基于PLC的磨礦分級自動控制系統設計

摘 要：針對磨礦分級過程人工操作勞動強度大，分級精度較低等特點，文章設計了基于S7-200PLC的磨礦分級自動控制系統，主要包括控制系統的硬件設計和軟件設計，并設計了上位機監控界面，實現磨礦分級的自動控制和遠程控制。實際運行結果表明，該系統調節速度快、穩定可靠，實現了管控一體化，提高了磨礦分級的產品質量和企業的經濟效益。

關鍵詞：磨礦分級；PLC；PID

中圖分類號：TD453 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0018-02

磨礦分級過程是將礦石經過磨礦處理成細粒度級的顆粒，是選礦廠最重要的生產過程之一，影響選礦生產的關鍵環節。為了提高磨礦效率、節能降耗、提高有用礦物的精礦品位和提高選礦廠的經濟效益，實現磨礦分級的自動控制具有十分重要的意義。本文以西門子S7-200PLC為控制核心，設計了一套基于PLC的磨礦分級自動控制系統，實現了漿池液位和供漿旋流器壓力自動控制，并通過上位機監控界面實現遠程監控。

1 磨礦分級控制系統

1.1 磨礦分級的工藝流程

系統工藝流程圖如圖1所示。系統由球磨機系統、旋流器及漿池供漿控制系統組成。漿池供漿控制系統實現漿池液位的恒定及供漿旋流器壓力恒定的功能。

1.2 PID控制實現

PLC的PID控制器的設計是以連續系統的PID控制規律為基礎，將其數字化寫成離散形式的PID控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。

連續PID閉環系統如圖2所示，圖中Sp（t）是給定值，Pv（t）是反饋量，C（t）是系統輸出量，連續的PID控制的輸入輸出關系為：

M（t）=KP[e（t）+■■e（t）dt+■de（t）/dt]+M0（1）

式（1）中，M（t）為控制器的輸出量，M0為輸出的初始值，e（t）=sp（t）-pv（t）為誤差信號，KP為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

假設采樣周期為Ts，系統用矩形積分近似精確積分，用差分近似精確微分，將（1）離散化，得到離散的PID控制的輸入輸出關系為

Mn=KP en+（t）+Ki■ej+Kd（en-en-1）+M0（2）

式（2）中，en-1為n-1次采樣時的誤差值，KP為積分系數，Kd為微分系數。

基于PLC的閉環控制系統如圖3所示，其中Spn、Pvn、En、Mn分別為模擬量在Sp（t）、Pv（t）、E（t）、M（t）在第n次采樣時的數字量。

1.3 液位及壓力控制

在實際系統中，泵池液位過低，容易出現抽空現象，嚴重影響旋流器的正常工作，抽空時旋流器入流全部從沉砂口出，起不到分級效果。泵池液位過高，容易出現溢出，因此，泵池液位必須控制在一個適當的范圍內，泵池液位通過超聲波液位計檢測，并通過跟蹤控制泵流量實現漿池液位的控制。其控制回路如圖4所示。

旋流器壓力通過變頻器調節渣漿泵的轉速實現控制。如果旋流器實際壓力大于給定壓力，PLC控制循環泵的轉速減小，即可控制旋流器壓力。其壓力控制回路如圖5所示。

2 控制系統硬件設計

監控系統的硬件主要由現場設備（包括檢測設備與執行設備）、主控設備（S7-200）及上位機三部分構成。

檢測設備主要包括各種傳感器、變頻器、比例調節閥等，傳感器將現場的非電學量信號轉變為電學量信號，變換為標準信號傳送到PLC，執行設備接收PLC送來的控制信號，控制變頻器、電磁閥等進行相應的動作，完成控制功能。

檢測的開關量信號主要包括變頻器運行信號、自動/手動等信號；輸出的開關量信號主要為現場指示燈信號，變頻器控制信號等；檢測的模擬量信號主要包括液位計、壓力計、變頻器等送來的模擬量信號；模擬量信號的輸出主要包括變頻器頻率等信號。

系統的模擬量輸入包括旋流器壓力、漿池液位、比例調節閥開度、變頻器電流及頻率共5個量。考慮監測點的預留量，選擇2塊4通道的EM231模擬輸入模塊。模擬量輸出包括變頻器給定頻率、比例調節閥給定開度2個量，選擇一塊2通道的EM232模擬量輸出模塊，見表1。

系統數字量輸入包括手動/自動、變頻器運行信號、變頻器故障信號燈等6個運行反饋信號，數字量輸出包括系統運行、系統停機、系統報警等4個控制顯示信號，CPU224模塊自帶數字量模塊。

3 控制系統軟件設計

系統軟件設計主要包括PLC控制程序和上位機監控界面兩部分。

3.1 PLC控制程序設計

PLC控制程序的設計在Step7編程軟件環境下完成，主要包括硬件配置及參數設置、通信定義和用戶控制程序的編寫等。本系統的控制程序主要由主程序和供漿旋流器壓力控制、泵池液位控制等構成，系統主體流程圖如圖6所示。

液位控制與壓力控制采用西門子自帶的PID指令功能塊實現，可以使用PID調節控制面板來對PID參數進行整定，調節控制面板如圖7所示。可以根據工藝的要求對PID的比例、積分、微分值進行設定，圖中可顯示過程值、設定值及輸出值的PID趨勢圖。

3.2 上位機監控界面

上位主機采用Windows XP操作系統，設計了主界面、磨礦監控界面、數據查詢界面、趨勢界面、報警界面等。實現了磨礦分級過程中各個設備的啟停控制，參數設定，數據生成，設備狀態顯示及報警顯示，生成報表及打印等功能。通過設定安全機制，防止無權限人員隨意修改數據，保證系統運行的安全可靠。上位機監控主界面如圖8所示。

4 結 語

本系統針對磨礦分級生產的工藝和控制要求，利用PLC在工業控制應用中的可靠性，上位機監控界面的實用性、易于遠程控制及系統擴展的靈活性，設計了基于西門子S7-200PLC的磨礦分級自動控制系統，實現了磨礦分級生產的自動化。運行結果表明：該系統可實時準確地調節操作參數，進而提高磨礦分級的工效和產品質量，降低了故障率和能耗，節約了大量的人力資源，減輕了勞動強度，經濟效益顯著。

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