王永高

（伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司，伊春 152500）

選礦廠的工作是分選礦物原料，得到符合要求的礦物。選礦廠常用的礦物原料分選設(shè)備是浮選機(jī)[1]，該設(shè)備是依據(jù)礦石與粉末間的密度與親水性，完成礦物原料分選[2]。但普通的浮選機(jī)存在生產(chǎn)效率低、故障發(fā)生率高等問題。為此，需要設(shè)計(jì)浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)，通過合理控制浮選液面高度與浮選時(shí)間等參數(shù)，提升浮選機(jī)的礦物原料分選效果[3-4]。文獻(xiàn)[5]通過C 語言編寫應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)，采用電氣控制根據(jù)運(yùn)行參數(shù)采集結(jié)果，制定自動化控制策略，完成選礦廠浮選機(jī)自動化控制。文獻(xiàn)[6]利用浮選液位回路控制算法，制定自動化控制策略，通過人機(jī)交互操作界面，呈現(xiàn)浮選機(jī)自動化控制結(jié)果。以上兩個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能較差，易受外界因素影響，導(dǎo)致其無法得到較為滿意的自動化控制效果，存在一定的局限性。PLC是以大規(guī)模集成電路技術(shù)，與嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制作完成的，其內(nèi)部電路具備較高的抗干擾性能[7-8]，且可靠性較高。為此，本文設(shè)計(jì)基于PLC 的選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)，有效提升選礦廠的生產(chǎn)效率。

1 選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)

以PLC 為核心，設(shè)計(jì)選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of automatic control system of flotation machine in concentrator

利用液位計(jì)監(jiān)測選礦廠浮選機(jī)水池液位高低，作為浮選機(jī)開機(jī)或關(guān)機(jī)的主要依據(jù)。利用控制柜將液位計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器與流量傳感器監(jiān)測到的浮選機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并由PLC 的數(shù)字量輸入模塊，傳輸至PLC 的CPU 內(nèi)。CPU 利用模糊PID 控制算法，以浮選機(jī)系統(tǒng)的液位誤差以及誤差變化率為輸入，輸出浮選機(jī)閥門開度，經(jīng)由PLC 的I/O 模塊傳輸至變頻器內(nèi)。變頻器依據(jù)接收的閥門開度，自動化控制浮選機(jī)的閥門。PLC 根據(jù)壓力傳感器、溫度傳感器與流量傳感器的監(jiān)測結(jié)果，自動控制浮選機(jī)的開啟停止開關(guān)、報(bào)警開關(guān)與手動自動開關(guān)。

交換機(jī)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換PLC 輸出的浮選機(jī)自動化控制結(jié)果，并由觸摸屏顯示自動化控制結(jié)果，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人和設(shè)備的交互。

1.1 選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)的I/O 模塊

選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)的PLC 內(nèi)I/O模塊，負(fù)責(zé)傳輸中央處理器輸出的自動化控制信息至變頻器內(nèi)。I/O 模塊的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。I/O 模塊內(nèi)的單片機(jī)型號是STM32F103C8T6，該單片機(jī)以精簡指令集與哈佛總線結(jié)構(gòu)傳輸CPU 輸出的浮選機(jī)自動化控制信息，其實(shí)用性較強(qiáng)、成本低、功耗低、抗干擾性能強(qiáng)。通過隔離總線通信電路，確保信息傳輸過程中的安全性[9]。通過單片機(jī)控制信號調(diào)理電路，對浮選機(jī)自動化控制信息進(jìn)行放大與濾波處理，濾除控制信息的內(nèi)部噪聲。通過信號隔離電路，將干擾源與控制信息隔離開來，避免干擾源污染浮選機(jī)自動化控制信息[10]，影響浮選機(jī)的自動化控制效果。I/O 模塊信息傳輸方式是CAN 總線。I/O模塊具備較優(yōu)的信息傳輸性能，以及強(qiáng)大的信息處理性能[11]。

