浮選機礦漿液位過程控制系統優化

摘 要：鹿鳴公司浮選過程液位控制系統，包括浮選機液位控制和充氣量控制，浮選機液位控制包括液位檢測，礦漿閥門調節；充氣量控制包括充氣氣體流量檢測，充氣閥門調節及浮選機軸承溫度監視。文章主要介紹浮選機液位控制和通訊保護。

關鍵詞：浮選機；液位控制；泡沫層厚度；PID控制；通訊

1 概述

鹿鳴公司320立浮選槽是迄今為止亞洲最大的鉬選礦浮選設備，是國內最大的單系列選礦工藝流程，浮選槽液位控制是直接影響選礦回收率的核心工段，超大型浮選槽實現液位平穩控制、溢流泡沫穩定控制是自控專業的難題，浮選給礦的滯后性和慣性擾動往往帶來浮選槽流程液位的大波動，充氣量的大小，藥劑添加量的多少直接影響泡沫生成的穩定性，從而影響精礦回收率、精礦品位指標。現代大型選礦工藝大多采用DCS對現場設備進行集中控制，減小勞動強度，提高控制效率，因此對現場設備與DCS的通訊穩定性提出更高要求。

2 浮選過程控制系統

2.1 液位過程控制系統組成

浮選槽液位檢測：采用浮球桿式激光液位計，由浮球、激光液位測量儀，支架等組成，浮球桿最低位置到溢流堰距離為最大測量量程1000mm，槽體液位變化，泡沫厚度即為1000減去礦漿液位值，如圖1所示。激光液位測量儀4線制傳感器，4-20mA信號輸入PLC模擬量通道，監測實時礦漿液位和泡沫層厚度。由于浮選槽內的礦漿含有大量的泡沫并且波動很大，對液位測量帶來不利的影響，因此在測量筒增加沖洗水消除氣泡和礦漿泡沫。

礦漿椎閥氣動執行器：控制部分采用ABB氣動智能執行器，由氣動執行器控制氣缸上升和下降來控制錐形閥的開度，氣動執行器用螺桿連接閥桿，實時檢測閥門開度反饋。PLC模擬量通道輸出4-20mA信號給氣動執行器，控制閥門0-100%開度。

2.2 充氣量控制系統

充氣流量檢測：采用E+H一體式氣體質量流量計實時測量充氣量，4線制24V供電，4-20mA信號輸出送至PLC模擬量通道。

氣動控制蝶閥：控制部分采用ABB氣動智能執行器，通過PLC輸出4-20mA信號控制執行器，執行器控制氣缸動作調節蝶閥開度，閥體軸桿連接執行器反饋桿從而至執行器實時檢測蝶閥開度反饋。

2.3 PLC過程控制硬件組成

選用S7-200 CPU224模塊作為控制模塊；3個EM235模擬量輸入輸出模塊，采集1個液位計、2個椎閥開度反饋、1個氣動球閥開度反饋、1個風流量輸入信號，輸出控制2個椎閥開度，1個氣動球閥開；1個EM277通訊模塊與DCS通訊；一個觸摸屏人機界面，如圖2所示。

3 控制原理

3.1 液位過程控制原理

浮球桿式激光液位計檢測實時礦漿泡沫層厚度，通過設定所需要的理想礦漿泡沫層厚度，計算設定的理想礦漿泡沫層度與實時礦漿泡沫層厚度的差值即偏差，偏差為正時，PLC輸出4-20mA信號給氣動執行器，氣動執行器控制氣缸增大錐閥開度排除礦漿，降低礦漿液位，增大泡沫曾厚度，同理，偏差為負時，執行器輸出4-20mA信號控制氣缸動作減小錐閥開度，提升礦漿液位，減小泡沫曾厚度，PID通過偏差控制閥門動作達到穩態，同時實時采集錐閥開度反饋值和泡沫層厚度值，內置優化算法，預測計算最佳輸出閥門開度從而穩定泡沫層厚度。此PID控制結構避免常規控制方式只依靠偏差達到穩態后，輸出并不會保持不變，而是圍繞設定值上下波動，這就會導致執行機構頻繁動作，縮短其使用壽命，造成泡沫厚度不穩定。偏差大時，PID預測閥門開度，控制閥門快速動作，隨著閥門的動作偏差越來越小，使閥門緩慢接近預測開度，從而避免閥門達到預設值時上下頻繁波動，PID控制結構如圖3所示。

