鋼渣磁選機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹騰飛，鄧長(zhǎng)久，陽(yáng) 清，李 徽

（1.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司，岳陽(yáng) 414000；2.湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，岳陽(yáng) 414006）

近年來(lái)，從國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)看，2020 年我國(guó)粗鋼總產(chǎn)量達(dá)到10.65 億噸，煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的鋼渣約為1.20 億噸，累計(jì)堆存量超10 億噸，鋼渣中含鐵量達(dá)到15%～20%，每年鋼鐵工業(yè)排放的鋼渣中鐵含量高達(dá)1500 萬(wàn)噸以上。2022 年發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，鋼鐵行業(yè)要在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。大量鋼渣堆存，不僅占用土地資源，造成大量鐵資源的浪費(fèi)，還給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了較大的安全隱患。為此，提高鋼渣綜合利用效率，對(duì)促進(jìn)鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和響應(yīng)國(guó)家建立綠色環(huán)保、智能化生產(chǎn)的號(hào)召具有重要意義。磁選機(jī)作為提高礦產(chǎn)資源利用率的關(guān)鍵設(shè)備，在礦業(yè)領(lǐng)域和其他領(lǐng)域均占有重要地位[1-2]。鋼渣磁選機(jī)作為一種低碳環(huán)保，高效節(jié)能的選礦設(shè)備，被廣泛用于分選細(xì)粒級(jí)磁性礦物或者除去非磁性礦物中混雜的磁性礦物[3]。但鋼渣磁選機(jī)目前依然存在著磁選效率低、分選品位差、控制穩(wěn)定性差、可靠性低和人工成本高等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外各專家學(xué)者對(duì)磁選機(jī)自動(dòng)化控制的研究做了大量工作，取得了較大的進(jìn)展，如文獻(xiàn)[4]提出在環(huán)境惡劣的選礦設(shè)備中采用PLC控制是一種有益嘗試，提高了設(shè)備自動(dòng)化程度；文獻(xiàn)[5]研究了S7-200 PLC 在SLon 系列磁選機(jī)的應(yīng)用，對(duì)勵(lì)磁電流采用PID 控制算法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制；文獻(xiàn)[6]提出了一種基于PLC 的立環(huán)高梯度磁選機(jī)礦漿液面自動(dòng)化控制方案；文獻(xiàn)[7]研究了高頻諧波磁場(chǎng)磁選機(jī)自適應(yīng)液位控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8]對(duì)干式磁選機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成自動(dòng)控制、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)、指標(biāo)在線監(jiān)控調(diào)節(jié)、環(huán)保監(jiān)測(cè)等功能；文獻(xiàn)[9]研制出了實(shí)驗(yàn)用超導(dǎo)磁選機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，提高了超導(dǎo)磁選機(jī)的智能化控制水平。

1 鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理簡(jiǎn)介

鋼渣磁選機(jī)是一種干式永磁筒式磁選設(shè)備，目前，在鋼渣磁選工藝流程中，由于磁選粉粒度太小且有較高的含水量，鋼渣磁選機(jī)的永磁滾筒表面容易發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢和板結(jié)現(xiàn)象，該層板結(jié)物破壞了永磁滾筒表面磁場(chǎng)分布，嚴(yán)重影響精礦粉的分選品位和磁選效率。經(jīng)過(guò)初步研究在鋼渣磁選機(jī)內(nèi)部增加吹氣裝置，以防止磁選粉發(fā)生嚴(yán)重板結(jié)現(xiàn)象，但是由于機(jī)器一般是24 h 作業(yè)，工作時(shí)間長(zhǎng)，若采用吹氣管對(duì)其持續(xù)吹氣模式，會(huì)造成系統(tǒng)供氣量要求巨大，能耗高，空氣壓縮機(jī)負(fù)荷大。而且，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，噴嘴一直吹氣，管道氣壓壓降高，噴嘴口吹氣無(wú)力，清掃效果不理想。結(jié)合以上問(wèn)題，對(duì)鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主體結(jié)構(gòu)主要由蓄能儲(chǔ)氣罐裝置、壓縮空氣管路組件、鴨嘴型噴嘴、電磁閥和PLC 控制器組成。鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of scavenging system for steel slag magnetic separator

