基于PID閉環控制的自動調酸系統設計

姚 宇

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司，廣東 韶關 512325）

濃硫酸控制在整個硫浮選工藝中起到極為重要的作用，它直接影響到選硫工藝的各項技術經濟指標。目前選礦廠硫浮選調酸方式為人工手動調節閥門進行加酸，對加酸量不能達到精確控制，人工調酸過程中操作人員直接接觸濃硫酸儲存環境，存在極大的安全隱患。對加酸量控制不準確就可能導致過量加酸，人工操作對礦漿pH反饋不及時，會嚴重影響浮選指標，同時導致藥劑消耗浪費。為了改變這一現狀，必須采取更高效合理的自動調酸控制。

本文針對目前調酸弊端提出一些優化措施。首先，要解決人跟濃硫酸近距離接觸的問題，可以考慮將手動調節閥更換成電動調節閥，閥門開度可調；其次，要實現自動控制電動閥門，需要設置反饋環節，在調節閥前端安裝流量計，流量計的安裝方式為采用標準U型結構安裝；最后，要控制加酸量，就需要知道目前攪拌桶中的酸堿度，可以通過在攪拌桶中安裝pH計，實時反饋礦漿pH。那么要實現加酸自動控制主要分為2個控制環節，第一個控制環節為加酸閉環控制，通過流量反饋控制閥門開度來調節濃硫酸添加量。第二個控制環節為pH調節閉環控制，當pH計檢測pH偏離工藝所要求的值時，通過控制濃硫酸和石灰乳的添加來維持工藝上的酸堿平衡。系統控制示意圖如圖1所示。

圖1 系統控制示意圖

1 硬件結構

1.1 加酸控制環節

本文中所提到的濃硫酸儲罐和石灰乳儲罐位于地勢高位，控制過程利用管道自流實現藥劑的添加，過程中不涉及任何加壓措施，能夠降低管道承壓風險。濃硫酸添加環節分為兩路，一用一備，設備由手動控制閥門、流量計、電動閥門組成。電磁流量計采用標準U型管路結構，以確保輸送管路中介質達到滿管，保證測量精確度。濃硫酸調節閥安裝于電磁流量計的后端，以減少調節閥頻繁開關動作產生的旋流、擾流對流量計的影響。

加酸控制過程需要實時流量反饋，同時要記錄累計流量，因此流量計選擇要求支持Modbus RTU通訊功能。電動調節閥支持模擬量4～20 mA輸入信號調節開度，通過4～20 mA輸出反饋開度信號。通訊線路和信號線需要選擇帶屏蔽層，要做到良好接地和等電位連接，排除外部干擾對測量值和信號輸送的影響。

1.2 pH調節環節

為了滿足浮選工藝需求，必須要維持pH在一定值，因此在濃硫酸添加過量之后pH會降低，此時可以通過添加石灰溶液來提高礦漿的pH。為了及時反饋攪拌桶中的酸堿度狀態，需要安裝一套pH在線檢測裝置，能夠實時顯示pH，同時將數據傳輸至PLC，PLC根據設定理想pH來計算是否滿足要求。pH過低，說明偏酸性，濃硫酸添加過多，就需要通過加入適當的石灰溶液來提高pH。

石灰溶液添加環節設備由手動控制閥門、電動閥門組成，安裝方式同加酸控制回路。由于石灰溶液暴露在空氣中容易結鈣，導致管路堵塞，因此考慮在管路前端增加沖洗水環節，每次添加石灰溶液之后進行適當的沖洗水，結合攪拌桶內礦漿濃度來決定沖洗水時長。

