圆锥破碎机给料控制稳定性优化研究

2023-08-24张晓伟冯赵屹

现代矿业 2023年7期

李阳张晓伟冯赵屹彭巍

（安徽马钢张庄矿业有限责任公司）

随着矿山技术的不断发展，圆锥破碎机按照种类可分为弹簧圆锥破碎机、轧臼式圆锥破、液压圆锥破碎机及复合圆锥破碎机四大类；按照型号可分为普通PY 圆锥破碎机、西蒙斯圆锥破碎机、复合圆锥破碎机、标准液压圆锥破碎机、单缸液压圆锥破碎机以及多缸液压圆锥破碎机等型号。液压式破碎机是在消化吸收了各国80年代具有国际先进水平的各类型圆锥破碎机的基础上研制成的。它与传统圆锥破碎机的结构在设计上截然不同，并集中了迄今已知各类型圆锥破碎机的主要优点。圆锥破碎机适用于细碎和超细碎坚硬的岩石、矿石、矿渣、耐火材料等，其结构主要包括机架、水平轴、动锥体、平衡轮、偏心套、上破碎壁（固定锥）、下破碎壁（动锥）、液力耦合器、润滑系统、液压系统［1］。

圆锥破碎机作为破碎中等及中等以上硬度矿石较好的设备，在使用过程中重要的是保证破碎机均匀满腔给料。圆锥破碎机的破碎腔由定动锥2 个机件构成，一般来说，破碎腔的上部是给料空间，为破碎腔提供物料，下部是排料空间，破碎后的物料会在重力下排出。破碎腔中满腔给料可以保证配套电机运行功率较高，而且挤满给料可使破碎腔内物料紧密接触，相互挤压作用大，破碎机的破碎效果就更好；通过“矿石碾矿石”原理，使衬板磨损更均匀，不会出现某些地方磨损严重，某些地方未磨损或磨损较轻的现象，保证衬板最经济磨损，提高生产效率，降低生产成本。在保证满腔的同时，还需均匀给料，均匀给料可保证圆锥破碎机的正常平稳运行，大幅提高圆锥破的使用寿命。

西门子1200PLC 是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI 和网络通信等任务的控制器［2-5］。通过在破碎机控制柜附近加装西门子1200PLC，与生产控制系统有效结合，再利用西门子1200PLC 强大的PID 运算功能来实现破碎机满腔运行、均匀给料的功能，是此次控制方式研究的主要方向。

1 系统方案的总体设计

1.1 控制原理

在保证原系统正常控制生产的前提下，加装1台西门子1200PLC 控制器和1 台MCGS 昆仑通态触摸屏。通过生产控制系统的切换给料模式输出功能，可随时在原系统控制给料和西门子1200PLC 控制给料之间切换。通过现场加装的MCGS触摸屏，设置指定腔内料位，在PLC 检测到腔内料位后，对比MCGS设置的料位，通过PID控制调节功能输出频率信号至给料皮带变频器，改变其运行速度调节给料量，形成一个闭环控制效果，使破碎机腔内料位得到稳定控制，系统工作原理见图1。

1.2 硬件组成

由于现场皮带控制已经是变频控制，所以在硬件方面只选择料位计和西门子1200PLC、模拟量输入输出模块以及MCGS触摸屏。

1.2.1 料位计选型

由于圆锥破碎机距离其控制距离较远，电压型的料位计料位信号传输会有一定的衰减，从而影响数据准确度，故料位计选择4～20 mA 电流型仪表。考虑控制系统的准确度高要求，料位计品牌选择VEGA雷达料位计。

1.2.2 料位计安装

因料位计是为了测量腔内高度，故料位计需垂直安装在破碎机进料斗附近并固定牢靠（图2）。

1.2.3 控制器选型

在西门子1200PLC 系列选型中，选择西门子S7-1200 CPU1214C。由于料位计信号是4～20 mA 输出型，西门子S7-1200 CPU1214C 的2 个模拟量输入通道只有0～10 V 输入的功能，同时PLC 需调节变频器频率，故该设计系统中需添加模拟量输入输出模块，选择SM1234或其他电流型模拟量输入输出模块

1.2.4 HMI选型

MCGS 触摸屏选择带有以太网接口的型号，方便与1200PLC通讯，故选择TPC1061Ti。

1.3 控制器I/O分配设计

对于该圆锥破碎机稳定给料系统而言，电控系统设计需按照规定的流程设计，通过工艺分析和控制内容设计，对该加装系统进行I/O 分配设计。由于皮带启停和破碎机启停均是生产控制系统控制，故未设计相关点位。I/O分配设计见表1。

