选矿厂磨机给矿自动控制系统设计研究

选矿厂磨机给矿自动控制系统设计研究摘要:以给矿控制间路和负荷控制回路组成闭环串级控制系统，内环实现恒定给矿控制，串级实现负荷控制.较好地解决了给矿控制中给矿粒度不定，控制作用滞后等问题。并将PROFIBUS现场总线技术,PLC、组态软件等成功应用于选矿现场，有利干选矿厂综合自动化的进一步实现。关键词:球磨机;申级控制;现场总线;组态;PLC球磨机给矿量自动控制的过程是通过改变给矿变频电机的频率，使球磨机给矿量按设定值的要求变化，在给矿皮带上安装电子皮带秤检测给矿量，采用变频器调节给矿机的频率控制给矿量。然而，由于矿仓内的结矿现象造成了给矿量的波动，而给矿量的波动无法消除也无法预测。另外，按照设备的使用要求，在给矿机与电子皮带秤之间必须有一段距离，这也造成了控制作用的滞后。1工艺简介及问题矿石进出矿仓过程中，会发生自然偏析现象，从而导致矿石粒度的不均，使球磨机给矿粒度不定。当球磨机给矿粒度较大时，返砂量将增多，当装载量超过其负荷时，将发生“胀肚”现象，影响正常生产;反之，当粒度变细时，球磨机负荷量减轻，造成“空砸”。上述两种情况都将降低球磨机的效率，在生产过程中是不允许的。另外，矿石可磨性的变化也会带来类似的问题。同时，还要考虑井下矿石和地表矿石在硬度上的差别，因此，对于这两种矿石应区别对待.传统上通过简单恒定给矿方式对于磨矿过程虽然有好处，但仍存在一些问题。针对上述情况，本文采用将PID调节器和采样调节器有机结合的磨机负荷给矿的控制策略，并将PROFIBUS现场总线、PLC、组态软件等技术应用于选矿现场，实现选矿生产过程的优化控制、优化运行和优化管理，从而提高了金属回收率、精矿品位，减少了资源消耗和操作人员，提高了设备运转率，有利于进一步实现选矿厂的综合自动化。2控制系统构成控制系统是由给矿控制回路和负荷控制回路组成的闭环串级控制系统。图1为给矿控制系统原理图。图1给矿控制系统原理图。内环实现恒定给矿控制，串级实现负荷控制。其中，给矿控制回路由电子皮带秤检测给矿量，通过变频调速器控制给矿机转速，调节原矿给矿量，在给矿量设定值不变的清况下进行恒定给矿调节;负荷控制回路根据电耳传感器检测到的球磨机负荷量变化情况调整给矿量的设定值，使球磨机处于较好的磨矿状态，提高球磨机磨矿效率，增加处理量，保证球磨机的稳定运行。采样调节器、变频器、给矿机和电子皮带秤构成串级系统中的副回路，以改善控制系统的动态性能、提高抗扰动能力;PID调节器、球磨机和检测环节(电耳传感器)构成主回路，保证主被控参数(给矿量)的动态特性和稳态精度。当主被控参数受到扰动发生变化时，作为主调节器的PID将及时修改副调节器(采样调节器)的给定值，由给矿量闭环及时调节给矿量，保证系统的稳定。3控制原理本系统中采用磨机负荷给矿，即串级控制，利用负荷检测仪(电耳传感器)对球磨机装载量进行测量，同时利用电子皮带秤对磨机的瞬时给矿量进行在线自动测量。PID调节器和采样调节器为常规控制算法。当磨机装载量在规定的范围内时.PID调节器将保持输出不变，并将此值作为给矿量的设定值，由采样调节器对给矿量实现闭环调节，使给矿量保持相对稳定。给矿量的调整是通过变频调速器改变给矿机转速来实现的，当磨机装载量超出规定范围时，PID调节器根据其变化情况，适当调节给矿量的设定值，由采样调节器按改变后的设定值对给矿量进行闭环调节，使磨机给矿量维持在新的量值上，从而使磨机装载量回到规定的范围内。这样既保证了磨机装载量处于最佳状态，又保证了给矿量的相对稳定，从而为下一道工序创造了更良好的条件。球磨机装载量的设定值及允许波动范围根据现场工况由工人设定。根据现场测试，系统从开始调节频率到电子皮带秤检测到矿量变化需1.0-1.5min,滞后时间较长，若采用常规的PID算法，对被控参数偏差的控制不能及时地实时反映出来，造成控制超调、甚至发生振荡。本系统采用采样控制方式，按偏差进行周期性断续控制，当调节输出一个值后，保持该值不变，直到滞后时间到达，控制作用才在被控变化中起作用，并根据偏差大小进行下一步的动作口在此控制过程中，控制周期T≥滞后时间t。同时，为实现无静差，使用P1算法;为减小超调量，缩短调整时间.采用积分分离对PI算法进行优化，使误差减小到一定范围时，积分项才起作用。4现场总线设计方案该系统除具有球磨机给矿自动控制功能外，还需要实时监控工艺流程，完成报表、统计、远程浏览等其它功能。根据以上控制系统的特点和要求，采用基于现场总线的监督控制与数据采集系统，网络结构如图2所示。选择西门子S7-300系列PLC(CPU315-2DP)作为主控制器(主站点).主站点之间通过CP342-5通讯处理模块与PROFIBUS现场总线进行信息交互。选择E1200M模块作为远程1/0(从站点)，它与主站点间也通过PROFIBUS现场总线进行通信，构成了三层网络结构的控制层。另外，根据车问的实际情况，可以在多个球磨机组之间设置多个远程l0从站点，实现与主站上位机间的数据通信。