基于PID調節的磁選柱控制系統優化

周亞軍

(唐山安豐機械設備有限公司)

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基于PID調節的磁選柱控制系統優化

周亞軍

(唐山安豐機械設備有限公司)

為解決磁選柱運行中存在的耗水量高、處理量低等問題，對磁選柱控制系統進行了改進，增加了給水量、給礦量的監測和控制設備，利用PID控制調節磁選柱的給水量和給礦量。通過對比試驗結果表明：在同等條件下，改進后的磁選柱控制系統在耗水量、處理量及精礦品位等方面的工藝指標均具有小幅提升。

磁選柱控制系統 PID調節改造 系統優化 耗水量 處理量

鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業，鐵礦石是鋼鐵工業重要的基礎原料。我國鐵礦石相對較為豐富，然而整體經濟可采儲量有限，多數礦石難以選別，鐵精粉質量不高，不能適應經濟發展對鋼鐵工業的要求[1]。

鐵礦石最主要的選別方法是磁選，磁選工藝簡單、無污染。磁選機作為磁選工藝中最重要的選礦設備，其性能的好壞決定了磁選的效率和效果[2]。磁選機是利用礦物顆粒磁性的差異實現分選的選礦設備。磁選設備的發展很快，磁選柱是一種在鐵礦選廠應用廣泛的磁選機。然而，磁選柱在實際使用中也存在一些問題，如對供水量、給礦量的變化敏感，處理量較低、耗水量較大、精礦品位提升難等。改進磁選柱的控制系統結構，有助于提高選廠處理量、降低用水量，提高精礦品位。

1 磁選柱控制系統存在的問題及原因分析

磁選柱的勵磁系統采用直流供電，共3組7個線圈，從上向下第1個線圈為第1組固定磁場線圈，用于吸附尾礦中的細顆粒；第2到第5個為第2組振動磁場線圈，主要用于破壞磁團聚，將精礦向下吸引；第3組為循環線圈，主要用于將精礦向排礦口吸引。振動線圈和循環線圈在組內從上向下循環上電，交替往復。磁選柱的結構見圖1。

磁選柱上部中心向下給礦，下部給水。控制系統通過線圈在分選空間內產生特定規律的磁場，在重力、浮力、水流沖擊力和磁場力的綜合作用下，使磁性礦物質在多次強烈的磁聚合和充分分散后，與連生體、礦泥和單體脈石分離，精礦下降，尾礦上升隨水流流走，大幅度提高精礦品位[3]。

圖1 磁選柱結構

在磁選柱的使用中，雖然其具有精度高、無污染、能耗低等優點，但也存在一些問題有待改進。原系統中，磁選柱供水和給礦的管路各有閥門一個，在運行中需要操作人員依據經驗手動調節供水和給礦閥門開度，進而改變供水量和給礦量。因此會產生如下問題：

(1)用水量較大，為保證分選效果，一般將供水閥門打開的都比較大，在生產中也很少依據給礦的情況調節供水量。

(2)對供水量的變化較為敏感，供水量的變化改變了磁選柱中上升水流的流速，進而改變了水流的作用力，在磁場力和其他因素不變的情況下，很難把控分選的效果。

(3)處理量較小，為保證分選效果，在運行中磁選柱的處理量均不同程度的低于額定處理量。

(4)對給礦量的大范圍變化比較敏感，當給礦量長時間大于磁選柱最大處理量時，為防止“冒黑”現象發生，精礦閥門打開到系統設定的上限，難以保證精礦品位。

2 磁選柱控制系統改進措施

針對磁選柱分選過程中存在的上述問題，對磁選柱的控制系統進行改進。一是在供水管路和進礦管路增加供水量、給礦量檢測裝置和電動調節閥門；二是在磁選柱控制系統的軟件中針對系統的供水量和給礦量采用閉環調節。

(1)增加檢測及控制設備。供水管路位于磁選柱的下部，在供水管路上安裝流量傳感器，用來測量磁選柱每小時的用水量。流量傳感器采用電磁流量計，這種類型的流量計技術成熟，精度能很好的滿足現場要求。供水管路對閥門的耐磨要求不高，選用某型號的對夾式電動軟密封蝶閥。該款閥門結構緊湊、密封可靠、使用壽命長、強度高、流阻小，可以很好的滿足現場需求。

給礦管路位于磁選柱的上部，在給礦管路上安裝流量傳感器，用來檢測設備每小時的處理量。給礦調節閥門在工作狀態下，長期和流動的礦漿接觸，因此工作的穩定性、耐磨性等要求較高。同時，在工作中還有以下要求：不能產生過大的流阻，不能產生阻塞，不存在間隙防止關死閥門，維護費用低、維護方便。綜合上述要求，可選用某型號的電動式管夾閥。

(2)采用閉環的方式調節供水量和給礦量。系統的供水、給礦管路上安裝了相應的檢測設備和執行機構后，對磁選柱控制系統針對供水和給礦進行閉環控制提供了硬件的支持。閉環系統在輸出端和輸入端有反饋回路，具有偏差小、精度高、對外部擾動不敏感等優點，單頁存在穩定性、振蕩和超調等分析，系統的性能分析和設計較為復雜[4]。

