基于PLC的多产品水析仪控制系统设计

高雨晨　吴志鹏　韩冰　张宝镒　孟凡伟

摘要：细粒、微细粒的分级一直是选矿工作的核心问题，现有的水析装置存在各种不足，因此设计出多产品水析仪以满足实验室对细粒及微细粒级分级效率高，准确性强的要求，并且结构简单，操作方便，耗水量少。系统采用PLC为核心控制平台，控制下位机执行动作指令与数据反馈，达到可无人值守、精确控制水析仪动作、数据采集与传输以及提高系統可靠性、安全性的目的。

关键词：多产品水析仪;PLC;控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0011-02

0 引言

一直以来细粒及微细粒级物料粒度组成的测定都是选矿及各种粉体工程实验室工作的重点同样也是难点[1-2]，本水析仪设置上下两个沉降室，物料进出沉降室由可180度旋转的蝶阀控制，使物料经过多次分级，而不需重复装卸物料，大大简化操作过程，缩短分析时间。该水析仪虽操作简单，但需要进行控制的部件种类较多、数量较大，所以需要加强其自动化程度。

1 水析仪结构及工作流程简述

1.1 多产品水析仪结构

示意图如图1所示：（图1中1-17分别为：上给料装置;2、上给料控制阀;3、充气搅拌装置;4、上给水装置;5、上隔料板装置;6、物料观察孔;7、溜槽支架;8、小型溜槽;9、旋转装置;10、筒套;11、制动电机;12、电机支架;13、设备支架;14、下隔料板装置;15、下给水装置;16、下给料控制阀;17、下给料装置）。

1.2 水析仪工作流程

水析仪依据随矿物粒级不同沉降时间不同的原理对不可溶于水的微粒进行分级。在上料口加入待沉降的原料，打开隔料板，使其进入沉降室。在相应矿物粒子沉降时间后，打开相应位置的电磁阀，释放相同粒级的粒子，完成分级。

2 控制系统设计

水析仪工作流程（图2）具体分为上料加水、充气搅拌，沉降室沉降排料以及电机旋转。此流程需要大量执行元件进行配合，例如上料加水电磁阀、隔料板装置、出料控制电磁阀、旋转电机等，利用PLC进行可编程自动控制可以满足生产工艺流程自动化集中控制以及全局掌握的连贯性。

2.1 上料加水、充气搅拌控制

待分级的原料经由上料控制阀进入搅拌室，随后上给水阀门打开加水，待加入足够水后，充气阀门打开，利用空气流动搅拌物料与水，使其充分混合。随后隔料板打开，充分混合的物料进入沉降室进行沉降。可控编程自动控制范围为上料控制阀、上给水阀门、充气阀门和隔料板装置。

2.2 沉降室出料电磁阀控制

在物料进入沉降室之后，由于不同粒级物料的沉降末速差不同，所以会出现同一粒级沉降到同一位置时所用的时间几乎相同。故利用这种原理，控制电磁阀打开和关闭的时间可使同一粒级的物料同时排出。而未完全分级的物料由于重力作用进入下搅拌室，随后隔料板关闭。为实现上述步骤，需对相关执行元件进行编程控制，由于需分级的物料各不相同，故每种物料每种粒级也各不相同，分级时只需在人机交互界面修改沉降时间即可。

2.3 电机控制

在未分级物料进入下沉降室，隔料板关闭后，沉降管由步进电机带动旋转180°。为实现沉降管可180°旋转的功能，对转轴一侧加装的步进电机进行编程控制，使其在预设的时间内自动完成旋转工作。物料进入沉降室的同时开始延时，待完成本次沉降后，电机启动且以一定转速旋转180°，然后停止转动并开始下一轮延时，以便粒子的进一步沉降。每次计时的时间根据所需矿物粒子的不同而定，若需改变仅需人工在人机交互界面输入即可。

3 硬件配置及选型

PLC主要用于处理开关量，以替代水析仪原型机控制系统中众多的继电器、接触器、复杂的接线等，且使用过程中存在可预见的电子元件损坏以及人工控制不精确的问题，使得水析仪的电控系统可靠性较低。针对工艺流程控制点多的特点以及对设备执行的各项要求，控制柜选用西门子S7-200型PLC，由可编程自动化控制完成各工艺生产设备的顺序启停[3]。由于西门子S7-200型号PLC具有最优模块化和开放式通讯，结构紧凑小巧，大容量程序和数据存储器，杰出的实时响应，易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件进行编程，完整控制对时间要求严格的流程等特点，故选用此型号PLC作为核心控制硬件。

EM222型扩展模块是与西门子S7-200型PLC兼容的数字量扩展模块，该扩展模块具有与CPU 224XP型CPU相同的设计特点，通过总线路互相连接，可以方便地扩展S7-200系列PLC的数字量输入/输出通道，增强扩展能力，节省成本。

由于信号在传输过程中会遇到各种各样的干扰，为保证信号稳定，控制柜选用WS15241型信号隔离器，该信号隔离器内部采用磁电隔离技术，输入、输出与电源之间相互隔离，通过DC24V或AC220V供电，为现场的变送器提供隔离配电电源，同时将变送器产生的电流信号从现场隔离传送到PLC。

4 结语

该控制系统可以满足多产品水析仪生产工艺流程自动化集中控制、全局控制的连贯性，并能控制多产品水析仪的启动停止以及各执行元件的动作。当设备正常运行时，按预设程序执行各项操作;当出现故障时（例如水析仪沉降管旋转不到位），设备停止运行，等待工作人员排除问题。并且该控制系统实现了对设备运行情况的监控以及数据采集、处理、报表、存储等功能，便于操作人员分析数据，节省相关人员的时间，提高效率。与此同时，该控制系统的运用有利于改善水析仪操作环境，将操作人员从手动按钮以及人工计时的工作中解脱出来，降低操作人员工作强度的同时，提高了多产品水析仪的工作效率以及分级精准度。

参考文献

[1] 张强.选矿概论[M].冶金工业出版社，2012.

[2] 沈政昌，史帅星，陈东，张跃军.浮选设备研究与应用[M].冶金工业出版社，2017.

[3] 袁任光.可編程程序控制器选用手册[M].机械工业出版社，2004.

Design of Control System for Multi-product Water Analyzer Based on PLC

GAO Yu-chen，WU Zhi-peng，HAN Bing，ZHANG Bao-yi，MENG Fan-wei

（College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan Hebei  063210）

Abstract：The classification of fine and micro fine particles has always been the core problem in mineral processing. Due to the shortcomings of the existing water separation devices， a multi-product water separation device was designed.The device  can meets the laboratory requirements of high efficiency and high accuracy for the classification of fine and micro fine with simple structure， convenient operation and low water consumption.The system controls the lower computer to execute the action instruction and the data feedback by PLC which can achieves the unattended， accurate controls of water analyzer movement， data acquisition and transmission and improves the system reliability， security.

Key words：multi-product water analyzer; PLC; control system