SLon磁選機自動控制系統的設計與實現

摘 要：為了保證Slon磁選機具有良好的選礦性能，必須設計出可靠的自動控制系統。文章以西門子S7-200型PLC為控制系統，應用PID控制算法實現對主要運行參數的控制，提高了磁選機的工作性能。

關鍵詞：Slon磁選機；自動控制系統；研究設計

將Slon立環脈動高梯度磁選機應用于工業生產中，有效解決了礦石中小直徑鈦鐵礦、弱磁性鐵礦和多種非金屬礦石選擇過程的技術難題，選礦性能的提高必須以先進的自動控制技術為依托。在礦產企業自動化生產技術不斷提高的同時，磁選機逐漸成為生產過程中的重要設備，也對該設備提出了較高的控制要求，必須可靠接入企業的整體自動控制系統。文章對Slon立環脈動高梯度磁選機的工作原理進行了介紹，分析了設計要求，提出了自動控制系統中的硬件和軟件設計。該系統中以西門子S7-200 PLC作為控制單元，應用可靠的PID控制算法，實現可控硅數字整流裝置的控制，整機的綜合性能得到提高。為了保證人機友好交流，在人機交流界面中選用TP170B觸摸屏，以實現生產過程的一體化。

1 Slon磁選機工作原理

從結構上講，SLon立環脈動高梯度磁選機主要包括脈動機構、勵磁線圈、鐵軛、轉環和不同種類的礦斗、水斗等，在該系統中應用導磁不銹鋼的圓棒作為重要的磁傳輸介質。磁選機工作過程中，直流電通入勵磁線圈中，在分選區內產生一個感應磁場，在該區域內的磁介質表面將會出現非均勻的高梯度磁場，轉環在順時針旋轉的過程中不斷將磁介質傳傳入和送出分選區，從給礦斗位置灌入礦漿，礦漿沿上鐵軛縫隙經過轉環，磁介質表面上回吸附一定量的礦漿中的磁性顆粒，磁性顆粒在轉換的運動過程中到達頂部無磁場區域，沖洗水將磁性顆粒充入精礦斗，而非磁性顆粒會在重力和脈動流體力的共同作用下穿過磁介質堆，經過下鐵軛縫隙之后進入到尾礦斗中排出。

2 自動控制系統設計

2.1 控制要求

以SLon磁選機的工作原理為設計依據，以保證系統高效穩定工作為主要目的，現歸納總結出自動控制系統的設計要求。

第一，需要產生穩定的直流勵磁電流。該部分需要借助三相半控整流電流變壓器和可控硅觸發單元。為了適應眾多型號SLon磁選機的工作需求，在人機交流界面上設定出勵磁電流的大小，為了保證有穩定的磁場強度，需要使設置的勵磁電流相對穩定，因此可以應用PID算法實現電流控制。第二，明確SLon磁選機的工作過程，提高系統的安全性，保證轉環的電機、勵磁單元和脈動電機按照設計的順序啟動和停止，采用可靠的互鎖方案。生產過程中，勵磁單元需要在通風電機、脈動電機和轉環電機都啟動后再啟動，避免出現勵磁單元啟動無效的問題。如果通風電機、脈動電機和轉環電機中有任何一個出現停止的問題，勵磁單元必須無條件停止，同時發出警告。第三，系統需要對可控硅進行可靠的保護。如果相關可控硅元件的工作溫度超過40℃，通風電機將會高速運轉，如果可控硅元件的工作溫度低于38℃，通風電機將會低速運轉。第四，如果磁選機系統中出現缺相、超溫、欠壓、過流和短路的問題，必須實現自動安全關閉，磁選機停止工作，發出故障警告。第五，為了保證磁選機系統與企業的生產控制系統有良好的兼容性，借助于上位機通信相對應的通信接口，提供數據交換區實現不同變量的存儲。

2.2 硬件系統設計

磁選機自動控制系統中的硬件主要包括西門子S7-200PLC主機、模擬量輸入和輸出模塊、TP170B觸摸屏（實現人機交流）、可控硅整流單元（其中包含三相半空整流電路和觸發器）、溫度變送器、電流變送器和電壓變送器等。該自動控制系統中以S7-200PLC作為重要的控制部分，該控制系統中包含24個數字量輸入點數和16個數字量輸出點數，由于該控制部分沒有模擬量的輸入和輸出單元，因此在應用過程中需要進行適當的擴展。

