基于PLC的旋流器自動控制系統的設計與實現

摘 要： 為了提高旋流器的底流濃度，對細砂與水的混合液進行濃縮試驗。驗證了給料壓力與溢流口壓力的差值在一定范圍內與旋流器的底流濃度正相關。以此為依據，設計了一種濃縮型旋流器的自動控制系統。該系統以PLC為主控制器，采用模糊PID控制算法，實現了對給料壓力與溢流口壓力之間差值的跟隨；采用西門子TD400C文本顯示器，實現了實時顯示、人機對話和系統報警功能。試驗結果表明，該系統的應用提高了濃縮旋流器的工作效率，并消除了以往通過盲目增加給料壓力來提高濃縮旋流器底流濃度而產生的安全隱患，證明了該系統具有較高的工業應用價值。

關鍵詞： PLC； 模糊PID； 自動控制； 旋流器； 人機對話

中圖分類號： TN876?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0098?04

0 引 言

濃縮型旋流器是一種常見的濃縮分選設備。當待濃縮的混合液以一定壓力從入料口進入旋流器內后，產生強烈的三維橢圓型強旋轉剪切湍流運動。根據離心沉降作用原理，同時受顆粒的粒度、密度、形狀等因素的影響，大部分粗顆粒經旋流器底流口排出，而大部分水分由溢流管排出[1]。因此，旋流器在濃縮與分級方面具有不可替代的作用，在煤炭、礦業、環保等領域廣泛使用。

根據旋流器工作原理，并通過工業性試驗研究發現，保證將旋流器的給料壓力及給料濃度控制在一定范圍內，是使旋流器處于最佳工作狀態的保障。所以旋流器自動控制系統的關鍵就是合理控制旋流器入料壓力和溢流口壓力之間的壓力差，通過調節該壓力差實現對底流濃度的有效控制與調節[2]。本文研究在總結國內現有旋流器控制方法的基礎上，提出了一種基于PLC和模糊PID算法的旋流器自動控制系統[3?4]，并成功應用于生產實踐。實踐證明，本文中系統的應用有效提高了旋流器的自動化程度和工作效率，具有良好的應用前景。

1 系統結構

根據旋流器的基本功能要求，分析本文設計的基于PLC和PID模糊控制的旋流器自動控制系統的性能特點，確定了系統方案。系統結構由電源模塊、核心控制模塊、信息采集模塊（壓力變送器）、執行模塊（電動模擬調節球閥和氣動開關球閥）和人機交互模塊組成，系統結構框圖如圖1所示。

其中電源模塊負責為系統各個部分提供可靠的電能，是保證整個系統安全穩定運行的前提。整個系統的功能實現為：壓力變送器1和2分別采集到進料口和溢流口的壓力值，進而得到壓力差；利用核心控制模塊PLC對采集到的電壓數據進行處理，并應用模糊控制算法優化PID參數，得出控制量來控制安裝在溢流口的電動模擬調節球閥，從而實現進料口與溢流口之間的壓力差可調的控制目標；利用壓力變送器3采集底流口的壓力值，并通過PLC控制底流口氣動球閥的開關狀態，從而達到控制底流流量的目的；采用西門子TD400C文本顯示器，實現實時顯示、人機對話和系統報警功能。

2 系統硬件設計與工作原理

依據上述系統結構和控制要求，設計系統的原理圖如圖2所示。

（1） 電源部分

以220 V市電作為系統供電的主電源，經斷路器分別為變壓器和直流開關電源提供一次側電壓。其中，變壓器二次側輸出電壓為交流24 V，分別為溢流閥、入料閥和底流閥提供工作電壓，同時變壓器的電氣隔離作用保證了系統的穩定運行和操作人員的安全。直流開關電源二次側輸出電壓為直流24 V，分別為三個壓力變送器提供工作電壓。斷路器SF閉合，指示燈D1亮起表示電源給系統供電，指示燈D2亮起表示PLC運行。

（2） 主控制器部分

主控制器選擇西門子公司S7?200系列的小型PLC，電源電壓為DC 24 V。為了提高系統的穩定性和方便檢修，設有自動和手動兩種工作模式。系統上電后，操作人員可通過自鎖開關SA1進行模式切換。兩種模式的具體工作情況如下：當開關SA1打到自動模式時，系統自動運行，各部分壓力變送器采集當前壓力值的模擬量（0～10 V）并傳送到PLC。經數據處理后，將入料口和溢流口的當前壓力差作為模糊PID的入口參數，經PID運算得到的出口參數即為溢流口電動模擬調節球閥的實際控制信號。故當前壓力差能夠快速準確地跟隨給定值，從而提高了旋流器的濃縮效果。當系統發生故障或檢修時，操作人員可將開關SA1打到手動模式。同時可通過操控三檔位開關SA2，SA3和SA4實現一系列的運行要求。

