基于PID調(diào)節(jié)的磁選柱控制系統(tǒng)優(yōu)化

周亞軍

(唐山安豐機械設(shè)備有限公司)

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基于PID調(diào)節(jié)的磁選柱控制系統(tǒng)優(yōu)化

周亞軍

(唐山安豐機械設(shè)備有限公司)

為解決磁選柱運行中存在的耗水量高、處理量低等問題，對磁選柱控制系統(tǒng)進行了改進，增加了給水量、給礦量的監(jiān)測和控制設(shè)備，利用PID控制調(diào)節(jié)磁選柱的給水量和給礦量。通過對比試驗結(jié)果表明：在同等條件下，改進后的磁選柱控制系統(tǒng)在耗水量、處理量及精礦品位等方面的工藝指標(biāo)均具有小幅提升。

磁選柱控制系統(tǒng) PID調(diào)節(jié)改造 系統(tǒng)優(yōu)化 耗水量 處理量

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，鐵礦石是鋼鐵工業(yè)重要的基礎(chǔ)原料。我國鐵礦石相對較為豐富，然而整體經(jīng)濟可采儲量有限，多數(shù)礦石難以選別，鐵精粉質(zhì)量不高，不能適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展對鋼鐵工業(yè)的要求[1]。

鐵礦石最主要的選別方法是磁選，磁選工藝簡單、無污染。磁選機作為磁選工藝中最重要的選礦設(shè)備，其性能的好壞決定了磁選的效率和效果[2]。磁選機是利用礦物顆粒磁性的差異實現(xiàn)分選的選礦設(shè)備。磁選設(shè)備的發(fā)展很快，磁選柱是一種在鐵礦選廠應(yīng)用廣泛的磁選機。然而，磁選柱在實際使用中也存在一些問題，如對供水量、給礦量的變化敏感，處理量較低、耗水量較大、精礦品位提升難等。改進磁選柱的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有助于提高選廠處理量、降低用水量，提高精礦品位。

1 磁選柱控制系統(tǒng)存在的問題及原因分析

磁選柱的勵磁系統(tǒng)采用直流供電，共3組7個線圈，從上向下第1個線圈為第1組固定磁場線圈，用于吸附尾礦中的細顆粒；第2到第5個為第2組振動磁場線圈，主要用于破壞磁團聚，將精礦向下吸引；第3組為循環(huán)線圈，主要用于將精礦向排礦口吸引。振動線圈和循環(huán)線圈在組內(nèi)從上向下循環(huán)上電，交替往復(fù)。磁選柱的結(jié)構(gòu)見圖1。

磁選柱上部中心向下給礦，下部給水。控制系統(tǒng)通過線圈在分選空間內(nèi)產(chǎn)生特定規(guī)律的磁場，在重力、浮力、水流沖擊力和磁場力的綜合作用下，使磁性礦物質(zhì)在多次強烈的磁聚合和充分分散后，與連生體、礦泥和單體脈石分離，精礦下降，尾礦上升隨水流流走，大幅度提高精礦品位[3]。

圖1 磁選柱結(jié)構(gòu)

在磁選柱的使用中，雖然其具有精度高、無污染、能耗低等優(yōu)點，但也存在一些問題有待改進。原系統(tǒng)中，磁選柱供水和給礦的管路各有閥門一個，在運行中需要操作人員依據(jù)經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)供水和給礦閥門開度，進而改變供水量和給礦量。因此會產(chǎn)生如下問題：

(1)用水量較大，為保證分選效果，一般將供水閥門打開的都比較大，在生產(chǎn)中也很少依據(jù)給礦的情況調(diào)節(jié)供水量。

(2)對供水量的變化較為敏感，供水量的變化改變了磁選柱中上升水流的流速，進而改變了水流的作用力，在磁場力和其他因素不變的情況下，很難把控分選的效果。

(3)處理量較小，為保證分選效果，在運行中磁選柱的處理量均不同程度的低于額定處理量。

(4)對給礦量的大范圍變化比較敏感，當(dāng)給礦量長時間大于磁選柱最大處理量時，為防止“冒黑”現(xiàn)象發(fā)生，精礦閥門打開到系統(tǒng)設(shè)定的上限，難以保證精礦品位。

