基于西門子S7-1200的礦漿液位測控系統研究

冒守靖，孫達倫，李東明，閆杰

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

浮選是現在應用最廣、最成熟的選礦方法之一，浮選技術的良好發展將會推動采礦業更好更快的發展。在有色冶金的選礦流程中，90%的選礦作業使用的是浮選工藝，與此同時礦漿液位作為直接影響選礦品位的關鍵參數就顯得格外重要[1-5]。礦漿的構成復雜，為固、液、氣構成的三相混合物，礦漿表層有5～10 mm厚的泡沫，這使得礦漿液位的測量存在很大的難度。因此，研究浮選的礦漿液位自動控制系統具有重大的理論與現實意義。本研究基于礦漿液位控制大滯后的特點，設計了基于西門子 S7—1200PLC與薄膜壓力變送器的液位檢測與實時控制系統，為進一步提高選礦效率以及實現整個浮選工藝的自動化提供了技術支撐。

1 液位檢測控制系統構成

液位檢測控制系統由液位檢測系統、推力頂桿系統、視頻采集系統、自控系統4部分構成（見圖1）。本系統應用于浮選槽，使用氣體溢流法和平膜壓力變送器測得的氣壓值，并通過西門子 S7—1200PLC數字濾波以及MATLAB進行數值模擬得到液位值。根據得到的液位值自控系統可以控制推力頂桿系統開關閥，從而進行液位控制，視頻采集系統用于將采集到的浮選槽的實時圖像傳至控制室的工控機，方便操作人員進行遠程控制。

圖1 液位測控系統結構

1.1 液位檢測系統

由于浮選礦漿是一種由液、固、氣構成的三相混合物，其濃度會實時變化。為了能得到浮選礦漿的實時液位值，提高液位值的可靠性與靈敏性，本系統采用兩套氣體溢流裝置，兩套裝置安裝時有一定的高度差Δh，高度差產生氣壓差：

可以由氣壓差算出礦漿的實時密度：

式中，g為當地的重力加速度。

再由密度數據與薄膜壓力變送器的壓力值就可以得到液位值：

1.2 推力頂桿系統

推力頂桿系統由直行程開關式電動執行器與被控閥門構成，電動執行器以交流220 V、50 Hz電源作為驅動電源，通過驅動一個二相電機帶動機械結構運轉。電機帶動皮帶輪，使齒輪配合傳動。螺旋套轉動，螺旋套和輸出軸由梯形螺紋相連。輸出軸帶有防止轉動的止轉銷，因此螺旋套的轉動帶動輸出軸作上、下運動，從而完成開關閥的操作。在電動執行器工作的同時，輸出軸的直線位移會反饋給電動執行器的電位計，根據反饋的點位信號，位置反饋模塊會輸出 4～20 mA 的反饋電流給西門子S7-1200PLC，從而獲取閥位的開度信息，閥位開度信息作為重要的參考數據也會同步反映在組態軟件中。

圖2 電動執行器

1.3 視頻采集系統

為了能更直觀地觀察到礦漿液位的實時狀況，在浮選槽的兩邊安裝攝像頭，通過網線連接控制室的視頻硬盤錄像機與電視，視頻信號與數據檢測的數字信號同時反饋當前的液位狀態，更直觀的反饋可以免除人工的定時巡檢。

1.4 自控系統

平膜壓力變送器將實時氣壓數據轉換為 4～20 mA的電流數據，4～20 mA電流再由西門子的模擬量I/O模塊6ES7234-4HE32-0XB0傳入S7-1200PLC，由博圖軟件根據式（1）、式（2）、式（3）換算出實時的壓力值，實時壓力值經過算術平均值法的數字濾波算法可得到穩定的液位數據。

浮選槽是一種大滯后系統，大滯后系統的控制向來是一個難點，閥位變化后液位的變化通常要在數分鐘后才會有明顯體現。為防止浮選槽礦漿液位的反復震蕩，在控制軟件中加入趨勢預測程序，根據液位在一段時間內的微分量判斷當前液位的變化趨勢，以此來控制閥位的開關百分比，防止浮選槽礦漿液位發生震蕩，從而降低選礦效率造成的尾礦品位過高。

