基于PLC 的選礦廠浮選機自動化控制系統設計

王永高

（伊春鹿鳴礦業有限公司，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備是浮選機[1]，該設備是依據礦石與粉末間的密度與親水性，完成礦物原料分選[2]。但普通的浮選機存在生產效率低、故障發生率高等問題。為此，需要設計浮選機自動化控制系統，通過合理控制浮選液面高度與浮選時間等參數，提升浮選機的礦物原料分選效果[3-4]。文獻[5]通過C 語言編寫應用程序，設計選礦廠浮選機自動化控制系統，采用電氣控制根據運行參數采集結果，制定自動化控制策略，完成選礦廠浮選機自動化控制。文獻[6]利用浮選液位回路控制算法，制定自動化控制策略，通過人機交互操作界面，呈現浮選機自動化控制結果。以上兩個系統的抗干擾性能較差，易受外界因素影響，導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是以大規模集成電路技術，與嚴格的生產工藝制作完成的，其內部電路具備較高的抗干擾性能[7-8]，且可靠性較高。為此，本文設計基于PLC 的選礦廠浮選機自動化控制系統，有效提升選礦廠的生產效率。

1 選礦廠浮選機自動化控制系統

以PLC 為核心，設計選礦廠浮選機自動化控制系統，該系統的結構如圖1 所示。

圖1 選礦廠浮選機自動化控制系統結構Fig.1 Structure diagram of automatic control system of flotation machine in concentrator

利用液位計監測選礦廠浮選機水池液位高低，作為浮選機開機或關機的主要依據。利用控制柜將液位計、壓力傳感器、溫度傳感器與流量傳感器監測到的浮選機相關數據進行整合，并由PLC 的數字量輸入模塊，傳輸至PLC 的CPU 內。CPU 利用模糊PID 控制算法，以浮選機系統的液位誤差以及誤差變化率為輸入，輸出浮選機閥門開度，經由PLC 的I/O 模塊傳輸至變頻器內。變頻器依據接收的閥門開度，自動化控制浮選機的閥門。PLC 根據壓力傳感器、溫度傳感器與流量傳感器的監測結果，自動控制浮選機的開啟停止開關、報警開關與手動自動開關。

交換機負責轉換PLC 輸出的浮選機自動化控制結果，并由觸摸屏顯示自動化控制結果，通過觸摸屏實現人和設備的交互。

1.1 選礦廠浮選機自動化控制系統的I/O 模塊

選礦廠浮選機自動化控制系統的PLC 內I/O模塊，負責傳輸中央處理器輸出的自動化控制信息至變頻器內。I/O 模塊的結構如圖2 所示。I/O 模塊內的單片機型號是STM32F103C8T6，該單片機以精簡指令集與哈佛總線結構傳輸CPU 輸出的浮選機自動化控制信息，其實用性較強、成本低、功耗低、抗干擾性能強。通過隔離總線通信電路，確保信息傳輸過程中的安全性[9]。通過單片機控制信號調理電路，對浮選機自動化控制信息進行放大與濾波處理，濾除控制信息的內部噪聲。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自動化控制信息[10]，影響浮選機的自動化控制效果。I/O 模塊信息傳輸方式是CAN 總線。I/O模塊具備較優的信息傳輸性能，以及強大的信息處理性能[11]。

圖2 I/O 模塊結構Fig.2 Structure diagram of I/O module

1.2 選礦廠浮選機自動化控制系統的CPU 模塊

選礦廠浮選機自動化控制系統的PLC，利用CPU 進行浮選機自動化控制算法的運算，得到自動化控制信息。CPU 的結構如圖3 所示。CPU 中通過程序計數器存儲浮選機自動化控制指令地址，程序計數器內包含正在執行的浮選機自動化控制指令。在各指令被獲取情況下，其存儲的指令地址加一。一個指令被獲取后，程序計數器會指引CPU 執行下一個指令。PSW 的作用是呈現指令執行過程中CPU的狀態信息。累加器用于存儲CPU 進行浮選機自動化控制計算過程中形成的中間結果，可加快CPU 的浮選機自動化控制計算速度[12]。寄存器用于暫存浮選機自動化控制指令、數據與地址。IR 的作用是暫時存儲CPU 的程序指令。ID 屬于CPU 的主要部件，系統執行浮選機自動化控制指令時，需要通過ID 分析控制指令，得到浮選機自動化控制的操作碼與地址碼，確定CPU 需要輸出的浮選機自動化控制指令。暫存器的作用是暫存浮選機自動化控制算法運算過程中形成的數據與地址。