1.3 控制系統

本文控制器采用西門子SIMATIC S7-200 SMART PLC，搭配西門子SMART line觸摸屏能夠實現精確控制，同時具有良好的人機交互體驗。S7-200 SMART PLC具有高性能、高集成及更簡約的特點，CPU SR20集成有以太網口和串口，支持以太網通訊和Modbus RTU通訊。控制器與觸摸屏采用以太網通訊，便于對控制系統中的設備運行情況進行實時監控，同時能夠通過觸摸屏輸入指令，控制現場設備運行。控制器與現場儀表采用Modbus RTU通訊，能夠快速將儀表實時數據以及累計數據傳輸至PLC中，采用Modbus RTU通訊方式能夠提高數據傳輸速度和減少外部信號干擾。

PLC與現場2臺電磁流量計和pH計通訊采用2芯屏蔽電纜，3臺設備并聯連接，屏蔽層一端接地，PLC端和另一端設備通信口需要接120 Ω終端電阻。PLC與3臺電動調節閥采用2芯屏蔽電纜連接，每臺電動調節閥分別有輸入和輸出線，3臺電動調節閥輸入線分別接入PLC的AO0、AO1、AO2模擬量輸出端，3臺電動調節閥輸出線分別接入PLC的AI0、AI1、AI2模擬量輸入端。

2 軟件設計

2.1 控制結構

要實現自動調酸并精確控制，必須要滿足加酸控制環節和pH調節環節的穩定運行。加酸控制環節和pH調節環節均采用PID控制，PID在穩態運行中，PID控制器調節輸出值，使偏差（e）為零。偏差是設定值與過程變量之差。PID控制的原理基于以下方程，輸出M（t）是比例項、積分項和微分項的函數：

式中：M（t）為回路輸出（時間的函數）；KC為回路增益；e為回路偏差（設定值與過程變量之差）；Minitial為回路輸出的初始值。PLC作為控制器、電磁流量計與pH計為反饋機構、電動調節閥為執行機構。PID控制結構圖如圖2所示。

圖2 PID控制結構圖

2.2 數據處理

現場閥門控制與反饋信號即輸入與輸出信號為4～20 mA模擬量標準電流信號，電流信號需要經過A/D轉換為PLC所能識別的標準信號5 530～27 648。假設模擬量的標準電信號是A0～Am（4～20 mA），A/D轉換后的數值為D0～Dm（5 530～27 648），設模擬量的標準電信號是A，A/D轉換后的相應數值為D，由于是線性關系，函數關系A，f（D）可以表示為數學方程：

將該方程式逆變換，可以得出函數關系D，f（A）表示為數學方程：

經過數據處理后，PLC可以讀取閥門的反饋信號，同時向閥門發送控制信號，控制閥門的開度。

2.3 程序設計

編程軟件使用西門子Step7 Micro/Win Smart，是專門用于S7-200 SMART PLC的編程調試軟件。其功能強大，具有豐富的庫指令，支持向導功能，能夠快速地實現配置運動、高速計數和PID回路控制等功能。

2.3.1 通訊指令程序

PLC與電磁流量計和pH計使用Modbus RTU通訊讀取數據，要保證數據實時傳輸，選擇采用定時中斷功能，在程序塊中插入中斷子程序INT0，在主程序中通過特殊存儲器字節SMB34設定定時中斷0的時間間隔，為了保證數據讀取的實時，設定間隔10 MS跳轉。調用ATCH指令建立中斷事件EVNT與中斷例程編號INT相關聯，這里采用的是循環中斷，同時啟用中斷事件。

在中斷子程序中調用MBUS_CTRL和MBUS_MSG指令。MBUS_CTRL指令用于設置通信協議（Mode）、奇偶校驗（Parity）、端口（Port）、波特率（Baud）、超時響應時間（Timeout）、完成標志位（Done）和錯誤儲存字節（Error）。MBUS_MSG指令用于設置從站地址（Slave）、讀寫方式（RW）、寄存器地址（Addr）、計數（Count）、間接地址指針（DataPtr）、完成標志位（Done）和錯誤儲存字節（Error）。為2個電磁流量計和pH計分配相應地址，如3、4、5，3臺設備地址不能相同。

