压信号，不断调节转速至要求范围内。3）执行机构。包括变频器、电机、电磁阀等。整个工段的控制系统主要完成了对现场数据的采集、滤波；采集的模拟量信号通过控制回路中PID（比例、积分、微分）参数的设置及控制以及其与速度的数量关系的设定计算；液位控制阀等功能。

表1 系统输入/输出信号地址分配表

图2 控制系统工作原理图

3 控制算法和软件设计

该装置涉及多种控制，下面将着重讲述浓度控制部分。在实际应用中对矿浆浓度使用闭环PID控制，PID是典型的闭环控制算法，是连续系统中应用最成熟、最广泛的调节方式［7］。本装置是通过电机转速与矿浆浓度的关系（用W表示），在每次PID循环中相应地调节电机转速，由于控制器输出的控制信号是用于完成矿浆搅拌装置的转速的调节，即其输出值与转速的大小一一对应的关系，故采用位置式PID算法。PLC控制系统设计原理图如图2所示。

其中PID控制器的原理表达式为

式中：t为时间；u（t）为 PID 算法的输出；e（t）为系统设定值与过程检测值的偏差；Kp为放大系数 （增益或放大倍数）；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

PLC控制程序的PID算法采用的其内部自带的指令功能块来执行，PID回路的编号、给定值范围、比例增益、采样时间以及积分时间，对浓度进行PI运算。按照设定的采样周期来执行PID功能块。

图3为控制系统工作原理图。当向导参数设置后，自动生成第X号回路的初始化子程序、中端程序、符号表和数据块。图4为PID初始化指令，完成对PI运算的采样时间、比例增益、积分时间和微分时间等的初始化。

图3 系统控制流程图

图4 PID初始化指令

4结 论

矿浆均密搅拌装置系统，将浓度和转速模拟量检测信息及液位开关数字量信息传送至PLC控制系统进行相应计算及控制，达到了根据工况需求调节搅拌强度、安全控制液位、保证排料质量的目的。该系统是在原有设备基础上进行改进，应用方便、结构简单，符合节能理念，并为搅拌装置提供适当的搅拌空间，实现了对矿浆浓度的自动控制。

［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］ 杨建桥，黄德镛.矿用充填料搅拌机研究进展［J］.中国非金属矿工业导刊，2011（5）：61-63.

［3］ 陈志平，章序文，林兴华.搅拌与混合设备设计选用手册［M］.北京：化学工业出版社，2004：3-5.

［4］ 杨峰苓，周慎杰，张翠勋，等.无挡板搅拌槽的固液悬浮特性［J］.四川大学学报，2012（4）：185-190.

［5］ 王淑婵，张延安，张超，等.种分槽改进Intermig桨搅拌性能的实验研究［J］.过程工程学报，2011（2）：204-208.

［6］ 廖常初.PLC编程及应用 ［M］.北京：机械工业出版社，2010：122-123.

［7］ 马明，陈海峰.基于PLC的真空挤砖机进料湿度控制系统的设计［J］.机械设计与制造，2011（1）：36-37.