本系统中选择的西门子S7-300系列PLC(CPU315-2DP)，安装在低压配电室，根据选矿厂磨浮车间现场的实际布局，选择3块ET200M模块作为远程l0，实现给矿、球磨机现场操作和状态指示等。CPU与远程VO之间通过PROFIBUS-DP接口通讯，完成球磨机的给矿自动控制。在控制室设操作计算机两台(OP站I和OP站2)，互为备份。两台计算机上安装CP5611通讯板卡，在PLC上安装CP342-5通讯处理模块，三者之间通过PROFIBUS总线进行信息交互。两台操作站主要实现给矿系统工艺流程和工艺数据实时显示.实时监控球磨机的运行情况，如给矿量、负荷曲线、运行时间、轴承温度等关键参数，另有查询、历史曲线、报警、参数设置、报表统计等功能。在控制过程和网络通讯中，PLC程序周而复始捅环执行，通过PROFIBUS网络，通讯程序将PLC程序中指定的变量或参数，经DP网络传送至多个站点，实现对现场设备的自动控制。控制室另设服务器一台(Server)，通过交换机(Switch)可与车间主任、车间调度联网，从而可以使管理层及时了解生产和设备的运行情况。图2自动监控与管理系统网络拓扑图采用该系统网络结构的特点:(1)由于采用了PROFIBUS总线和使用了ET200M远程UO模块，只要一根通信线就可以实现现场UO信号和PLC之间、PLC与上位机PC之间的连接，大大减少了接线工作量，缩短了施工时间，也使得整个系统更为简洁可靠。PROFIBUS通信速率高，最高可达12Mbps，最大传输距离可达1000M.通过中继器，通信距离还可以延伸，便于将来扩展。(2)由于采用PLC，所以对系统的连锁、保护等以开关量为主的处理极为方便。该种类型PLC对模拟量输人输出的处理能力也很强，可直接连接多种类型的传感器，适用于测量给矿量、温度、压力等多种类型信号，完全满足磨矿系统对模拟量的处理要求。(3)PLC采用模块化编程，通过组织块(OB)、功能块(FB),数据块(DB)等模块之间的调用，可以实现复杂的控制算法，而程序结构仍很简捷。(4)通过以太网，生产调度、企业领导可在网上直接浏览车间的生产和设备的运行情况，并可通过报表查询相关历史曲线等，便于管理和调度。5软件设计5.1上位机组态在Windows2000环境下，系统采用组态王6.5开发上位机实时监控界面，主要包括以下部分:(1)主界面。主界面的功能主要是反映球磨机组给矿的实时工作流程。现场上传的数据与组态王数据库中定义的变量对应，通过图形对象与变量之间动画连接类型模拟现场设备的运行，可以直观、动态地显示现场设备参数的变化。(2)信号分析界面。操作人员根据信号分析界面中显示的数据和相关趋势图可以判断产生故障的部位和原因，预测设备未来的运行状态。(3)信息报警界面。信息报警分为实时报警和历史报警。当监控系统中发生符合报警配置条件的实时报警信息时，报警点所属的主界面中会弹出相应的实时报警窗口，同时发出声音报警，直至报警信息确认恢复。历史报警窗口中记录系统运行中的各种报警和事件信息，提供信息查询和打印功能。(4)报表界面。数据报表主要反应生产过程中的数据和状态等，通过对长期的生产过程进行统计可以掌握和分析设备的生产情况。系统采用组态王提供的内嵌式报表系统，根据要求设置报表的格式并对报表进行组态。另外，调用组态王中的系统函数实现报表的打印功能。5.2PLC编程通过STEP7，用户可以进行系统配置和程序的编写、调试，完成PLC的硬件组态、控制PLC的运行状态和v0通道的状态等。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块(FB,FC)和数据块(DB)构成。其中OB用于控制程序的运行，是下位机软件系统的总控模块，可以在OB中编写实时数据采集程序，也可以编写给矿量、温度、浓度的应用程序。FB,FC是用户子程序，DB是用于存取数据的存储区，该系统中它是组态软件与STEP?程序的数据接口点。图3为下位机软件模块结构图。图3下位机软件模块结构图6结论球磨给矿过程具有多变性、非线性和时滞等特点，将采样调节器与PID调节器有机结合，运用到球磨给矿自动控制中，在充分发挥常规PID控制优点的同时，实现了参数的在线调整，提高了系统动态和静态性能，较好地满足了生产要求，同时结合PROFIBUS砚场总线、PLC、组态软件等技术应用于选矿现场。可靠性高，扩展性好，具有很好的应用推广价值，有利于选矿厂综合自动化的进一步实现，经济效益显著。参考文献[1]周俊武，孟昭才，潘远鸿.西林铅锌矿磨机给矿控制系统的研究[J]矿冶，1994,[2]高素萍.选矿厂的DH+网络H动监控与管理系统[J]冶金自动化.2005,[3]陈夕松，王露露，张建新.NordbrrgHP系列破碎机给矿自动控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置2004,