（3） 人機交互單元

選擇西門子公司的TD400C文本顯示屏，其供電方式與PLC的通信連接采用有源四線制接線方式[5]，該接線方式接線簡單且提高了供電和數據傳輸的穩定性。當系統正常運行時，屏幕實時顯示旋流器各部分的壓力值、壓力差和各閥門的開度。操作人員可以通過按鍵設置系統的運行參數，如壓力差給定值、閥門開度給定值和閥門開關的延時時間等。一旦旋流器由于某種原因出現堵塞，各部分壓力必定超出正常范圍，其壓力信號傳至PLC，則PLC自動判斷故障、停車并通過顯示屏報警。

3 模糊PID算法的應用

系統通過控制入料口和溢流口之間的壓力差實現對電動模擬量調節球閥開度的控制。以往研究中應用較多的是PID控制算法，即比例?積分?微分控制。PID控制器是一種線性控制器，因其控制簡單、對系統參數要求不高、能夠根據經驗和現場調節控制參數而得到廣泛應用[6?9]。因為PLC系統是離散采樣控制系統，為了將PID算法應用到PLC控制系統中，將PID算法進行數字化，其公式如式（1）所示：

[uk=KPek+TTIe（j）+TDTek-ek-1] （1）

式中：[uk]表示控制作用；[ek]表示設定值與輸出值的偏差；[KP，][KI=KPTTI，][KD=KPTTD]分別為比例、積分和微分系數。比例、積分和微分系數大小的設定對于判斷一個PID控制器工作是否穩定、輸出是否精確是非常重要的。然而旋流器各部分壓力值受環境影響很大，且電動模擬量調節球閥的控制系統存在反應滯后的特點，使得PID控制參數沒有自適應工況變化的能力， 嚴重影響了系統的控制效果。隨著人工智能技術的發展，人工智能算法[10?11]不斷應用于實踐，如神經網絡算法、模糊控制算法、專家系統等，其中模糊控制算法因其控制原理簡單、控制性能好，尤其適應于線性度弱與滯后系統的控制而得到廣泛應用。模糊控制算法最主要的特征是能夠反映專家的經驗以及人們的常識推理規則，該算法不需要計算出被控對象精確的數學模型，便可通過模糊推理規則對系統被控參數進行調節，從而達到對整個系統控制的目的。模糊控制算法的結構圖如圖3所示，由輸入量模糊化、模糊推理（模糊決策和模糊控制規則）和反模糊3個部分組成。模糊化過程將輸入基本論域的精確量轉化為模糊論域的離散量，并根據隸屬度函數和模糊語言將精確量轉化為模糊量；經過模糊推理，即根據if?then語言規則，生成控制作用的模糊量；該模糊量經過反模糊化生成精確的控制量作用于被控對象。

根據上述特點，本控制系統采用了雙輸入三輸出的模糊控制器，輸入量為入料口和溢流口壓力差給定值與實際測量值的偏差[e]以及偏差變化率[ec，]輸出量為比例系數[KP，]積分時間[TI，]微分時間[TD，]模糊控制結構圖如圖4所示。由圖4可知，控制過程為壓力傳感器實時采集各部分壓力值，即入料口與溢流口的壓力差并與給定值比較，得到壓力差偏差[e]以及偏差的變化率[ec，]并以此作為PLC 控制器的輸入變量，經模糊控制器輸出比例系數[KP，]積分時間[TI，]微分時間[TD]給PID控制器進行調節。從而實現了對PID參數的在線修正，可以滿足不同時刻壓力差偏差及變化率對控制器參數的不同要求，從而使整個系統具有良好的動、靜態特性。

4 實驗驗證

控制系統部分實物圖如圖5（a）所示，本次實驗采用型號為FX?250的濃縮型旋流器，其主要參數如下：圓筒內徑為250 mm，錐角為15°，溢流管直徑為115 mm，底流口直徑為40 mm，給料壓強為0.2～0.4 MPa，實驗臺如圖5（b）所示。

采用直徑為95 μm的石英細砂作為主要濃縮介質，并以2[∶]10的比例與水混合，為保證濃度混合均勻，實驗過程中始終對混合物進行攪拌。實驗結果如表1所示。

分析上述實驗數據可知，系統通過控制入料口和溢流口的壓力差即可實現對旋流器濃縮濃度的控制。在一定范圍內，隨著壓力差的增大，底流石英細砂的含水量逐漸降低，濃縮濃度越來越高。在入料口壓力為0.4 MPa，溢流口壓力為0.2 MPa，壓力差為0.2 MPa時，旋流器在所設計的自動控制系統的控制調節下達到了最好的工作狀態。

5 結 語

為了消除以往通過盲目增加給料壓力來提高濃縮旋流器底流濃度而產生的安全隱患，本文設計了一種基于PLC和模糊PID控制的旋流器自動控制系統，該系統具有以下特點：采用模糊PID算法實現了對壓力差值的跟隨，從而自動控制旋流器工作在最佳工作狀態；實驗結果驗證了本系統在分級濃縮方面尤其是在煤泥水脫水過濾、礦物細磨浮選、金礦的碳漿氧化、選礦、尾礦處理等方面具有很高的應用價值。

參考文獻

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