基于西门子S7-1200的矿浆液位测控系统研究

冒守靖，孙达伦，李东明，闫杰

(长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

0 引言

浮选是现在应用最广、最成熟的选矿方法之一，浮选技术的良好发展将会推动采矿业更好更快的发展。在有色冶金的选矿流程中，90%的选矿作业使用的是浮选工艺，与此同时矿浆液位作为直接影响选矿品位的关键参数就显得格外重要[1-5]。矿浆的构成复杂，为固、液、气构成的三相混合物，矿浆表层有5～10 mm厚的泡沫，这使得矿浆液位的测量存在很大的难度。因此，研究浮选的矿浆液位自动控制系统具有重大的理论与现实意义。本研究基于矿浆液位控制大滞后的特点，设计了基于西门子 S7—1200PLC与薄膜压力变送器的液位检测与实时控制系统，为进一步提高选矿效率以及实现整个浮选工艺的自动化提供了技术支撑。

1 液位检测控制系统构成

液位检测控制系统由液位检测系统、推力顶杆系统、视频采集系统、自控系统4部分构成（见图1）。本系统应用于浮选槽，使用气体溢流法和平膜压力变送器测得的气压值，并通过西门子 S7—1200PLC数字滤波以及MATLAB进行数值模拟得到液位值。根据得到的液位值自控系统可以控制推力顶杆系统开关阀，从而进行液位控制，视频采集系统用于将采集到的浮选槽的实时图像传至控制室的工控机，方便操作人员进行远程控制。

图1 液位测控系统结构

1.1 液位检测系统

由于浮选矿浆是一种由液、固、气构成的三相混合物，其浓度会实时变化。为了能得到浮选矿浆的实时液位值，提高液位值的可靠性与灵敏性，本系统采用两套气体溢流装置，两套装置安装时有一定的高度差Δh，高度差产生气压差：

可以由气压差算出矿浆的实时密度：

式中，g为当地的重力加速度。

再由密度数据与薄膜压力变送器的压力值就可以得到液位值：

1.2 推力顶杆系统

推力顶杆系统由直行程开关式电动执行器与被控阀门构成，电动执行器以交流220 V、50 Hz电源作为驱动电源，通过驱动一个二相电机带动机械结构运转。电机带动皮带轮，使齿轮配合传动。螺旋套转动，螺旋套和输出轴由梯形螺纹相连。输出轴带有防止转动的止转销，因此螺旋套的转动带动输出轴作上、下运动，从而完成开关阀的操作。在电动执行器工作的同时，输出轴的直线位移会反馈给电动执行器的电位计，根据反馈的点位信号，位置反馈模块会输出 4～20 mA 的反馈电流给西门子S7-1200PLC，从而获取阀位的开度信息，阀位开度信息作为重要的参考数据也会同步反映在组态软件中。

图2 电动执行器

1.3 视频采集系统

为了能更直观地观察到矿浆液位的实时状况，在浮选槽的两边安装摄像头，通过网线连接控制室的视频硬盘录像机与电视，视频信号与数据检测的数字信号同时反馈当前的液位状态，更直观的反馈可以免除人工的定时巡检。

1.4 自控系统

平膜压力变送器将实时气压数据转换为 4～20 mA的电流数据，4～20 mA电流再由西门子的模拟量I/O模块6ES7234-4HE32-0XB0传入S7-1200PLC，由博图软件根据式（1）、式（2）、式（3）换算出实时的压力值，实时压力值经过算术平均值法的数字滤波算法可得到稳定的液位数据。

浮选槽是一种大滞后系统，大滞后系统的控制向来是一个难点，阀位变化后液位的变化通常要在数分钟后才会有明显体现。为防止浮选槽矿浆液位的反复震荡，在控制软件中加入趋势预测程序，根据液位在一段时间内的微分量判断当前液位的变化趋势，以此来控制阀位的开关百分比，防止浮选槽矿浆液位发生震荡，从而降低选矿效率造成的尾矿品位过高。