2 磁選柱控制系統(tǒng)改進措施

針對磁選柱分選過程中存在的上述問題，對磁選柱的控制系統(tǒng)進行改進。一是在供水管路和進礦管路增加供水量、給礦量檢測裝置和電動調(diào)節(jié)閥門；二是在磁選柱控制系統(tǒng)的軟件中針對系統(tǒng)的供水量和給礦量采用閉環(huán)調(diào)節(jié)。

(1)增加檢測及控制設(shè)備。供水管路位于磁選柱的下部，在供水管路上安裝流量傳感器，用來測量磁選柱每小時的用水量。流量傳感器采用電磁流量計，這種類型的流量計技術(shù)成熟，精度能很好的滿足現(xiàn)場要求。供水管路對閥門的耐磨要求不高，選用某型號的對夾式電動軟密封蝶閥。該款閥門結(jié)構(gòu)緊湊、密封可靠、使用壽命長、強度高、流阻小，可以很好的滿足現(xiàn)場需求。

給礦管路位于磁選柱的上部，在給礦管路上安裝流量傳感器，用來檢測設(shè)備每小時的處理量。給礦調(diào)節(jié)閥門在工作狀態(tài)下，長期和流動的礦漿接觸，因此工作的穩(wěn)定性、耐磨性等要求較高。同時，在工作中還有以下要求：不能產(chǎn)生過大的流阻，不能產(chǎn)生阻塞，不存在間隙防止關(guān)死閥門，維護費用低、維護方便。綜合上述要求，可選用某型號的電動式管夾閥。

(2)采用閉環(huán)的方式調(diào)節(jié)供水量和給礦量。系統(tǒng)的供水、給礦管路上安裝了相應(yīng)的檢測設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)后，對磁選柱控制系統(tǒng)針對供水和給礦進行閉環(huán)控制提供了硬件的支持。閉環(huán)系統(tǒng)在輸出端和輸入端有反饋回路，具有偏差小、精度高、對外部擾動不敏感等優(yōu)點，單頁存在穩(wěn)定性、振蕩和超調(diào)等分析，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計較為復(fù)雜[4]。

3 改進后磁選柱供水、給礦的調(diào)節(jié)原理及控制過程

3.1 調(diào)節(jié)原理

在供水調(diào)節(jié)中增加流量計和執(zhí)行器后，由原有的開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制，利用閉環(huán)系統(tǒng)對外部擾動不敏感的優(yōu)點，可解決主供水管路水壓變化對供水量的影響。系統(tǒng)供水調(diào)節(jié)的控制原理見圖2。

用水量的給定信號來源于用戶在系統(tǒng)人機界面的設(shè)定，控制器為西門子小型PLC，執(zhí)行器為電動調(diào)節(jié)閥門，被控對象為設(shè)備的用水量，測量設(shè)備為流量計。系統(tǒng)的擾動主要來源于主供水管路上管道壓力的變化。由于選礦廠用水設(shè)備較多，系統(tǒng)的擾動持續(xù)存在且對系統(tǒng)形成較大的干擾。

圖2 供水調(diào)節(jié)控制原理

由圖2可知，在改進后的磁選柱控制系統(tǒng)中，供水調(diào)節(jié)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制自動控制是一種基于反饋的控制方式，測量、比較和執(zhí)行是反饋調(diào)節(jié)的3個要素。控制器通過對比測量值和給定值的差值，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出。在實際應(yīng)用中較常用的是PID控制。PID控制器由比例控制P、積分控制I和微分控制D組成。PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)的超調(diào)有增大的可能性；微分控制可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度并減弱超調(diào)的趨勢[5]。

在西門子小型PLC的編程軟件STEP7 Micro/WIN中，內(nèi)置了一個“PID調(diào)節(jié)控制面板”的工具，用于完成PID參數(shù)的調(diào)試。PID調(diào)節(jié)器有4個參數(shù)(TS、TC、TI、TD)，這4個參數(shù)很重要。正確的確定這4個參數(shù)可以提升系統(tǒng)的控制性能，不合理的參數(shù)會影響系統(tǒng)的靜態(tài)性能，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際的運行中，依據(jù)現(xiàn)場的情況，選擇PI控制或者PID控制并整定參數(shù)[6]。磁選柱的給礦調(diào)節(jié)原理和供水調(diào)節(jié)原理類似。