圖2 I/O 模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of I/O module

1.2 選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)的CPU 模塊

選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)的PLC，利用CPU 進(jìn)行浮選機(jī)自動化控制算法的運(yùn)算，得到自動化控制信息。CPU 的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。CPU 中通過程序計(jì)數(shù)器存儲浮選機(jī)自動化控制指令地址，程序計(jì)數(shù)器內(nèi)包含正在執(zhí)行的浮選機(jī)自動化控制指令。在各指令被獲取情況下，其存儲的指令地址加一。一個(gè)指令被獲取后，程序計(jì)數(shù)器會指引CPU 執(zhí)行下一個(gè)指令。PSW 的作用是呈現(xiàn)指令執(zhí)行過程中CPU的狀態(tài)信息。累加器用于存儲CPU 進(jìn)行浮選機(jī)自動化控制計(jì)算過程中形成的中間結(jié)果，可加快CPU 的浮選機(jī)自動化控制計(jì)算速度[12]。寄存器用于暫存浮選機(jī)自動化控制指令、數(shù)據(jù)與地址。IR 的作用是暫時(shí)存儲CPU 的程序指令。ID 屬于CPU 的主要部件，系統(tǒng)執(zhí)行浮選機(jī)自動化控制指令時(shí)，需要通過ID 分析控制指令，得到浮選機(jī)自動化控制的操作碼與地址碼，確定CPU 需要輸出的浮選機(jī)自動化控制指令。暫存器的作用是暫存浮選機(jī)自動化控制算法運(yùn)算過程中形成的數(shù)據(jù)與地址。

圖3 CPU 結(jié)構(gòu)Fig.3 CPU structure diagram

1.3 基于模糊PID 的自動化控制算法

浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)中，PLC 的CPU 利用模糊PID 算法，得到浮選機(jī)自動化控制信息。以液位計(jì)監(jiān)測的浮選機(jī)液位誤差e 以及誤差變化率Δe 為輸入，輸出浮選機(jī)閥門開度，即浮選機(jī)自動化控制信息。當(dāng)選礦廠浮選機(jī)屬于連續(xù)情況時(shí)，模糊PID控制算法的輸出結(jié)果，即浮選機(jī)閥門開度y（t）為

式中：KP為比例系數(shù)；TI、TD為積分、微分時(shí)間常數(shù)；t為時(shí)間；λ 為模糊系數(shù)。

當(dāng)選礦廠浮選機(jī)屬于離散情況時(shí)，模糊PID 控制算法的輸出結(jié)果，即浮選機(jī)閥門開度y（n）為

式中：n 為采樣序號；N 為總采樣次數(shù)；H 為采樣周期。

為提升模糊PID 控制算法的響應(yīng)速度，對KP、TI、TD進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的計(jì)算公式如下：

根據(jù)表1 的模糊規(guī)則，利用式（1）與式（2）計(jì)算浮選機(jī)閥門開度，得到浮選機(jī)自動化控制信息。

表1 浮選機(jī)自動化控制的模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy rules of automatic control of flotation machine

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以某選礦廠的XFD0.5 型浮選機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，該選礦廠內(nèi)共包含2 個(gè)選礦車間，每個(gè)車間的浮選設(shè)備參數(shù)如表2 所示，技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表2 選礦廠浮選設(shè)備參數(shù)Tab.2 Parameters of flotation equipment in concentrator

表3 浮選機(jī)的技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameters of flotation machine

在該選礦廠內(nèi)隨機(jī)選擇1 臺浮選機(jī)，該浮選機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行溫度是40℃，標(biāo)準(zhǔn)壓力在1 MPa～2 MPa之間。利用本文系統(tǒng)采集該浮選機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以采集的浮選機(jī)溫度與壓力為例，浮選機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖4 所示。

圖4 浮選機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of flotation machine operation data

根據(jù)圖4 可知，本文系統(tǒng)可有效監(jiān)測浮選機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，由圖4（a）可知，該浮選機(jī)的溫度從開始運(yùn)行后，逐漸升至40℃左右，該浮選機(jī)運(yùn)行溫度始終在40℃附近波動，且波動幅度較小，說明該浮選機(jī)運(yùn)行過程中泵的軸溫處于正常運(yùn)行狀態(tài)。由圖4（b）可知，該浮選機(jī)的壓力從運(yùn)行后，始終維持在1 MPa～2 MPa 之間，說明該浮選機(jī)泵進(jìn)出口的壓力處于正常運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，本文方法具備浮選機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測的有效性。