根據趨勢預測的算法可以更準確地判斷當前的開關閥決策，當趨勢預判的程序作出開關閥的決策判斷時，西門子S7-1200PLC會通過控制中間繼電器輸出AC220V、50 Hz電壓給電動執行器，從而控制閥門的開關。

2 系統軟件設計

2.1 數字濾波

在浮選工作進行時，礦漿存在劇烈的攪拌，礦漿液面波動劇烈，為了使液位數據具有參考價值，需要對液位值進行數字濾波。數字濾波可以通過計算公式和篩選減少噪音信號的占比，從本質而言，數字濾波是一種程序濾波，其突出優點如下：

（1）數字濾波完全由算法編程實現，不需要再增加額外的模塊，可簡化系統，提高系統的穩定性。

（2）面對低頻率系統，數字濾波依然有效，反而模擬濾波在面對低頻系統時有諸多缺陷。

（3）數字濾波的參數調整靈活，并且可以根據不同的系統采用不同的濾波算法。

考慮到液面的波動基本符合正弦波，所以該系統采用跨周期取平均值的方式進行數字濾波：

使用西門子S7-1200PLC的中斷函數，每隔50 ms取一個液位值，連續取30個液位值，去除一個最高值與一個最低值，對其余的28個值取平均值，通過算術平均值法可以得到穩定的液位數據。

2.2 趨勢預測

工業生產中廣泛存在大滯后系統，大滯后系統的控制一直是工業控制的難題，系統存在的時滯性會使當前給與系統的控制變量難以立刻引起系統狀態的改變，所以時滯性越明顯，系統的超調越大，控制也會更加困難[6-9]。

趨勢預測算法主要根據液面在單位時間內的變化量判定開關閥狀態。在理想狀態下，當液位值在距離設定液位差距較大時應該快速接近設定液位，而當液位在距離設定液位很接近時，應該在實時液位繼續靠近設定液位的趨勢下減少液面的變化速度，使液位值以平緩的變化速度達到設定液位值。趨勢預測算法既能滿足快速調整的要求，又能防止實時液位值在設定液位值左右發生震蕩。

在博圖軟件系統中添加循環中斷程序塊，每隔一個時間常數取一個實時液位值，時間常數可根據實際情況進行動態調整，得出最優值，同時用當前采樣的液位值與上一時段的液位值做差，該差值即為一個時段的液位變化量k。實時液位值與設定液位值做差得到液位差值Δh。趨勢預測算法基于1 min液位變化量與實時液位值設定液位差值。基于趨勢預測的開關閥控制程序流程如圖3所示。

圖3 趨勢預測控制程序流程

3 測試效果與分析

3.1 測控效果

本礦漿液位檢測系統在攀枝花某選鈦廠進行了為期兩個月的生產測試，采集兩個月以來的實時液位值，設定液位值，實時閥位開度值以及兩個薄膜壓力變送器的實時壓力值，在軟件中編寫數據庫對采集的數據進行記錄，表1為2021年4月29日的部分采集數據。

表1 液位采集數據

3.2 測控分析

在實際生產過程中，礦漿的流量、濃度、浮選槽中氣量均存在變化，這些變化均會對液位產生影響，但是經過數字濾波與趨勢預測算法決策后，本礦漿液位檢測控制系統依然有很好的控制效果，誤差基本控制在±0.5 cm內，控制靈敏，能夠在礦漿液位變化時及時的開關閥，快速調整液位的同時系統也并沒有出現明顯的震蕩。

4 結論

以西門子S7-1200為控制平臺，通過液位數字濾波與液位變化趨勢預測算法實現了對礦漿液位自動化控制，成功在攀枝花某選礦廠完成了生產測試，能夠高精度控制液位值在指定液位。整個系統結構簡單，更換檢查清洗容易，工作穩定，控制靈敏，能直觀地觀測礦漿液位情況。為接下來整個浮選生產線的自動化提供了技術參考與支撐。相對于傳統的液位控制方式，明顯提升了液位控制系統的靈活性和數據處理的實時性，極大地提升了選礦的效率。