磨矿控制系统中西门子PLC的应用分析

郭天舒 张宝秋

摘 要：文章主要对磨矿控制系统中PLC的应用进行了详细的分析论述，通过对控制系统的主要程序以及结构的介绍，分析了PLC在磨矿系统中的构成。

关键词：西门子PLC；磨矿控制；PROFIBUS

1 球磨机工艺概述

某铁矿选矿厂车间在磨矿工艺流程上均选用了两段式闭路磨矿工艺。设备通过给矿机将入磨矿石运送至集矿皮带，再由集矿皮带转到给矿皮带，最后送入球磨机，完成一段磨矿作业。在一段磨矿完成后矿石继而进入螺旋分级机，由分级机进行一次分级，在分级后予以反砂再次进入球磨机。后进入二段螺旋分级机，该螺旋分级机为沉没式分级机，通过二次分级后，再次反砂，从螺旋分级机进入到二段球磨机中进行磨矿，完成二段磨矿处理后，由球磨机排矿，再由二段分级机予以分级，后再次反砂进行再磨。磨矿的产品分级通过二次分级溢流完成，以上步骤完成后进入浮选脱硫工序。

粒度作为磨矿工序生产的重要参数，在整个生产过程中，只有保证粒度维持在一定范围中，才能使得浮选工作顺利进行。若粒度级别过大，则会造成很多成分无法得到分离，若粒度级别过小，则会提高在磨矿作业中的能耗、材料消耗，并且尾矿处理工作量也随之加大。

2 系统设计

通过对工艺的了解，在原有的控制系统基础上进行了改造，加入了西门子PLC作为系统的控制器，该种控制器具有可编程性，因此扩展了系统的数据存储量，并加大了系统的测量以及控制参数范围。通过对车间信号以及配电室信号的采集点布局的实际了解，为提高系统通讯的可靠性以及便捷性，该系统需要增设信息采集站点。设备之间联锁关系变得更加紧密，例如以给矿皮带、润滑油泵、集矿皮带、分级机和磨机、给矿机为例，上述系统便是典型的以电机的互锁控制以及启停作为联系的系统。因此以粒度控制实现作为目标，需要对入磨台时以及矿浆的粒度值、给水量等进行实时的检测，并通过变频器以及调节阀对上述参数予以控制、调节。

2.1 控制设备简介

控制过程在该系统中相比較其他控制系统较多，主要过程为给矿控制、加球控制、反矿水控制以及油泵控制、温度控制和启动停止控制。由于需要进行控制的信息量过大，因此对系统进行调研后，选用以下控制器件。

上述系列中中央控制单元选择了西门子控制单元，该单元内部具有一百二十六个定时器，仅10ms便可以完成1000条指令的扫描，现场的实时控制要求完全可以通过该控制单元完成。并且DP网络可以利用其结构中的DP接口作为主站，具有较大的传输速率。此外RAM可达64KB，还提供128个模拟量IO以及IO通道1024个。

在控制系统中粒度仪是用来检测粒度的重要设备，其性能的好坏直接会对磨矿控制效果造成影响。本系统的粒度仪选用芬兰选用芬兰Outokumpumintecoy公司的生产的PSI200粒度分析设备，能够直接应用在磨矿环境。控制粒度仪主要通过对取样阀、泵以及回流阀、搅拌机以及矿液池液位进行控制完成粒度的控制，并且由于其控制单元较少，因此中央控制器选用了CPU314降低了成本。

2.2 PLC软件设计和功能概述

启动和停止球磨机是一个较为复杂的过程，在启停前需要操作柜以及控制柜的开关操作必须到位，且控制系统的辅助设备达到球磨机启动和停止的要求状态，保证设备的相关启停动作按相关操作顺序完成。由于PLC的逻辑控制相对比传统的人工操作失误率更小，使得系统更加可靠。

模块化变成是PLC的主要特色，通过对功能模块、数字模块以及组织模块的调用，控制算法才得以实现，且PLC呈现出的程序结构较为简单。在进行软件的设计前，需要在相关软件中对硬件进行组态。PLC的STEP7对硬件的组态便是对实际的硬件系统进行模拟的过程，通过该软件将电源、CPU、信号设备对应安装到机架上，对硬件参数予以修改和设置。并通过该软件对未用模拟量的输入通道予以屏蔽，以此降低了扫描所用的时间，并将未用通道在硬件上进行短路，以提高系统实施处理性能。