設(shè)置該浮選機(jī)初始液位是300 mm，當(dāng)該浮選機(jī)運(yùn)行至10 s 時(shí)，利用本文系統(tǒng)將該浮選機(jī)的液位調(diào)整至350 mm，分析本文系統(tǒng)的浮選機(jī)自動化控制效果，本文系統(tǒng)的浮選機(jī)液位與閥門開度自動化控制結(jié)果如圖5 所示。

圖5 浮選機(jī)液位與閥門開度自動化控制結(jié)果Fig.5 Results of automatic control of flotation machine level and valve opening

根據(jù)圖5（a）可知，本文系統(tǒng)可有效自動化控制浮選機(jī)，在運(yùn)行至17 s 左右時(shí)，本文系統(tǒng)便可將液位控制在350 mm 左右，且自動化控制速度較快，符合選礦廠的生產(chǎn)需求。根據(jù)圖5（b）可知，在自動化控制前期，該浮選機(jī)的閥門開度較小，當(dāng)需要提升液位時(shí)，本文系統(tǒng)可有效自動化控制浮選機(jī)閥門開度，令閥門開度迅速提升至55%左右，閥門開度的控制速度在10 s 左右，控制速度較快，且閥門開度的變化曲線較為平滑，無抖動問題，說明本文系統(tǒng)自動化控制的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

在該選礦廠內(nèi)隨機(jī)選擇3 臺浮選機(jī)，利用本文系統(tǒng)同時(shí)自動化控制3 臺浮選機(jī)，3 臺浮選機(jī)的起止時(shí)間自動化控制結(jié)果如表4 所示。

表4 浮選機(jī)起止時(shí)間自動化控制結(jié)果Tab.4 Results of automatic control of flotation machine start and stop time

根據(jù)表4 可知，本文系統(tǒng)可有效同時(shí)對3 臺浮選機(jī)進(jìn)行自動化控制，經(jīng)過本文系統(tǒng)控制后，3 臺浮選機(jī)的高速起止時(shí)間，均低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，說明本文系統(tǒng)可合理控制浮選機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；3 臺浮選機(jī)的給礦起止時(shí)間，均低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，說明本文系統(tǒng)可合理控制給礦時(shí)間，避免出現(xiàn)浮選機(jī)內(nèi)礦物質(zhì)過多或過少現(xiàn)象；3 臺浮選機(jī)的分礦起止時(shí)間，均低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，說明本文系統(tǒng)可合理控制分礦時(shí)間，提升分礦速度；3 臺浮選機(jī)的分礦起止時(shí)間，均低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，說明本文系統(tǒng)可合理控制充沖礦時(shí)間，加快沖礦速度。綜合分析可知，本文系統(tǒng)可有效自動化控制多臺浮選機(jī)的起止時(shí)間，將不同類型的起止時(shí)間，均控制在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之內(nèi)，加快浮選機(jī)的工作效率。

在該選礦廠內(nèi)隨機(jī)選擇1 臺浮選機(jī)，并在該浮選機(jī)運(yùn)行過程中，添加階躍響應(yīng)與方波響應(yīng)的干擾信號，利用本文系統(tǒng)對該臺浮選機(jī)進(jìn)行自動化控制，分析本文系統(tǒng)在不同干擾信號時(shí)的自動化控制效果，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同干擾信號時(shí)的自動化控制效果Fig.6 Effect of automatic control with different interference signals

根據(jù)圖6 可知，在添加不同干擾信號時(shí)，本文系統(tǒng)均可有效自動化控制浮選機(jī)的閥門開度，且2種干擾信號下，本文系統(tǒng)自動化控制的超調(diào)量均較小，控制時(shí)間均在10 s 左右，控制速度較快。實(shí)驗(yàn)證明，對于不同干擾信號時(shí)，本文系統(tǒng)均可有效自動化控制浮選機(jī)，且超調(diào)量較小，具備較優(yōu)的抗干擾性能。

3 結(jié)語

礦產(chǎn)資源的利用效率屬于目前急需解決的問題，通過浮選機(jī)可有效篩選獲取符合使用需求的礦物質(zhì)，合理控制浮選機(jī)，可加快浮選機(jī)的工作效率。為此，設(shè)計(jì)基于PLC 的選礦廠浮選機(jī)自動化控制系統(tǒng)，依據(jù)PLC 較強(qiáng)的抗干擾性能，提升浮選機(jī)自動化控制效果，為提升浮選機(jī)的回收率提供幫助，對于節(jié)約礦產(chǎn)資源具有重要意義。