圖3 CPU 結構Fig.3 CPU structure diagram

1.3 基于模糊PID 的自動化控制算法

浮選機自動化控制系統中，PLC 的CPU 利用模糊PID 算法，得到浮選機自動化控制信息。以液位計監測的浮選機液位誤差e 以及誤差變化率Δe 為輸入，輸出浮選機閥門開度，即浮選機自動化控制信息。當選礦廠浮選機屬于連續情況時，模糊PID控制算法的輸出結果，即浮選機閥門開度y（t）為

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

當選礦廠浮選機屬于離散情況時，模糊PID 控制算法的輸出結果，即浮選機閥門開度y（n）為

式中：n 為采樣序號；N 為總采樣次數；H 為采樣周期。

為提升模糊PID 控制算法的響應速度，對KP、TI、TD進行改進，改進后的計算公式如下：

根據表1 的模糊規則，利用式（1）與式（2）計算浮選機閥門開度，得到浮選機自動化控制信息。

表1 浮選機自動化控制的模糊規則Tab.1 Fuzzy rules of automatic control of flotation machine

2 實驗結果與分析

以某選礦廠的XFD0.5 型浮選機為實驗對象，該選礦廠內共包含2 個選礦車間，每個車間的浮選設備參數如表2 所示，技術參數如表3 所示。

表2 選礦廠浮選設備參數Tab.2 Parameters of flotation equipment in concentrator

表3 浮選機的技術參數Tab.3 Technical parameters of flotation machine

在該選礦廠內隨機選擇1 臺浮選機，該浮選機的標準運行溫度是40℃，標準壓力在1 MPa～2 MPa之間。利用本文系統采集該浮選機的運行數據，以采集的浮選機溫度與壓力為例，浮選機運行數據采集結果如圖4 所示。

圖4 浮選機運行數據監測結果Fig.4 Monitoring results of flotation machine operation data

根據圖4 可知，本文系統可有效監測浮選機運行數據，由圖4（a）可知，該浮選機的溫度從開始運行后，逐漸升至40℃左右，該浮選機運行溫度始終在40℃附近波動，且波動幅度較小，說明該浮選機運行過程中泵的軸溫處于正常運行狀態。由圖4（b）可知，該浮選機的壓力從運行后，始終維持在1 MPa～2 MPa 之間，說明該浮選機泵進出口的壓力處于正常運行狀態。實驗證明，本文方法具備浮選機運行參數監測的有效性。

設置該浮選機初始液位是300 mm，當該浮選機運行至10 s 時，利用本文系統將該浮選機的液位調整至350 mm，分析本文系統的浮選機自動化控制效果，本文系統的浮選機液位與閥門開度自動化控制結果如圖5 所示。

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

根據圖5（a）可知，本文系統可有效自動化控制浮選機，在運行至17 s 左右時，本文系統便可將液位控制在350 mm 左右，且自動化控制速度較快，符合選礦廠的生產需求。根據圖5（b）可知，在自動化控制前期，該浮選機的閥門開度較小，當需要提升液位時，本文系統可有效自動化控制浮選機閥門開度，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，說明本文系統自動化控制的穩定性較強。

在該選礦廠內隨機選擇3 臺浮選機，利用本文系統同時自動化控制3 臺浮選機，3 臺浮選機的起止時間自動化控制結果如表4 所示。

表4 浮選機起止時間自動化控制結果Tab.4 Results of automatic control of flotation machine start and stop time

根據表4 可知，本文系統可有效同時對3 臺浮選機進行自動化控制，經過本文系統控制后，3 臺浮選機的高速起止時間，均低于標準時間，說明本文系統可合理控制浮選機的高速運轉時間；3 臺浮選機的給礦起止時間，均低于標準時間，說明本文系統可合理控制給礦時間，避免出現浮選機內礦物質過多或過少現象；3 臺浮選機的分礦起止時間，均低于標準時間，說明本文系統可合理控制分礦時間，提升分礦速度；3 臺浮選機的分礦起止時間，均低于標準時間，說明本文系統可合理控制充沖礦時間，加快沖礦速度。綜合分析可知，本文系統可有效自動化控制多臺浮選機的起止時間，將不同類型的起止時間，均控制在標準時間之內，加快浮選機的工作效率。

在該選礦廠內隨機選擇1 臺浮選機，并在該浮選機運行過程中，添加階躍響應與方波響應的干擾信號，利用本文系統對該臺浮選機進行自動化控制，分析本文系統在不同干擾信號時的自動化控制效果，分析結果如圖6 所示。

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

根據圖6 可知，在添加不同干擾信號時，本文系統均可有效自動化控制浮選機的閥門開度，且2種干擾信號下，本文系統自動化控制的超調量均較小，控制時間均在10 s 左右，控制速度較快。實驗證明，對于不同干擾信號時，本文系統均可有效自動化控制浮選機，且超調量較小，具備較優的抗干擾性能。

3 結語

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