2.2.1 抗干扰

在进行AD至DA的转换中，PLC系统对数值的读入为模拟值的读入，例如电压信号的读入、电流信号的读入等，系统的模拟模块会直接将读入数值自动的转化成无量纲数值。并且为方便上位机显示以及PLC编程，应当将这些无量纲数值再次进行转化，变成有量纲数值。同理，若模拟量需要输入，那么需要对输出值进行转换，将其转换成可以输出的无量纲数值。在PLC系统的STEP7中，可以通过对FC106UNSCALE以及FC105SCALE两个模块的模拟量量程、反量程转换，对系统中的数据进行量化，使得数据能够满足控制算法的标准。

在磨矿的过程中，会产生很多干扰信号，并且模拟信号的输入中就会掺杂有干扰信号，因此需要对干扰信号进行滤波。例如对磨机运行状况的检测是通过电耳完成的，但环境中过高的噪声会在检测结果中掺有干扰信息，因此若想获得可靠的数据结果，需要在硬件中加入滤波设施进行滤波。除此以外，在软件上的数字滤波也是处理干扰信号的有效方式。STEP7软件中具有LEADLAG功能模块，该模块能够调整输出同输入之间的时间差，因此可以看做带通滤波器的一种。

2.2.2 工艺参数的传送

制定数据块DB，作为接受上位机的信息存储区。在控制过程中，当PLC接受上位机传来的工艺参数后，须将其内容传送至指定数据区。西门子PLC的STEP7软件提供了SFC20BLKMOV功能块，可完成将源区域的数据传送至目标区域，但在实际应用中，须注意两区域不能有相互重叠的部分，且一般要保证两区域的大小相同，数据类型一致，否则容易导致数据传送出错。

2.2.3 速率保护

在磨机控制系统中，对一些重要参数必须时刻监控，确保系统的稳定运行。除了设定监测参数变化是否超出范围，还需通过其变化率来判断设备运行的状态及趋势。例如给矿量的变化，磨机大瓦温度，工作电流、粒度变化等。因此，设计了变化速率保护功能模块FC，PLC每一个控制循环都对这些重要参数模拟量进行监测，并判断是否超出系统预先设置的范围。若参数变化率超出设定范围，则系统报警并启动相应的故障处理机制。

3 PLC控制系统网络构成

以一个系列为例，PLC控制系统由SIMATICS7-300为主站，ET200M远程IO为从站，并配以PROFIBUS网线组成。PLCS7-300主站的CPU上DP口可直接与远程IO从站ET200M上的通讯模块IM153通过PROFIBUS网线相连，传输协议为PROFIBUS协议。PLC通过PROFIBUS总线同分散的设备交换数据，其过程是周期性的。上位机PC通过通讯卡与PLC通讯，采用密码通信与校验，避免信号干扰。控制过程和网络通讯中，PLC程序周而复始循环执行，通过PROFIBUS网络通讯程序将PLC程序中指定的变量或参数，经DP网络传送至多个站点，实现对现场设备的自动控制。该方式中，数据的传送与接收简化为对PLC变量V区内的IO数据映射区的读写操作，编程简洁。此外，通过交换机Switch还可与车间主任、车间调度联网，从而使管理层及时了解底层的生产和设备运行情况，实现企业生产的管控一体化。

4 结束语

该控制系统在我国的宝钢集团得到了成功应用，通过其实际的应用效果看，其令集团的经济效益得以提高，因此在生产中具有相当高的推广价值。

参考文献

[1]李启衡.碎矿与磨矿[M].北京：冶金工业出版社，1983.

[2]邵裕森.过程控制系统及仪表[M].北京：机械工业出版社，1993.

[3]王洪猛.基于PLC的过程控制系统设计与实现[J].自动化技术与应用，2004，23（7）：25-27.

作者简介：郭天舒（1985，2-），男，现任北方重工集团电控液压设备分公司，助理工程师。

张宝秋（1963，8-），男，现在北方重工集团电控液压设备分公司，工程师。