人機交流部分選用TP170B彩色觸摸屏，便于操作人員在生產過程中完成對多項參數的設定，便于及時找出故障。借助PPI協議保證TP170B觸摸屏能夠與S7-200PLC主機之間可靠通信，通信單元選用RS485接口，應用屏蔽式雙絞線實現PPI通信。為了實現交流電向直流電的轉換，需要應用穩定的可控硅整流電路，以磁選機需要應用的勵磁電流值大小為依據設定整流后的直流電流，實際應用中發現最大直流電流高大1600A。設計過程中通過對觸發器觸發角的控制實現對勵磁電流值的改變[1]。

硬件系統中的溫度變送器、電流變送器和電壓變送器實現可控硅元件溫度、勵磁電流和勵磁電壓的轉換，將轉換后的參數值傳輸到PLC主機的模擬量輸入和輸出模塊中，經過模數轉換后將模擬信號轉換為數字信號，并及時將信號顯示在觸摸屏上。PLC程序處理數字信號好控制風機的啟動和停止，保證可控硅元件始終工作在允許的溫度環境下，同時保證勵磁電流值始終穩定在設定值。

應用多點接口網絡的通信方式保證S7-200PLC與上位監控機之間可靠通信，由于該PLC中不包含通信接口，因此在使用過程中必須對通信模塊進行擴展，一般在上位機中裝入可靠的通訊卡即可，完善硬件通信系統。

2.3 軟件系統設計

在S7-200PLC系統應用過程中需要借助專用的編程系統完善軟件編程，實現控制程序的編程、下載和通信組態規劃等。設計過程中應用梯形圖編寫PLC程序，控制程序主要實現對勵磁電流的控制。在實際應用過程中，電流變送器檢測及時檢測出實際勵磁電流值，將電流參數傳輸到系統中模擬量的輸入和輸出單元，將參數信息寫入PLC系統中，CPU會將參數信息與人機交互單元中的設定值進行對比，在分析對比結果的基礎上應用PID控制算法對需要的控制量進行計算，應用模擬量的輸入和輸出模塊實現對觸發器觸發角的控制，同時實現對整流電流值的控制，保證勵磁電流始終保持在用戶設定的值。另外，PLC程序中選用了軟啟動控制方法，以避免電流上升速度太快燒毀勵磁線圈的問題，設計過程中還充分考慮了遠程控制要求，并將歷史故障查詢功能加入到人機交互系統中。

在觸摸屏人機界面設計過程中，需要保證用戶能夠及時查看所有的現實參數、歷史故障和信息存儲，界面設計簡單明了，便于用戶正確操作。人機界面系統應用西門子公司的HMI組態軟件，人機界面設計重點做好以下六個方面工作。

第一，系統主界面設計。系統的主界面顯示出生產過程中的勵磁電流、勵磁電壓和溫度信息，同時還可以查看勵磁電流的變化趨勢，主界面中包含用戶設定勵磁電流的輸入框，顯示出勵磁電流值是否存在問題，同時便于用戶及時查看系統的工作狀態，實現參數設定，明確報警記錄，顯示產品信息等，用戶點擊相應的菜單就會顯示出對應的界面[2]。第二，系統工作狀態界面。該界面中及時顯示出通風電機、轉換電機和脈動電機的工作狀態。第三，參數設定界面。該界面中實現用戶對PID控制算法的設置，便于設定勵磁電流的范圍值和軟啟動的時間。第四，報警記錄界面。該界面中正確顯示出歷史故障記錄，精確查詢故障發生的時間和原因。第五，產品信息界面，主要顯示出產品的信息。第六，時間校準界面。該界面中實現用戶的觸摸時間的校準。

3 結束語

將本設計系統應用于實際生產過程中，提高了磁選機機電控制的可靠性，將西門子PLC控制部分應用于磁選機中，借助良好的人機交互系統提高選礦能力。生產過程的綜合性能得到提高，降低了工作人員的勞動強度，便于重要參數的設定和查詢，為系統規劃和生產調度奠定了重要的基礎，系統的運行管理水平得到提高。

參考文獻

[1]盧俊穎，王化軍，方昊，等.基于計算機軟件模擬的板式磁選機磁系設計[J].計量檢測，2015，15（1）：108.

[2]黃焦宏.高梯度強磁力永磁磁選機磁系的研究與磁場計算[J].華北電力大學學報，2014，35（z1）：60.