磨礦控制系統中西門子PLC的應用分析

郭天舒 張寶秋

摘 要：文章主要對磨礦控制系統中PLC的應用進行了詳細的分析論述，通過對控制系統的主要程序以及結構的介紹，分析了PLC在磨礦系統中的構成。

關鍵詞：西門子PLC；磨礦控制；PROFIBUS

1 球磨機工藝概述

某鐵礦選礦廠車間在磨礦工藝流程上均選用了兩段式閉路磨礦工藝。設備通過給礦機將入磨礦石運送至集礦皮帶，再由集礦皮帶轉到給礦皮帶，最后送入球磨機，完成一段磨礦作業。在一段磨礦完成后礦石繼而進入螺旋分級機，由分級機進行一次分級，在分級后予以反砂再次進入球磨機。后進入二段螺旋分級機，該螺旋分級機為沉沒式分級機，通過二次分級后，再次反砂，從螺旋分級機進入到二段球磨機中進行磨礦，完成二段磨礦處理后，由球磨機排礦，再由二段分級機予以分級，后再次反砂進行再磨。磨礦的產品分級通過二次分級溢流完成，以上步驟完成后進入浮選脫硫工序。

粒度作為磨礦工序生產的重要參數，在整個生產過程中，只有保證粒度維持在一定范圍中，才能使得浮選工作順利進行。若粒度級別過大，則會造成很多成分無法得到分離，若粒度級別過小，則會提高在磨礦作業中的能耗、材料消耗，并且尾礦處理工作量也隨之加大。

2 系統設計

通過對工藝的了解，在原有的控制系統基礎上進行了改造，加入了西門子PLC作為系統的控制器，該種控制器具有可編程性，因此擴展了系統的數據存儲量，并加大了系統的測量以及控制參數范圍。通過對車間信號以及配電室信號的采集點布局的實際了解，為提高系統通訊的可靠性以及便捷性，該系統需要增設信息采集站點。設備之間聯鎖關系變得更加緊密，例如以給礦皮帶、潤滑油泵、集礦皮帶、分級機和磨機、給礦機為例，上述系統便是典型的以電機的互鎖控制以及啟停作為聯系的系統。因此以粒度控制實現作為目標，需要對入磨臺時以及礦漿的粒度值、給水量等進行實時的檢測，并通過變頻器以及調節閥對上述參數予以控制、調節。

2.1 控制設備簡介

控制過程在該系統中相比較其他控制系統較多，主要過程為給礦控制、加球控制、反礦水控制以及油泵控制、溫度控制和啟動停止控制。由于需要進行控制的信息量過大，因此對系統進行調研后，選用以下控制器件。

上述系列中中央控制單元選擇了西門子控制單元，該單元內部具有一百二十六個定時器，僅10ms便可以完成1000條指令的掃描，現場的實時控制要求完全可以通過該控制單元完成。并且DP網絡可以利用其結構中的DP接口作為主站，具有較大的傳輸速率。此外RAM可達64KB，還提供128個模擬量IO以及IO通道1024個。

在控制系統中粒度儀是用來檢測粒度的重要設備，其性能的好壞直接會對磨礦控制效果造成影響。本系統的粒度儀選用芬蘭選用芬蘭Outokumpumintecoy公司的生產的PSI200粒度分析設備，能夠直接應用在磨礦環境。控制粒度儀主要通過對取樣閥、泵以及回流閥、攪拌機以及礦液池液位進行控制完成粒度的控制，并且由于其控制單元較少，因此中央控制器選用了CPU314降低了成本。

2.2 PLC軟件設計和功能概述

啟動和停止球磨機是一個較為復雜的過程，在啟停前需要操作柜以及控制柜的開關操作必須到位，且控制系統的輔助設備達到球磨機啟動和停止的要求狀態，保證設備的相關啟停動作按相關操作順序完成。由于PLC的邏輯控制相對比傳統的人工操作失誤率更小，使得系統更加可靠。

模塊化變成是PLC的主要特色，通過對功能模塊、數字模塊以及組織模塊的調用，控制算法才得以實現，且PLC呈現出的程序結構較為簡單。在進行軟件的設計前，需要在相關軟件中對硬件進行組態。PLC的STEP7對硬件的組態便是對實際的硬件系統進行模擬的過程，通過該軟件將電源、CPU、信號設備對應安裝到機架上，對硬件參數予以修改和設置。并通過該軟件對未用模擬量的輸入通道予以屏蔽，以此降低了掃描所用的時間，并將未用通道在硬件上進行短路，以提高系統實施處理性能。