鋼渣磁選機(jī)及清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模如圖2 所示。鋼渣磁選機(jī)主要由機(jī)架、永磁滾筒、減速電機(jī)、進(jìn)料斗、出料槽、可變速的傳動(dòng)裝置、分料板、磁系調(diào)節(jié)裝置和清掃系統(tǒng)等組成。滾筒內(nèi)裝有釹鐵硼永磁塊，清掃系統(tǒng)安裝于磁選機(jī)側(cè)面。永磁筒式磁選機(jī)工作運(yùn)行時(shí)，磁系調(diào)整到一定角度，針對(duì)不同物料，對(duì)清掃系統(tǒng)的PLC 控制器進(jìn)行程序設(shè)定。經(jīng)過(guò)篩分后的原礦從磁選機(jī)的上部進(jìn)料斗加入，流到滾筒上方時(shí)呈松散狀態(tài)落下，磁性物料受重力和磁力的合力作用，快速落到滾筒上，并吸附在筒體表面。非磁性物料在重力的作用下落在磁性物料的外面。這些物料隨著筒體的旋轉(zhuǎn)，非磁性物料在重力作用下脫離筒體下落，由出料槽排出。含鐵的磁性物料吸附在筒體表面繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到?jīng)]有磁力的位置才靠自重落下。最終實(shí)現(xiàn)磁性物料與非磁性物料的分離。

圖2 鋼渣磁選機(jī)及清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模Fig.2 Structural modeling of steel slag magnetic separator and cleaning system

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析及控制要求

保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高磁選設(shè)備自動(dòng)化程度與控制精度是企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要保障。磁選過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，影響磁選工藝指標(biāo)的因素很多，如精礦品位、尾礦品位等工藝指標(biāo)難以在線連續(xù)檢測(cè)[10]，永磁滾筒表面容易發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象、進(jìn)料斗夾雜或堵塞、永磁滾筒轉(zhuǎn)速和分料板傾斜角度等等，都是影響鋼渣磁選機(jī)工作效率和分選品位的重要工藝參數(shù)。如何有效控制永磁滾筒轉(zhuǎn)速和分料板的傾斜角度是保證精礦品位和分選效率的基本條件，鋼渣磁選機(jī)進(jìn)料斗夾雜或堵塞和永磁滾筒表面板結(jié)現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)與控制是實(shí)現(xiàn)磁選機(jī)自動(dòng)控制最重要的組成部分。根據(jù)鋼渣磁選機(jī)的工作原理及系統(tǒng)分析，控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下主要功能：

（1）清掃系統(tǒng)儲(chǔ)氣罐的恒壓控制及實(shí)現(xiàn)間歇式吹氣的功能。這部分主要由PLC 控制器控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。通過(guò)PLC 控制器編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間歇式吹氣模式，并設(shè)計(jì)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控永磁滾筒，清掃系統(tǒng)蓄能儲(chǔ)氣罐設(shè)置壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)，并通過(guò)PID 控制變頻器和電接點(diǎn)式壓力表實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣罐恒壓控制。當(dāng)永磁滾筒表面發(fā)生板結(jié)跡象，系統(tǒng)控制電磁閥的開(kāi)合度和開(kāi)合時(shí)間，自動(dòng)調(diào)節(jié)吹氣管吹氣頻率和增大瞬時(shí)氣壓，以防止永磁滾筒表面發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象。

（2）進(jìn)料斗自動(dòng)檢測(cè)到夾雜或堵塞時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)向PLC 控制器發(fā)送操作指令，上位機(jī)與PLC 控制器實(shí)現(xiàn)通信連接，PLC 控制器收到反饋信號(hào)后執(zhí)行機(jī)械手臂清除并疏通進(jìn)料斗的功能。

（3）根據(jù)磁選機(jī)的工作原理及過(guò)程，確保減速電機(jī)正常工作，并在保證精礦品位良好的前提下，根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)永磁滾筒轉(zhuǎn)速的功能，從而提高鋼渣磁選機(jī)的工作效率，即提高精礦產(chǎn)率。

（4）分料板根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)及人工檢測(cè)的精礦品位數(shù)據(jù)輸入具備自動(dòng)控制傾斜角度功能。

（5）當(dāng)磁選機(jī)系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障，如電機(jī)卡頓、超溫、短路等，實(shí)現(xiàn)故障自診斷，并在上位機(jī)和觸摸屏上生成硬件故障診斷日志。系統(tǒng)根據(jù)故障指示發(fā)出聲光警報(bào)。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、CPU 1515-2 PN、觸摸屏、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、電磁閥、恒壓控制系統(tǒng)、變頻柜、減速電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械手臂和多種傳感器等組成。控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of overall structure of control system