3.2 調(diào)節(jié)過程

在改進前的系統(tǒng)中，操作員完成供水閥門的調(diào)整后，主供水管路的壓力變化會直接影響磁選柱的供水量。

在改進后的系統(tǒng)運行過程中，操作人員依據(jù)給礦量和工藝水用水要求設(shè)定好用水量后，流量計檢測當(dāng)前用水量，和給定的用水量做差，差值進入控制器，通過PID算法運算后，交給電動閥調(diào)節(jié)閥門開度，完成一個調(diào)節(jié)的周期。經(jīng)過幾個周期的調(diào)節(jié)，供水量可以接近設(shè)定值。在操作員改變了用水量設(shè)定值后，新設(shè)定的用水量和檢測到的用水量的差值，進行運算、調(diào)節(jié)后，供水量會接近新的設(shè)定值。

在設(shè)定值不變，主供水管路壓力發(fā)生變化的情況下，系統(tǒng)同樣可以快速的自動調(diào)節(jié)，使供水量達到設(shè)定值。主供水壓力變小(變大)的時候，磁選柱供水量變小(變大)，流量計檢測到的供水量和設(shè)定的供水量之差為正值(負值)，差值經(jīng)過PID控制器的運算，通過模擬量輸出模塊驅(qū)動閥門開度變大(變小)，將供水量調(diào)節(jié)大(小)。

給礦調(diào)節(jié)的過程和給水調(diào)節(jié)的過程類似。

4 改進后磁選柱的效果

為了檢驗改進后的磁選柱控制系統(tǒng)能否解決分選過程中用水量高、處理量小、精礦品位相對較低等問題，采用馬坑礦業(yè)選礦廠細度為-0.074 mm 90%的礦樣在廠內(nèi)試驗室進行試驗，與未改進前的磁選柱控制系統(tǒng)進行對比。控制系統(tǒng)改進前后磁選柱選礦結(jié)構(gòu)的對比結(jié)果見表1。

表1 磁選柱控制系統(tǒng)改進前后磁選柱選礦結(jié)果對比

注：試驗中，在幾個相同的時間點增大、關(guān)小給水管路的壓力和瞬時給礦量以模擬現(xiàn)場給水?dāng)_動和給礦擾動。

由表1可知，在用水量接近的情況下，磁選柱控制系統(tǒng)改進后的處理量較大，且精礦全鐵品位較高；在處理量接近的情況下，改進后的用水量較小且精礦全鐵品位較高；在處理量和用水量接近的情況下，精礦全鐵品位有較為明顯的提升。

5 結(jié) 論

(1)基于PID調(diào)節(jié)的改進后，磁選柱控制系統(tǒng)能有效的抑制現(xiàn)場給水?dāng)_動和給礦擾動的干擾，較為精確、迅速的控制給水量和給礦量，用水量有所降低，處理量和精礦品位均有所提升。

(2)改進后的系統(tǒng)自動控制程度較高，避免了操作人員需要不斷的依據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)給水量和給礦量的情況，降低了操作人員的工作強度。

(3)改進后的磁選柱控制系統(tǒng)在少量投入的前提下，具有提升磁選柱選礦效率和效果的潛力，具有一定的研究價值。

[1] 劉 軍.中國鐵礦資源的現(xiàn)狀與對策[J].中國礦業(yè)，2009，12(1):1-4.

[2] 李 振.鐵礦分選技術(shù)進展[J].金屬礦山，2008(5):1-6.

[3] 陳廣振.磁選柱及其工業(yè)應(yīng)用[J].金屬礦山，2002(9):30-31.

[4] 胡壽松.自動控制原理[M].5版.北京：科學(xué)出版社，2007.

[5] 孫 義.平板車行走驅(qū)動系統(tǒng)實驗臺設(shè)計及仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[6] 廖常初.S7-200 PLC基礎(chǔ)教程[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

2016-10-10)

周亞軍(1989—)，男，碩士研究生，助理工程師，301501 河北省唐山市漢豐產(chǎn)業(yè)園區(qū)建業(yè)支路1號。