2.2.1 抗干擾

在進行AD至DA的轉換中，PLC系統對數值的讀入為模擬值的讀入，例如電壓信號的讀入、電流信號的讀入等，系統的模擬模塊會直接將讀入數值自動的轉化成無量綱數值。并且為方便上位機顯示以及PLC編程，應當將這些無量綱數值再次進行轉化，變成有量綱數值。同理，若模擬量需要輸入，那么需要對輸出值進行轉換，將其轉換成可以輸出的無量綱數值。在PLC系統的STEP7中，可以通過對FC106UNSCALE以及FC105SCALE兩個模塊的模擬量量程、反量程轉換，對系統中的數據進行量化，使得數據能夠滿足控制算法的標準。

在磨礦的過程中，會產生很多干擾信號，并且模擬信號的輸入中就會摻雜有干擾信號，因此需要對干擾信號進行濾波。例如對磨機運行狀況的檢測是通過電耳完成的，但環境中過高的噪聲會在檢測結果中摻有干擾信息，因此若想獲得可靠的數據結果，需要在硬件中加入濾波設施進行濾波。除此以外，在軟件上的數字濾波也是處理干擾信號的有效方式。STEP7軟件中具有LEADLAG功能模塊，該模塊能夠調整輸出同輸入之間的時間差，因此可以看做帶通濾波器的一種。

2.2.2 工藝參數的傳送

制定數據塊DB，作為接受上位機的信息存儲區。在控制過程中，當PLC接受上位機傳來的工藝參數后，須將其內容傳送至指定數據區。西門子PLC的STEP7軟件提供了SFC20BLKMOV功能塊，可完成將源區域的數據傳送至目標區域，但在實際應用中，須注意兩區域不能有相互重疊的部分，且一般要保證兩區域的大小相同，數據類型一致，否則容易導致數據傳送出錯。

2.2.3 速率保護

在磨機控制系統中，對一些重要參數必須時刻監控，確保系統的穩定運行。除了設定監測參數變化是否超出范圍，還需通過其變化率來判斷設備運行的狀態及趨勢。例如給礦量的變化，磨機大瓦溫度，工作電流、粒度變化等。因此，設計了變化速率保護功能模塊FC，PLC每一個控制循環都對這些重要參數模擬量進行監測，并判斷是否超出系統預先設置的范圍。若參數變化率超出設定范圍，則系統報警并啟動相應的故障處理機制。

3 PLC控制系統網絡構成

以一個系列為例，PLC控制系統由SIMATICS7-300為主站，ET200M遠程IO為從站，并配以PROFIBUS網線組成。PLCS7-300主站的CPU上DP口可直接與遠程IO從站ET200M上的通訊模塊IM153通過PROFIBUS網線相連，傳輸協議為PROFIBUS協議。PLC通過PROFIBUS總線同分散的設備交換數據，其過程是周期性的。上位機PC通過通訊卡與PLC通訊，采用密碼通信與校驗，避免信號干擾?？刂七^程和網絡通訊中，PLC程序周而復始循環執行，通過PROFIBUS網絡通訊程序將PLC程序中指定的變量或參數，經DP網絡傳送至多個站點，實現對現場設備的自動控制。該方式中，數據的傳送與接收簡化為對PLC變量V區內的IO數據映射區的讀寫操作，編程簡潔。此外，通過交換機Switch還可與車間主任、車間調度聯網，從而使管理層及時了解底層的生產和設備運行情況，實現企業生產的管控一體化。

4 結束語

該控制系統在我國的寶鋼集團得到了成功應用，通過其實際的應用效果看，其令集團的經濟效益得以提高，因此在生產中具有相當高的推廣價值。

參考文獻

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[3]王洪猛.基于PLC的過程控制系統設計與實現[J].自動化技術與應用，2004，23（7）：25-27.

作者簡介：郭天舒（1985，2-），男，現任北方重工集團電控液壓設備分公司，助理工程師。

張寶秋（1963，8-），男，現在北方重工集團電控液壓設備分公司，工程師。