礦漿均密攪拌控制方法研究

高沖， 姜磊， 馬學毅， 張興華， 王世杰

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽110870；2.北方重工集團 礦山機械分公司，沈陽 110870）

0 引 言

礦漿攪拌裝置是礦漿攪拌成套設備中的重要組成部分，在礦業生產中得到廣泛應用，在醫藥、化工、材料合成行業的生產線中也十分常見［1］。為保證礦漿攪拌效果，現多采用攪拌裝置配置高功率的電動機的方法，但礦漿的高濃度、高黏度、高密度等特殊屬性，使得攪拌裝置雖然盡可能地減少沉槽的發生，但是不可避免地增大了功耗，降低了生產效率［2］。除此之外液位增加時,主軸自然壓力隨著減小，但相應增加了提升礦漿所耗的電能以及減小了攪拌器的有效容積,這也不利于礦漿攪拌裝置工作。針對上述問題開發了一種基于PLC的礦漿勻密攪拌控制系統，實現系統通過檢測攪拌礦漿濃度，調節電機輸出轉速，達到實時調節攪拌強度、保證排料濃度的目的。

1 礦漿攪拌裝置的設計原理

礦漿攪拌裝置工作的最終目的在于提高礦漿的攪拌效果。大型金屬礦漿攪拌裝置的攪拌目的是將固、液兩相物系非均相分散，使其處于懸浮狀態［3］。此類攪拌裝置的攪拌效果可以由濃度的高低來表示。在物料添加量相同時，顆粒的軸向濃度隨著攪拌裝置的轉速的升高而提高［4-5］。這是攪拌裝置的電機輸出高轉速，為設備提供較高的攪拌動力，混合物料在高攪拌動力的作用下，能夠攪拌得更加充分均勻，使物料在槽底堆積量降低。當礦漿濃度低時就表明需要提高礦漿攪拌強度。本裝置就是根據此原理進行設計的。

具體應用中，根據DF-6420超聲波濃度計的工作原理是當超聲波在礦漿類懸浮液中傳播時，根據礦漿中固體量的多少及粒子大小與其振幅變化的關系，測量超聲衰減量得到相應濃度值。根據聲學原理，平面超聲波在礦漿中傳播時，其電壓E的變化可用下式表示：

式中：Er為發射電壓；α為衰減系數；L為傳播距離。

懸浮粒子引起的衰減率可由下式求得：

由浸入式傳感器接受到的聲波幅度將伴隨礦漿濃度的增加而衰減，因此聲波幅度對應轉換后的電壓值也隨礦漿濃度的增加而衰減，將濃度-電壓衰減曲線經過標定后，即可從測量電壓得到濃度值。因此，濃度輸入信號通過PID算法控制，根據濃度與電機轉速的線性關系，通過指令調節輸出的模擬量信號給變頻器，從而控制電機。

2 PLC控制系統硬件設計

2.1 控制要求

在攪拌裝置側壁安裝有液位開關，上液位開關ST1、中液位開關ST2、下液位開關ST3；KM2、KM3分別為進料電磁閥和出料電磁閥。

1）在初始狀態下，容器為空，向容器內添加礦漿，此時啟動攪拌裝置可以由人工當按下開關SB1，KM線圈得電，變頻器和電機接入三相交流電源，攪拌裝置啟動；也可以直接向裝置內加入礦漿，當液面到達下液位開關時，下液位開關動作，攪拌裝置啟動。

2）當礦漿液面高于出料口高度，則上液位開關動作，此時進料電磁閥閉合，以降低液面。當液位降低到中液位開關以下，進料電磁閥恢復到原有的通路狀態。

3）超聲波濃度測量排出礦漿濃度，通過PID控制，根據電機轉速與排料濃度的擬合曲線所得的數量關系，相應輸出電機轉速，保證排出礦漿達到要求范圍。

4）當變頻器故障時，開關動作，KM線圈失電，指示燈顯示變頻器發生故障，變頻器與三相交流電源中串聯的KM開關斷開，變頻器失電，起到安全保護的作用。

圖1 礦漿勻密攪拌控制裝置系統硬件接線圖

2.2 硬件電路的設計

按照控制要求，以西門子S7-300系列PLC為例，設計的PLC與變頻器組成的控制系統硬件接線圖如圖1所示，I/O分配表如表1所示。系統主要由以下3個功能模塊組成：1）控制模塊。S7-300系列產品具有高性能的中央處理器，其各種性能的模塊可以很好地滿足和適應自動化控制任務。簡單實用的分布式結構和通用的網絡能力，使得應用十分靈活，當控制任務增加時，可以自由擴展［6］。2）檢測模塊。濃度采用超聲波濃度測量計采集礦漿攪拌裝置內的模擬量信號，速度傳感器檢測電機的實際輸出電壓信號，不斷調節轉速至要求范圍內。3）執行機構。包括變頻器、電機、電磁閥等。整個工段的控制系統主要完成了對現場數據的采集、濾波；采集的模擬量信號通過控制回路中PID（比例、積分、微分）參數的設置及控制以及其與速度的數量關系的設定計算；液位控制閥等功能。

表1 系統輸入/輸出信號地址分配表

圖2 控制系統工作原理圖

3 控制算法和軟件設計

該裝置涉及多種控制，下面將著重講述濃度控制部分。在實際應用中對礦漿濃度使用閉環PID控制，PID是典型的閉環控制算法，是連續系統中應用最成熟、最廣泛的調節方式［7］。本裝置是通過電機轉速與礦漿濃度的關系（用W表示），在每次PID循環中相應地調節電機轉速，由于控制器輸出的控制信號是用于完成礦漿攪拌裝置的轉速的調節，即其輸出值與轉速的大小一一對應的關系，故采用位置式PID算法。PLC控制系統設計原理圖如圖2所示。

其中PID控制器的原理表達式為

式中：t為時間；u（t）為 PID 算法的輸出；e（t）為系統設定值與過程檢測值的偏差；Kp為放大系數 （增益或放大倍數）；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

PLC控制程序的PID算法采用的其內部自帶的指令功能塊來執行，PID回路的編號、給定值范圍、比例增益、采樣時間以及積分時間，對濃度進行PI運算。按照設定的采樣周期來執行PID功能塊。

圖3為控制系統工作原理圖。當向導參數設置后，自動生成第X號回路的初始化子程序、中端程序、符號表和數據塊。圖4為PID初始化指令，完成對PI運算的采樣時間、比例增益、積分時間和微分時間等的初始化。

圖3 系統控制流程圖

圖4 PID初始化指令

4結 論

礦漿均密攪拌裝置系統，將濃度和轉速模擬量檢測信息及液位開關數字量信息傳送至PLC控制系統進行相應計算及控制，達到了根據工況需求調節攪拌強度、安全控制液位、保證排料質量的目的。該系統是在原有設備基礎上進行改進，應用方便、結構簡單，符合節能理念，并為攪拌裝置提供適當的攪拌空間，實現了對礦漿濃度的自動控制。

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［4］ 楊峰苓，周慎杰，張翠勛，等.無擋板攪拌槽的固液懸浮特性［J］.四川大學學報，2012（4）：185-190.

［5］ 王淑嬋，張延安，張超，等.種分槽改進Intermig槳攪拌性能的實驗研究［J］.過程工程學報，2011（2）：204-208.

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［7］ 馬明，陳海峰.基于PLC的真空擠磚機進料濕度控制系統的設計［J］.機械設計與制造，2011（1）：36-37.