3 改進后磁選柱供水、給礦的調節原理及控制過程

3.1 調節原理

在供水調節中增加流量計和執行器后，由原有的開環控制變為閉環控制，利用閉環系統對外部擾動不敏感的優點，可解決主供水管路水壓變化對供水量的影響。系統供水調節的控制原理見圖2。

用水量的給定信號來源于用戶在系統人機界面的設定，控制器為西門子小型PLC，執行器為電動調節閥門，被控對象為設備的用水量，測量設備為流量計。系統的擾動主要來源于主供水管路上管道壓力的變化。由于選礦廠用水設備較多，系統的擾動持續存在且對系統形成較大的干擾。

圖2 供水調節控制原理

由圖2可知，在改進后的磁選柱控制系統中，供水調節是一個閉環的控制系統。閉環控制自動控制是一種基于反饋的控制方式，測量、比較和執行是反饋調節的3個要素。控制器通過對比測量值和給定值的差值，用來調節系統的輸出。在實際應用中較常用的是PID控制。PID控制器由比例控制P、積分控制I和微分控制D組成。PID調節的基礎是比例控制；積分控制用于消除穩態誤差，但系統的超調有增大的可能性；微分控制可提高系統的響應速度并減弱超調的趨勢[5]。

在西門子小型PLC的編程軟件STEP7 Micro/WIN中，內置了一個“PID調節控制面板”的工具，用于完成PID參數的調試。PID調節器有4個參數(TS、TC、TI、TD)，這4個參數很重要。正確的確定這4個參數可以提升系統的控制性能，不合理的參數會影響系統的靜態性能，甚至影響系統的穩定性。在實際的運行中，依據現場的情況，選擇PI控制或者PID控制并整定參數[6]。磁選柱的給礦調節原理和供水調節原理類似。

3.2 調節過程

在改進前的系統中，操作員完成供水閥門的調整后，主供水管路的壓力變化會直接影響磁選柱的供水量。

在改進后的系統運行過程中，操作人員依據給礦量和工藝水用水要求設定好用水量后，流量計檢測當前用水量，和給定的用水量做差，差值進入控制器，通過PID算法運算后，交給電動閥調節閥門開度，完成一個調節的周期。經過幾個周期的調節，供水量可以接近設定值。在操作員改變了用水量設定值后，新設定的用水量和檢測到的用水量的差值，進行運算、調節后，供水量會接近新的設定值。

在設定值不變，主供水管路壓力發生變化的情況下，系統同樣可以快速的自動調節，使供水量達到設定值。主供水壓力變小(變大)的時候，磁選柱供水量變小(變大)，流量計檢測到的供水量和設定的供水量之差為正值(負值)，差值經過PID控制器的運算，通過模擬量輸出模塊驅動閥門開度變大(變小)，將供水量調節大(小)。

給礦調節的過程和給水調節的過程類似。

4 改進后磁選柱的效果

為了檢驗改進后的磁選柱控制系統能否解決分選過程中用水量高、處理量小、精礦品位相對較低等問題，采用馬坑礦業選礦廠細度為-0.074 mm 90%的礦樣在廠內試驗室進行試驗，與未改進前的磁選柱控制系統進行對比。控制系統改進前后磁選柱選礦結構的對比結果見表1。

表1 磁選柱控制系統改進前后磁選柱選礦結果對比

注：試驗中，在幾個相同的時間點增大、關小給水管路的壓力和瞬時給礦量以模擬現場給水擾動和給礦擾動。

由表1可知，在用水量接近的情況下，磁選柱控制系統改進后的處理量較大，且精礦全鐵品位較高；在處理量接近的情況下，改進后的用水量較小且精礦全鐵品位較高；在處理量和用水量接近的情況下，精礦全鐵品位有較為明顯的提升。

5 結 論

(1)基于PID調節的改進后，磁選柱控制系統能有效的抑制現場給水擾動和給礦擾動的干擾，較為精確、迅速的控制給水量和給礦量，用水量有所降低，處理量和精礦品位均有所提升。

(2)改進后的系統自動控制程度較高，避免了操作人員需要不斷的依據經驗調節給水量和給礦量的情況，降低了操作人員的工作強度。

(3)改進后的磁選柱控制系統在少量投入的前提下，具有提升磁選柱選礦效率和效果的潛力，具有一定的研究價值。

[1] 劉 軍.中國鐵礦資源的現狀與對策[J].中國礦業，2009，12(1):1-4.

[2] 李 振.鐵礦分選技術進展[J].金屬礦山，2008(5):1-6.

[3] 陳廣振.磁選柱及其工業應用[J].金屬礦山，2002(9):30-31.

[4] 胡壽松.自動控制原理[M].5版.北京：科學出版社，2007.

[5] 孫 義.平板車行走驅動系統實驗臺設計及仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[6] 廖常初.S7-200 PLC基礎教程[M].3版.北京：機械工業出版社，2015.

2016-10-10)

周亞軍(1989—)，男，碩士研究生，助理工程師，301501 河北省唐山市漢豐產業園區建業支路1號。