圆锥破碎机智能化控制系统研究与应用

甘桂裕　张美义

摘要：为提高圆锥破碎机效率，提高产能，解决破碎能力不足的问题，同时提高企业自动化和信息化水平。广西冶金研究院有限公司研制了一套圆锥破碎机智能化控制系统。该系统以西门子S7-200 smart PLC为控制核心，采用WINCC作为上位机组态软件，具有数据采集、过程自动控制，设备参数显示，运行记录曲线，报警记录等功能。

关键词：圆锥破碎机 智能化 S7-200SMART WINCC 恒功率自动控制

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0014-01

1 引言

随着矿山不断开采，矿资源日益枯竭，矿石品位日趋下降，圆锥破碎机作为中细碎作业的主要设备，其效率的高低在整个破碎、筛分工艺流程中占有举足轻重的地位，甚至影响选厂的产能。

现在的圆锥破碎机控制系统一般是采用人工操作的方式。人工操作只能依据经验，通过人工调节给矿量。该操作方式不能满足“挤满式”给矿，在破碎腔低料位状态下，破碎机经常处于低负荷运行模式，破碎效果差，循环负荷大，效率低；有时候又出现堵料事件，堵料影响生产，破碎机出现过载，设备易损坏。

为了提高圆锥破碎机的工作效率，降低破碎机能耗，解决破碎能力不足，解决制约选厂产能的瓶颈的问题，广西冶金研究院有限公司专门研制了一套圆锥破碎机智能化控制系统。

2 系统设计原理

圆锥破碎机最佳工作状态是：破碎腔“挤满式”给矿状态；破碎机工作负载处于额定负荷的百分之八十到百分之一百之间。通过设计一套料位“PID”自适应控制装置以及电流“PID”自适应控制装置，料位、电流“PID”自适应控制协调控制程序，即可实现圆锥破碎机处于最佳工作状态。PID控制算法如下：

2.1 模拟PID控制系统组成（见图1）

2.2 模拟PID调节器的微分方程和传输函数

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

（1）PID调节器的微分方程。

（2）PID调节器的传输函数。

2.3 PID调节器各校正环节的作用

（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

3 系统总体方案设计

圆锥破碎机智能化控制系统是以西门子S7-200 smart PLC为控制核心，采用WINCC作为上位机组态软件。该系统设计了自动和手动两种相对独立、互为备用的控制方法，可通过切换开关无忧切换控制模式。不管在那种控制模式下，都必须要求PLC控制系统能采集各开关量及设备运行状态、主轴电动机电流、破碎腔料位、振动给料机运行频率等参数。并且在上位机WINCC组态软件上实时显示各设备运行状态、主轴电机电流、破碎机料位等数据、模拟量记录曲线、故障报警信息，控制参数设置等功能。

4 系统硬件设计

圆锥破碎机智能化控制系统的硬件以西门子S7-200 smart PLC为核心控制器、WINCC为人机界面，采用雷达料位计测量破碎腔料位、电流变送器检测主电机电流。PLC根据采集的数据，经过程序计算，输出控制信号给变频器，变频器通过改变输出频率调整给矿电动机的转速，最终达到主电机恒功率不变，并且主电机处于接近满负荷运行状态。

根据圆锥破碎机智能化控制系统功能要求，本控制系统中共有20点数字量输入（DI）和12点数字量输出（DO），10点模拟量输入（AI）和5点模拟量输出（AO）。

人机界面采用西门子WINCC组态软件，操作工人通过电脑屏幕上的组态画面，可以了解整个系统的生产工艺参数，设备运行状态。画面十分友好，并且可随时查看模拟量记录曲线，报警信息等。

该系统采用以太网通讯。系统方便扩展，其他系统只需一根网线就可以接入本系统，为实现矿山全自动化架设好网络架构，提高矿山数字化水平，并且为企业信息化打下基础。

5 系统软件设计

软件设计分为两个方面：使用WINCC组态软件进行上位机的控制画面编程；使用PLC编程软件编制控制程序。PLC控制程序是整个系统的核心部分，其中本系统采用PID闭环控制算法实现圆锥破碎机恒功率自动控制以及料位自动控制。其控制原理图如图2所示。

6 结语

本设计研制的圆锥破碎机智能化控制系统。具有操作界面优美，简单明了的特点，系统运行稳定可靠，减轻劳动强度以及克服了人工操作的缺点，有效地提高了圆锥破碎机产能，降低圆锥破碎机能耗，避免了圆锥破碎机堵料的问题，经济效益和社会效益显著。实践表面，该系统具有较好的推广应用价值。

参考文献

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