基于PLC 的选矿厂浮选机自动化控制系统设计

2023-09-25王永高

自动化与仪表 2023年9期

王永高

（伊春鹿鸣矿业有限公司，伊春 152500）

选矿厂的工作是分选矿物原料，得到符合要求的矿物。选矿厂常用的矿物原料分选设备是浮选机[1]，该设备是依据矿石与粉末间的密度与亲水性，完成矿物原料分选[2]。但普通的浮选机存在生产效率低、故障发生率高等问题。为此，需要设计浮选机自动化控制系统，通过合理控制浮选液面高度与浮选时间等参数，提升浮选机的矿物原料分选效果[3-4]。文献[5]通过C 语言编写应用程序，设计选矿厂浮选机自动化控制系统，采用电气控制根据运行参数采集结果，制定自动化控制策略，完成选矿厂浮选机自动化控制。文献[6]利用浮选液位回路控制算法，制定自动化控制策略，通过人机交互操作界面，呈现浮选机自动化控制结果。以上两个系统的抗干扰性能较差，易受外界因素影响，导致其无法得到较为满意的自动化控制效果，存在一定的局限性。PLC是以大规模集成电路技术，与严格的生产工艺制作完成的，其内部电路具备较高的抗干扰性能[7-8]，且可靠性较高。为此，本文设计基于PLC 的选矿厂浮选机自动化控制系统，有效提升选矿厂的生产效率。

1 选矿厂浮选机自动化控制系统

以PLC 为核心，设计选矿厂浮选机自动化控制系统，该系统的结构如图1 所示。

图1 选矿厂浮选机自动化控制系统结构Fig.1 Structure diagram of automatic control system of flotation machine in concentrator

利用液位计监测选矿厂浮选机水池液位高低，作为浮选机开机或关机的主要依据。利用控制柜将液位计、压力传感器、温度传感器与流量传感器监测到的浮选机相关数据进行整合，并由PLC 的数字量输入模块，传输至PLC 的CPU 内。CPU 利用模糊PID 控制算法，以浮选机系统的液位误差以及误差变化率为输入，输出浮选机阀门开度，经由PLC 的I/O 模块传输至变频器内。变频器依据接收的阀门开度，自动化控制浮选机的阀门。PLC 根据压力传感器、温度传感器与流量传感器的监测结果，自动控制浮选机的开启停止开关、报警开关与手动自动开关。

交换机负责转换PLC 输出的浮选机自动化控制结果，并由触摸屏显示自动化控制结果，通过触摸屏实现人和设备的交互。

1.1 选矿厂浮选机自动化控制系统的I/O 模块

选矿厂浮选机自动化控制系统的PLC 内I/O模块，负责传输中央处理器输出的自动化控制信息至变频器内。I/O 模块的结构如图2 所示。I/O 模块内的单片机型号是STM32F103C8T6，该单片机以精简指令集与哈佛总线结构传输CPU 输出的浮选机自动化控制信息，其实用性较强、成本低、功耗低、抗干扰性能强。通过隔离总线通信电路，确保信息传输过程中的安全性[9]。通过单片机控制信号调理电路，对浮选机自动化控制信息进行放大与滤波处理，滤除控制信息的内部噪声。通过信号隔离电路，将干扰源与控制信息隔离开来，避免干扰源污染浮选机自动化控制信息[10]，影响浮选机的自动化控制效果。I/O 模块信息传输方式是CAN 总线。I/O模块具备较优的信息传输性能，以及强大的信息处理性能[11]。

图2 I/O 模块结构Fig.2 Structure diagram of I/O module

1.2 选矿厂浮选机自动化控制系统的CPU 模块

选矿厂浮选机自动化控制系统的PLC，利用CPU 进行浮选机自动化控制算法的运算，得到自动化控制信息。CPU 的结构如图3 所示。CPU 中通过程序计数器存储浮选机自动化控制指令地址，程序计数器内包含正在执行的浮选机自动化控制指令。在各指令被获取情况下，其存储的指令地址加一。一个指令被获取后，程序计数器会指引CPU 执行下一个指令。PSW 的作用是呈现指令执行过程中CPU的状态信息。累加器用于存储CPU 进行浮选机自动化控制计算过程中形成的中间结果，可加快CPU 的浮选机自动化控制计算速度[12]。寄存器用于暂存浮选机自动化控制指令、数据与地址。IR 的作用是暂时存储CPU 的程序指令。ID 属于CPU 的主要部件，系统执行浮选机自动化控制指令时，需要通过ID 分析控制指令，得到浮选机自动化控制的操作码与地址码，确定CPU 需要输出的浮选机自动化控制指令。暂存器的作用是暂存浮选机自动化控制算法运算过程中形成的数据与地址。