1.4 硬件接线设计

根据输入输出点进行接线设计。数字量输入部分只要2 个功能信号，I0.0 是生产系统切换至PLC 控制的信号，I0.1取到给料皮带运行信号，这2个点接在1200PLC 上，供电采用24 V 直流。AI为料位计4～20 mA 信号，AQ 为PLC 计算出的频率输出给定信号，同样为4～20 mA，这2个点接在SM1234模块上，该模块供电和1200PLC为相同电源。系统硬件接线见图3。

1.5 程序流程的功能设计

按照设计的程序流程可知，当通过生产系统切换至西门子1200PLC 给料时，即选择自动调节，通过PID 运算，将料位给定信号和料位反馈信号进行差值比较，通过PID 的比例系数、积分时间以及微分时间设置，进行变频器的PID 控制输出，PLC 输出频率调节信号至给料皮带变频器，变频器控制调节给料皮带速度。控制流程见图4。

1.6 PID控制原理分析

PID 控制算法是结合比例、积分和微分3 种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法。该控制算法适用于被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行经验和理论表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。

PID 控制原理是闭环控制，闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准进行纠正。例如在设计的给料方式中，控制破碎机腔内料位，就得有一个测量料位的传感器，并将结果反馈到PLC中。

1.7 控制程序设计

1.7.1 硬件组态

打开博图V15.1 新建项目，添加硬件信号相同的CPU1214CDC/DC/DC 和模拟量输入输出模块SM1234，并设置模拟量输入通道0和输出通道0为电流型输出，输出电流范围4～20 mA。

1.7.2 程序设计

首先创建变量表，将各变量进行取值命名，把设定高度和输出频率创建在DB 块中，并设置成保持，防止PLC 在断电重启后高度设定数据丢失，导致给料皮带无法运行。

根据采样执行周期，需要创建OB30 循环组织块，中断通过“循环中断”OB可定期启动程序，而无须执行循环程序。从OB30 调用PID 主要是0B30 以固定周期运行，数字化PID 的采样周期T 必须是等间隔的，所以要用定时中断来触发。在OB30 组织块中，调用PID_Compact指令。

右键PID 指令选择属性，对指令进行组态。将控制器类型设置为长度，单位为cm。在CPU 重启后激活Mode 前打勾，并选择自动模式。Input/Output 参数中将SETPOINT 设置为设定高度，选择Input 设置为破碎内料位厚度，选择Output_PER（模拟量）设置为输出信号，即为变频器频率给定信号（图5）。

将过程值设置中的上下限设置为料位计的测量量程，该量程为破碎腔内到料位计安装高度，这里设定为180 cm。最后在PID_Compact 指令中的Manual Enable 引脚处插入I0.0 和I0.1 常闭点，该引脚作用是接通启动手动调节模式，断开启动自动调节模式。如果生产控制系统未切换至PLC 控制给料和给料皮带停止时，则采用手动调节即无输出，只有生产控制切换至PLC控制给料及皮带运行时，断开Manual Enable引脚执行自动调节（图6）。

在OB1 中调用标准化指令和缩放指令，根据料位计反馈的4～20 mA数据计算出破碎机内料位厚度和PID运算出的频率输出。

打开左侧项目树工艺对象，选择PID 组态，进行高级设置。高级设置中只设置过程值监视和输出值限制即可。为防止破碎机腔内料位过高导致设备过载，所以设置警告上限为130 cm，警告下限为0 cm。考虑到破碎机给料皮带为重载启动，且给料量过快会使破碎机腔内急剧上涨易导致设备过载，故设置PID 输出上限为36%，即给料频率输出上限为18 Hz，输出下线设置为0。

将编写好的程序编译下载至PLC 中，打开项目树工艺对象中的PID_Compact，双击调试，打开调试界面。从生产控制系统将给料皮带开启并切换到PLC 给料控制模式，I0.0 和I0.1 触发信号使得PID 指令启用自动控制模式，然后点击Start，直接启动精准调节，系统会自动计算PID参数。调节状态显示完成后，点击PID 参数上传，将计算出来的参数数据下载至PLC完成项目调试（图7）。

1.8 MCGS触摸屏组态设计

1.8.1 MCGS画面创建

新建项目选择触摸屏型号TPC1061Ti，打开设备窗口，从设备管理中添加通用TCPIP 父设备，添加Siemens_1200。设置本地IP，触摸屏设置为192.168.0.100，设置远端IP，设置为192.168.0.1。由于显示数据不多，先点击右侧删除全部通道，再快速连接变量，选择默认变量，连接点击确认即可完成设备窗口组态。完成设备窗口组态，选择用户窗口新建窗口，绘制触摸屏控制及显示画面（图8）。