根据趋势预测的算法可以更准确地判断当前的开关阀决策，当趋势预判的程序作出开关阀的决策判断时，西门子S7-1200PLC会通过控制中间继电器输出AC220V、50 Hz电压给电动执行器，从而控制阀门的开关。

2 系统软件设计

2.1 数字滤波

在浮选工作进行时，矿浆存在剧烈的搅拌，矿浆液面波动剧烈，为了使液位数据具有参考价值，需要对液位值进行数字滤波。数字滤波可以通过计算公式和筛选减少噪音信号的占比，从本质而言，数字滤波是一种程序滤波，其突出优点如下：

（1）数字滤波完全由算法编程实现，不需要再增加额外的模块，可简化系统，提高系统的稳定性。

（2）面对低频率系统，数字滤波依然有效，反而模拟滤波在面对低频系统时有诸多缺陷。

（3）数字滤波的参数调整灵活，并且可以根据不同的系统采用不同的滤波算法。

考虑到液面的波动基本符合正弦波，所以该系统采用跨周期取平均值的方式进行数字滤波：

使用西门子S7-1200PLC的中断函数，每隔50 ms取一个液位值，连续取30个液位值，去除一个最高值与一个最低值，对其余的28个值取平均值，通过算术平均值法可以得到稳定的液位数据。

2.2 趋势预测

工业生产中广泛存在大滞后系统，大滞后系统的控制一直是工业控制的难题，系统存在的时滞性会使当前给与系统的控制变量难以立刻引起系统状态的改变，所以时滞性越明显，系统的超调越大，控制也会更加困难[6-9]。

趋势预测算法主要根据液面在单位时间内的变化量判定开关阀状态。在理想状态下，当液位值在距离设定液位差距较大时应该快速接近设定液位，而当液位在距离设定液位很接近时，应该在实时液位继续靠近设定液位的趋势下减少液面的变化速度，使液位值以平缓的变化速度达到设定液位值。趋势预测算法既能满足快速调整的要求，又能防止实时液位值在设定液位值左右发生震荡。

在博图软件系统中添加循环中断程序块，每隔一个时间常数取一个实时液位值，时间常数可根据实际情况进行动态调整，得出最优值，同时用当前采样的液位值与上一时段的液位值做差，该差值即为一个时段的液位变化量k。实时液位值与设定液位值做差得到液位差值Δh。趋势预测算法基于1 min液位变化量与实时液位值设定液位差值。基于趋势预测的开关阀控制程序流程如图3所示。

图3 趋势预测控制程序流程

3 测试效果与分析

3.1 测控效果

本矿浆液位检测系统在攀枝花某选钛厂进行了为期两个月的生产测试，采集两个月以来的实时液位值，设定液位值，实时阀位开度值以及两个薄膜压力变送器的实时压力值，在软件中编写数据库对采集的数据进行记录，表1为2021年4月29日的部分采集数据。

表1 液位采集数据

3.2 测控分析

在实际生产过程中，矿浆的流量、浓度、浮选槽中气量均存在变化，这些变化均会对液位产生影响，但是经过数字滤波与趋势预测算法决策后，本矿浆液位检测控制系统依然有很好的控制效果，误差基本控制在±0.5 cm内，控制灵敏，能够在矿浆液位变化时及时的开关阀，快速调整液位的同时系统也并没有出现明显的震荡。

4 结论

以西门子S7-1200为控制平台，通过液位数字滤波与液位变化趋势预测算法实现了对矿浆液位自动化控制，成功在攀枝花某选矿厂完成了生产测试，能够高精度控制液位值在指定液位。整个系统结构简单，更换检查清洗容易，工作稳定，控制灵敏，能直观地观测矿浆液位情况。为接下来整个浮选生产线的自动化提供了技术参考与支撑。相对于传统的液位控制方式，明显提升了液位控制系统的灵活性和数据处理的实时性，极大地提升了选矿的效率。