2.3 恒壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需確保清掃系統(tǒng)儲(chǔ)氣罐有足夠恒定的氣壓，結(jié)合了PID 控制原理設(shè)計(jì)蓄能儲(chǔ)氣罐恒壓控制系統(tǒng)，蓄能儲(chǔ)氣罐設(shè)置壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)氣體壓力，并通過(guò)PLC 的PID 控制器與變頻器和電接點(diǎn)式壓力表形成閉環(huán)反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣罐的恒壓控制。PID 控制原理如圖4 所示，恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 PID 控制原理框圖Fig.4 Block diagram of PID control principle

圖5 恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Constant pressure control system structure block diagram

2.4 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)鋼渣磁選機(jī)永磁滾筒表面容易發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象和進(jìn)料斗夾雜或堵塞問(wèn)題，設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)的系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)CCD、工控機(jī)、PLC 和執(zhí)行設(shè)備。系統(tǒng)選用LED 光源，在永磁滾筒表面和進(jìn)料斗分別安裝2 臺(tái)JAI 工業(yè)相機(jī)，并將相機(jī)獲得的圖像信號(hào)通過(guò)千兆網(wǎng)接口傳入工控機(jī)，并儲(chǔ)存在上位機(jī)中，再利用OpenCV Sharp 算法庫(kù)處理圖像，包括圖像二值化處理、二值圖像濾波、邊緣檢測(cè)以及模式識(shí)別等過(guò)程。能夠計(jì)算判斷出永磁滾筒板結(jié)和進(jìn)料斗夾雜或堵塞等問(wèn)題。工控機(jī)發(fā)送操作指令給下位機(jī)（PLC），PLC 接收操作指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)并向上位機(jī)反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)整體框架如圖6 所示。

圖6 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)整體框架Fig.6 Overall framework of machine vision system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 硬件的選型

根據(jù)鋼渣磁選機(jī)的運(yùn)行工藝需求，智能控制系統(tǒng)不僅要求PLC 具有快速的計(jì)算能力，還要求具有強(qiáng)大的通信能力。根據(jù)目前主流的西門子PLC 有S7-200 系列、S7-300 系列和S7-1500 系列，其 中，S7-1500 系列PLC 是高端自動(dòng)化系統(tǒng)使用的控制器模塊，廣泛應(yīng)用于離散自動(dòng)化領(lǐng)域中的各種自動(dòng)化應(yīng)用。其人性化的外觀設(shè)計(jì)，更容易被技術(shù)人員接受，尤其是CPU 上內(nèi)置LED 顯示屏，可方便顯示CPU 狀態(tài)和故障信息等。從硬件方面來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)診斷能力和信息安全性更高，PLCopen 技術(shù)集成，可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率。其次，從表1 可以看出，CPU 1515-2 PN 作為適用于大中型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)CPU，無(wú)論在硬件資源、軟件資源、存儲(chǔ)空間和指令周期等各項(xiàng)性能上都有大幅提升。所以選用S7-1500 系列CPU 1515-2 PN 作為控制系統(tǒng)主要核心器件。

表1 S7-1500 PLC 與S7-300 PLC 的性能比較Tab.1 Comparison of S7-1500 PLC and S7-300 PLC performance

3.2 系統(tǒng)硬件組態(tài)

S7-1500 PLC 主要由電源模塊、CPU 模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、模擬量I/O 模塊、分布式I/O 模塊和通信模塊等組成。

（1）CPU 模塊：CPU1515-2PN 集成有 多達(dá)3 個(gè)PROFINET 接口，帶雙端口交換機(jī)（X1P1R 和X1P2R）和PROFINET 接口（X2P1），PROFINET 接口具有實(shí)時(shí)通信功能，X1 端口1 連接上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、X1 端口2 連接觸摸屏構(gòu)成人機(jī)交互界面，X2 端口連接分布式I/O 模塊構(gòu)成遠(yuǎn)程I/O。

（2）分布式I/O 模塊：選擇分布式I/O 系統(tǒng)ET 200SP，其接口模塊IM155-6 HF 支持最多64 個(gè)模塊，信號(hào)模塊支持熱插拔，方便PLC 的布線施工以及后期維護(hù)，CPU 單元需要采集控制相應(yīng)的I/O 數(shù)據(jù)，適用于磁選機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境。

