基于PLC的多產品水析儀控制系統設計

高雨晨　吳志鵬　韓冰　張寶鎰　孟凡偉

摘要：細粒、微細粒的分級一直是選礦工作的核心問題，現有的水析裝置存在各種不足，因此設計出多產品水析儀以滿足實驗室對細粒及微細粒級分級效率高，準確性強的要求，并且結構簡單，操作方便，耗水量少。系統采用PLC為核心控制平臺，控制下位機執行動作指令與數據反饋，達到可無人值守、精確控制水析儀動作、數據采集與傳輸以及提高系統可靠性、安全性的目的。

關鍵詞：多產品水析儀;PLC;控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0011-02

0 引言

一直以來細粒及微細粒級物料粒度組成的測定都是選礦及各種粉體工程實驗室工作的重點同樣也是難點[1-2]，本水析儀設置上下兩個沉降室，物料進出沉降室由可180度旋轉的蝶閥控制，使物料經過多次分級，而不需重復裝卸物料，大大簡化操作過程，縮短分析時間。該水析儀雖操作簡單，但需要進行控制的部件種類較多、數量較大，所以需要加強其自動化程度。

1 水析儀結構及工作流程簡述

1.1 多產品水析儀結構

示意圖如圖1所示：（圖1中1-17分別為：上給料裝置;2、上給料控制閥;3、充氣攪拌裝置;4、上給水裝置;5、上隔料板裝置;6、物料觀察孔;7、溜槽支架;8、小型溜槽;9、旋轉裝置;10、筒套;11、制動電機;12、電機支架;13、設備支架;14、下隔料板裝置;15、下給水裝置;16、下給料控制閥;17、下給料裝置）。

1.2 水析儀工作流程

水析儀依據隨礦物粒級不同沉降時間不同的原理對不可溶于水的微粒進行分級。在上料口加入待沉降的原料，打開隔料板，使其進入沉降室。在相應礦物粒子沉降時間后，打開相應位置的電磁閥，釋放相同粒級的粒子，完成分級。

2 控制系統設計

水析儀工作流程（圖2）具體分為上料加水、充氣攪拌，沉降室沉降排料以及電機旋轉。此流程需要大量執行元件進行配合，例如上料加水電磁閥、隔料板裝置、出料控制電磁閥、旋轉電機等，利用PLC進行可編程自動控制可以滿足生產工藝流程自動化集中控制以及全局掌握的連貫性。

2.1 上料加水、充氣攪拌控制

待分級的原料經由上料控制閥進入攪拌室，隨后上給水閥門打開加水，待加入足夠水后，充氣閥門打開，利用空氣流動攪拌物料與水，使其充分混合。隨后隔料板打開，充分混合的物料進入沉降室進行沉降。可控編程自動控制范圍為上料控制閥、上給水閥門、充氣閥門和隔料板裝置。

2.2 沉降室出料電磁閥控制

在物料進入沉降室之后，由于不同粒級物料的沉降末速差不同，所以會出現同一粒級沉降到同一位置時所用的時間幾乎相同。故利用這種原理，控制電磁閥打開和關閉的時間可使同一粒級的物料同時排出。而未完全分級的物料由于重力作用進入下攪拌室，隨后隔料板關閉。為實現上述步驟，需對相關執行元件進行編程控制，由于需分級的物料各不相同，故每種物料每種粒級也各不相同，分級時只需在人機交互界面修改沉降時間即可。

2.3 電機控制

在未分級物料進入下沉降室，隔料板關閉后，沉降管由步進電機帶動旋轉180°。為實現沉降管可180°旋轉的功能，對轉軸一側加裝的步進電機進行編程控制，使其在預設的時間內自動完成旋轉工作。物料進入沉降室的同時開始延時，待完成本次沉降后，電機啟動且以一定轉速旋轉180°，然后停止轉動并開始下一輪延時，以便粒子的進一步沉降。每次計時的時間根據所需礦物粒子的不同而定，若需改變僅需人工在人機交互界面輸入即可。

3 硬件配置及選型

PLC主要用于處理開關量，以替代水析儀原型機控制系統中眾多的繼電器、接觸器、復雜的接線等，且使用過程中存在可預見的電子元件損壞以及人工控制不精確的問題，使得水析儀的電控系統可靠性較低。針對工藝流程控制點多的特點以及對設備執行的各項要求，控制柜選用西門子S7-200型PLC，由可編程自動化控制完成各工藝生產設備的順序啟停[3]。由于西門子S7-200型號PLC具有最優模塊化和開放式通訊，結構緊湊小巧，大容量程序和數據存儲器，杰出的實時響應，易于使用STEP 7-Micro/WIN工程軟件進行編程，完整控制對時間要求嚴格的流程等特點，故選用此型號PLC作為核心控制硬件。

EM222型擴展模塊是與西門子S7-200型PLC兼容的數字量擴展模塊，該擴展模塊具有與CPU 224XP型CPU相同的設計特點，通過總線路互相連接，可以方便地擴展S7-200系列PLC的數字量輸入/輸出通道，增強擴展能力，節省成本。

由于信號在傳輸過程中會遇到各種各樣的干擾，為保證信號穩定，控制柜選用WS15241型信號隔離器，該信號隔離器內部采用磁電隔離技術，輸入、輸出與電源之間相互隔離，通過DC24V或AC220V供電，為現場的變送器提供隔離配電電源，同時將變送器產生的電流信號從現場隔離傳送到PLC。

4 結語

該控制系統可以滿足多產品水析儀生產工藝流程自動化集中控制、全局控制的連貫性，并能控制多產品水析儀的啟動停止以及各執行元件的動作。當設備正常運行時，按預設程序執行各項操作;當出現故障時（例如水析儀沉降管旋轉不到位），設備停止運行，等待工作人員排除問題。并且該控制系統實現了對設備運行情況的監控以及數據采集、處理、報表、存儲等功能，便于操作人員分析數據，節省相關人員的時間，提高效率。與此同時，該控制系統的運用有利于改善水析儀操作環境，將操作人員從手動按鈕以及人工計時的工作中解脫出來，降低操作人員工作強度的同時，提高了多產品水析儀的工作效率以及分級精準度。

參考文獻

[1] 張強.選礦概論[M].冶金工業出版社，2012.

[2] 沈政昌，史帥星，陳東，張躍軍.浮選設備研究與應用[M].冶金工業出版社，2017.

[3] 袁任光.可編程程序控制器選用手冊[M].機械工業出版社，2004.

Design of Control System for Multi-product Water Analyzer Based on PLC

GAO Yu-chen，WU Zhi-peng，HAN Bing，ZHANG Bao-yi，MENG Fan-wei

（College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan Hebei? 063210）

Abstract：The classification of fine and micro fine particles has always been the core problem in mineral processing. Due to the shortcomings of the existing water separation devices， a multi-product water separation device was designed.The device? can meets the laboratory requirements of high efficiency and high accuracy for the classification of fine and micro fine with simple structure， convenient operation and low water consumption.The system controls the lower computer to execute the action instruction and the data feedback by PLC which can achieves the unattended， accurate controls of water analyzer movement， data acquisition and transmission and improves the system reliability， security.

Key words：multi-product water analyzer; PLC; control system