图3 CPU 结构Fig.3 CPU structure diagram

1.3 基于模糊PID 的自动化控制算法

浮选机自动化控制系统中，PLC 的CPU 利用模糊PID 算法，得到浮选机自动化控制信息。以液位计监测的浮选机液位误差e 以及误差变化率Δe 为输入，输出浮选机阀门开度，即浮选机自动化控制信息。当选矿厂浮选机属于连续情况时，模糊PID控制算法的输出结果，即浮选机阀门开度y（t）为

式中：KP为比例系数；TI、TD为积分、微分时间常数；t为时间；λ 为模糊系数。

当选矿厂浮选机属于离散情况时，模糊PID 控制算法的输出结果，即浮选机阀门开度y（n）为

式中：n 为采样序号；N 为总采样次数；H 为采样周期。

为提升模糊PID 控制算法的响应速度，对KP、TI、TD进行改进，改进后的计算公式如下：

根据表1 的模糊规则，利用式（1）与式（2）计算浮选机阀门开度，得到浮选机自动化控制信息。

表1 浮选机自动化控制的模糊规则Tab.1 Fuzzy rules of automatic control of flotation machine

2 实验结果与分析

以某选矿厂的XFD0.5 型浮选机为实验对象，该选矿厂内共包含2 个选矿车间，每个车间的浮选设备参数如表2 所示，技术参数如表3 所示。

表2 选矿厂浮选设备参数Tab.2 Parameters of flotation equipment in concentrator

表3 浮选机的技术参数Tab.3 Technical parameters of flotation machine

在该选矿厂内随机选择1 台浮选机，该浮选机的标准运行温度是40℃，标准压力在1 MPa～2 MPa之间。利用本文系统采集该浮选机的运行数据，以采集的浮选机温度与压力为例，浮选机运行数据采集结果如图4 所示。

图4 浮选机运行数据监测结果Fig.4 Monitoring results of flotation machine operation data

根据图4 可知，本文系统可有效监测浮选机运行数据，由图4（a）可知，该浮选机的温度从开始运行后，逐渐升至40℃左右，该浮选机运行温度始终在40℃附近波动，且波动幅度较小，说明该浮选机运行过程中泵的轴温处于正常运行状态。由图4（b）可知，该浮选机的压力从运行后，始终维持在1 MPa～2 MPa 之间，说明该浮选机泵进出口的压力处于正常运行状态。实验证明，本文方法具备浮选机运行参数监测的有效性。

设置该浮选机初始液位是300 mm，当该浮选机运行至10 s 时，利用本文系统将该浮选机的液位调整至350 mm，分析本文系统的浮选机自动化控制效果，本文系统的浮选机液位与阀门开度自动化控制结果如图5 所示。

图5 浮选机液位与阀门开度自动化控制结果Fig.5 Results of automatic control of flotation machine level and valve opening

根据图5（a）可知，本文系统可有效自动化控制浮选机，在运行至17 s 左右时，本文系统便可将液位控制在350 mm 左右，且自动化控制速度较快，符合选矿厂的生产需求。根据图5（b）可知，在自动化控制前期，该浮选机的阀门开度较小，当需要提升液位时，本文系统可有效自动化控制浮选机阀门开度，令阀门开度迅速提升至55%左右，阀门开度的控制速度在10 s 左右，控制速度较快，且阀门开度的变化曲线较为平滑，无抖动问题，说明本文系统自动化控制的稳定性较强。

在该选矿厂内随机选择3 台浮选机，利用本文系统同时自动化控制3 台浮选机，3 台浮选机的起止时间自动化控制结果如表4 所示。

表4 浮选机起止时间自动化控制结果Tab.4 Results of automatic control of flotation machine start and stop time

根据表4 可知，本文系统可有效同时对3 台浮选机进行自动化控制，经过本文系统控制后，3 台浮选机的高速起止时间，均低于标准时间，说明本文系统可合理控制浮选机的高速运转时间；3 台浮选机的给矿起止时间，均低于标准时间，说明本文系统可合理控制给矿时间，避免出现浮选机内矿物质过多或过少现象；3 台浮选机的分矿起止时间，均低于标准时间，说明本文系统可合理控制分矿时间，提升分矿速度；3 台浮选机的分矿起止时间，均低于标准时间，说明本文系统可合理控制充冲矿时间，加快冲矿速度。综合分析可知，本文系统可有效自动化控制多台浮选机的起止时间，将不同类型的起止时间，均控制在标准时间之内，加快浮选机的工作效率。

在该选矿厂内随机选择1 台浮选机，并在该浮选机运行过程中，添加阶跃响应与方波响应的干扰信号，利用本文系统对该台浮选机进行自动化控制，分析本文系统在不同干扰信号时的自动化控制效果，分析结果如图6 所示。