系統控制方式分為現場就地控制和DCS遠程控制，默認狀態為DCS遠程控制，現場就地控制和DCS遠程控制均包括自動控制和手動控制，自動控制狀態下，閥門有一個自動控制或者兩個都是自動控制方式，泡沫層厚度設定值有效，通過泡沫設定值與實際泡沫值的偏差，運用PID運算，自動控制閥門開度大小來穩定泡沫厚度；當兩個閥門都處于手動狀態時，泡沫設定值無效，人工給定閥門開度開控制泡沫厚度。遠程就地切換時，實時的控制狀態和數據將保持不變，現場就地控制時，DCS只能監測現場所有的實時數據變動，DCS遠程控制時，現場亦只能監測DCS的實時改寫數據狀態。檢測到通訊不正常時，只能就地控制，當通訊恢復正常時，自動切換到通訊中斷前的狀態。

3.2 通訊優化

DCS采用霍尼韋爾公司PlantCruise系統，液位過程控制系統與DCS系統通訊采用profibus DP通訊，因此，對通訊的穩定性提出了很高要求，但是在系統運行中，不可避免的出現各種通訊中斷，比如由于通訊讀寫錯誤或者數據堆積導致掉線，系統斷電重啟導致的通訊中斷等情況，因此，在液位過程控制系統中做了保護，當通訊中斷時，液位過程控制自動切換到就地控制狀態，而閥門的手自動控制及閥門開度和泡沫厚度的設置都將保持通訊中斷前的狀態，這樣就避免通訊中斷時DCS的遠程控制自動過度到現場就地控制狀態而不會出現控制紊亂。但是這種保護只是單方面的，系統調試時仍然出現閥門全開全關等紊亂現象，通訊中斷導致系統不可控，針對選礦工藝來說，系統是失敗的，完全不可用。通過現場實時數據監控和分析，通訊中斷時設置的由DCS遠程控制切換到就地控制的保護是成功的，系統調試時仍然出現的閥門全開全關的紊亂現象是通訊恢復時導致的，從通訊中斷開始，DCS讀取的數據不是現場實際值，而是0和1等無效數據，通訊中斷過程中，液位過程控制系統已經切換到就地控制狀態，這些0和1的無效數據并不能改寫現場數據，但是當系統通訊恢復時，液位過程控制系統會自動切換到通訊中斷前的狀態，如果上一狀態是遠程控制，那么第一次通訊讀寫數據時，這些無效的0和1就會瞬間改寫現在的控制數據，所以這是導致閥門全開全關的紊亂現象的根本原因。因此，做了一下保護，在通訊恢復被檢測到時，將禁止立即切換到通訊中斷前的狀態，而是通過延時50秒再恢復到通訊中斷前的狀態，通過觀察分析，50秒時間，足夠DCS讀取現場的真實數據，而系統斷電重啟到恢復需要約45秒時間。因此，通訊恢復時延時50秒后切換到原狀態，DCS讀取的數據已經刷新為現場實時數據，系統將平穩過渡，不會出現紊亂現象。

4 結束語

浮選液位過程控制系統是一個龐大而繁雜的控制系統，通過排礦閥門的控制、給氣量大小的控制、藥劑量的添加控制來控制泡沫層的穩定控制只是表象，控制的本質是控制溢流精礦的品位即有用金屬量的回收率。當然選礦工藝還要考慮人力物力投入與收益的最佳性價比，通過簡化的排礦閥門的控制，給氣量大小的控制，藥劑量的添加控制也能達到控制要求。文章只講述單個浮選槽的液位過程控制，遠程就地切換時，實時的控制狀態和數據保持不變，閥門控制平穩，達到無擾切換效果，通過現場運行，采用DCS集中控制方式提高了控制效率，大大減小工人勞動強度，對通訊的優化使得DCS集中控制方式得到保障，在此基礎上，相鄰多個浮選槽的協同控制將在下一步的優化中得到體現。

參考文獻

[1]趙江穩.西門子S7200 PLC編程從入門到精通[M].電子工業出版社，2013.

[2]于春梅.選礦原理與工藝（高職高專）[M].冶金工業出版社，2008.