（3）模擬量I/O 模塊：選擇AI 4×I ST 型，裝于CPU 以及ET 200SP 分布式I/O 模塊上，用于接收各種傳感器輸出的4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

（4）計(jì)數(shù)模塊：TM Count 2×24 V 支持雙通道編碼器高速計(jì)數(shù)，用于磁選機(jī)運(yùn)行速度和精礦產(chǎn)率的計(jì)算。

（5）通信模塊：選擇CM1542-5 RS485 PROFIBUS通訊模塊，裝在分布式I/O 系統(tǒng)ET 200SP 上，用于與變頻器MODBUS 通信，實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)的變頻調(diào)速。

以上硬件配置預(yù)留了20%～30%的余量，方便后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和擴(kuò)展。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鋼渣磁選機(jī)智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是S7-1500 PLC 的程序設(shè)計(jì)以及通過(guò)上位機(jī)安裝西門子自動(dòng)化軟件TIA（博途）進(jìn)行軟件編程。使用博途軟件完成控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、PLC 通信組態(tài)和設(shè)備組態(tài)等功能。程序設(shè)計(jì)過(guò)程中首先分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定功能的子程序，如PID 恒壓控制，脈沖清掃系統(tǒng)間歇式吹氣，進(jìn)料斗自動(dòng)清除夾雜或堵塞物料，以及減速電機(jī)變頻調(diào)速和分料板自動(dòng)調(diào)節(jié)角度等。然后設(shè)計(jì)主程序，按一定順序和條件調(diào)用子程序，再結(jié)合機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

4.1 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)子程序是由主程序進(jìn)行調(diào)用，PID 恒壓控制子程序的作用是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣罐的恒壓控制，其控制過(guò)程為壓力傳感器檢測(cè)實(shí)際氣壓經(jīng)分布式I/O 模塊傳入PLC，CPU 將讀入值和觸摸屏或上位機(jī)設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，通過(guò)PID 控制模塊計(jì)算出相應(yīng)的控制量，再控制變頻器的頻率來(lái)改變空壓機(jī)的輸出功率，保證儲(chǔ)氣罐的氣壓處于恒定值。PID恒壓控制子程序流程如圖7 所示。

圖7 PID 恒壓控制子程序流程Fig.7 PID constant voltage control subroutine flow chart

脈沖清掃系統(tǒng)子程序流程如圖8 所示。其作用是實(shí)現(xiàn)清掃系統(tǒng)間歇式吹氣，并結(jié)合視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，可以防止鋼渣磁選機(jī)永磁滾筒表面發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)垢和板結(jié)現(xiàn)象。

圖8 脈沖清掃系統(tǒng)子程序流程Fig.8 Pulse sweeping system subroutine flow chart

電機(jī)變頻調(diào)速控制子程序流程如圖9 所示。其作用是根據(jù)稱重傳感器檢測(cè)的某時(shí)刻的實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)傳入PLC，CPU 運(yùn)算后得出實(shí)際精礦產(chǎn)率，與系統(tǒng)設(shè)定的企業(yè)產(chǎn)率指標(biāo)進(jìn)行比較，根據(jù)計(jì)算結(jié)果比較，控制變頻器頻率，從而實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)的變頻調(diào)速，提高精礦產(chǎn)率，即提高鋼渣磁選機(jī)工作效率。

圖9 變頻調(diào)速控制子程序流程Fig.9 Frequency conversion speed control subroutine flow chart

4.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在主程序中，設(shè)計(jì)進(jìn)料斗自動(dòng)清除夾雜或堵料和分料板自動(dòng)調(diào)節(jié)角度功能，按一定順序和條件調(diào)用子程序，有任何一個(gè)軟硬件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，故采用互鎖手段來(lái)減少電機(jī)故障，同時(shí)為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備運(yùn)行狀況。系統(tǒng)主程序流程如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)主程序流程Fig.10 System main program flow chart

5 結(jié)語(yǔ)

本文控制系統(tǒng)依靠S7-1500PLC 強(qiáng)大的通信能力和處理能力，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、反饋控制和自動(dòng)控制理論，采用西門子觸摸屏完成人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制；通過(guò)上位機(jī)與PLC 通信連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，針對(duì)鋼渣磁選機(jī)現(xiàn)存的諸多問(wèn)題，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和軟硬件設(shè)計(jì)，極大的提高了磁選設(shè)備的精礦品位和精礦產(chǎn)率，具有廣闊的應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化生產(chǎn)提供了技術(shù)保障，助推我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。