2.3.2 PID控制程序

PID功能可以通過向導來創建用于初始化PID組態的PID_CTRL子例程，向導中可以配置P、I、D參數，指定回路輸入過程變量（PV）的標定方式和回路輸出的標定方式，設定報警條件，分配存儲器地址等。PID_CTRL子例程需要設定過程變量（PV_I）、設定值（Setpoint_R）、手/自動切換位（Auto_Manual）、手動輸出值（ManualOutput）、PID指令輸出值（Output）和高位報警位（HighAlarm）、低位報警位（LowAlarm）以及錯誤位（ModuleErr）。

PID模塊調用過程中，“Auto_Manual”位變量為“1”的狀態下，則表示工作在自動模式；為“0”的狀態下，則表示工作在手動模式。在自動模式下，將使用內置PID算法以驅動PID_CTRL功能框的輸出。在手動模式下，輸出受“ManualOutput”輸入的控制，向“ManualOutput”寫入的是標準化的實數值（0.00～1.00），同時，輸出介于向導中指定的輸出范圍內。

2.3.3 數字濾波程序

現場流量計數據通過Modbus RTU通訊傳輸至PLC，由于現場電磁流量計測量會受到調節閥動作產生的旋流、擾流的影響，測量數據會出現抖動，如果PLC接收到異常數據并將數據直接輸入給PID控制器，將會使系統不穩定。因此，要排除個別數據的干擾影響，需要對采集到的數據進行濾波處理，這里采用遞推平均濾波法，又稱為滑動平均濾波法。

本系統每次采集12組數據，對12組數據進行濾波處理。首先定義一塊數據區域存儲采集的數據起始地址為VD100，那么VD100存儲第一個數據，VD148存儲第12個數據，將12個數據相加取平均值，該值作為PLC讀取的有效數據。接下來PLC每讀取一個值就放在VD148中，同時所有數據前移，將VD100中的前一個值去掉，新的數據組合取平均值即為本次有效數據。遞推平均濾波法對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。

2.3.4 上位機程序

上位機采用西門子Smartline 700 IE V3系列觸摸屏，編程軟件使用Wincc flexible Smart V3 SP2，觸摸屏畫面主要包含控制流程主界面，參數設置界面，手動控制界面，用戶管理界面，趨勢界面和報表界面。主要體現工藝流程，主要顯示電動閥門的開關狀態和開度值，還要顯示流量計和pH計的實時值。參數設置界面主要設置控制參數和流量上、下限值。手動控制界面主要是在需要手動調節的情況下能夠通過觸摸屏調節閥門的開關和設置調節量。用戶管理界面主要分為管理員和操作人員，操作人員僅需要設定基本參數和查看數據報表，管理員可以通過修改參數來優化控制精度。趨勢界面和報表界面主要是將歷史流量數據和pH數據生成趨勢圖和報表，供相關人員查閱。

3 安裝調試

設備的安裝確保按照要求順序安裝，由上到下具有一定的坡度以保證藥劑能夠自流且管道內具有一定的壓力，管路要做到密封，不能有藥劑泄漏。調試時可以用水代替濃硫酸和石灰溶液，首先確定比例增益P，令Ti=0、Td=0，使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許最大值的60%～70%，由0逐漸增大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%～70%。確定比例增益P之后，設定一個較大的積分時間常數Ti，然后逐漸減小，直至系統出現振蕩，之后再反過來，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150%～180%。最后確定微分時間常數Td，初始設置為0，逐漸增大Td，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸減小Td直至系統振蕩消失。記錄此時的Td，設PID的微分時間常數為當前值的30%。基本確定了PID的比例、積分、微分參數之后就可以整個系統聯調，根據現場實際對PID參數進行微調，直至系統穩定。

4 結論

工業生產過程中涉及到濃硫酸作業，存在濃硫酸泄漏、飛濺傷人和硫化氫中毒的安全風險，本系統將自動控制系統理論與現場實際結合，實現了選礦工藝過程中的自動調酸功能，降低了現場工作人員的涉酸安全風險，提高了生產效率。