摘 要：傳統(tǒng)的XFD型浮選機在進行浮選實驗時，采用手動方法對其進行操作，導(dǎo)致浮選實驗工作量大，重復(fù)率高，實驗結(jié)果不準確等。為了克服上述缺點，設(shè)想對XFD型浮選機的相關(guān)硬件進行改進，設(shè)想設(shè)計一種以PLC為控制主機，以自動微量進樣器、電磁閥、變頻器為執(zhí)行機構(gòu)，以觸摸屏和PLC通過外部總線通訊實現(xiàn)人機交互，進行數(shù)據(jù)輸入與輸出。簡要闡述了該自動化系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，并繪制了PLC順序功能圖。

關(guān)鍵詞：浮選機；自動化；PLC；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

1 實驗室煤用浮選機的應(yīng)用背景

為了降低煤炭的灰分，提高資源利用效率及經(jīng)濟效益，減少污染物的排放，對煤炭進行洗選及深加工是必不可少的過程[1]。在煤炭洗選過程中，針對細粒煤泥采用浮選工藝以達到煤泥降灰回收的目的。隨著采煤機械化程度的提高，原煤中煤泥量也隨之增加，需要進入浮選的煤泥量可占原煤總量的10%-30%[2]，因此，在選煤工藝中煤炭浮選對提高經(jīng)濟效益和資源利用起到了重要的作用，而浮選實驗結(jié)果對選煤工藝的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。目前，實驗室進行浮選實驗常用槽體容積為1.5L的XFD型單槽浮選機。在浮選實驗進行時，浮選機通電，交流電機帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，攪拌礦漿并產(chǎn)生負壓吸入空氣，親氣疏水的煤顆粒與空氣形成的氣泡附著，隨其升至礦漿液面被刮板刮出并收集到指定容器內(nèi)，而親水的矸石留在礦漿中，待試驗完畢后被傾倒至指定的容器內(nèi)。影響浮選效果的因素除煤泥自身性質(zhì)外，還包括：攪拌速度，充氣量，加藥量，加藥時間間隔，浮選時間，刮泡等。而在用傳統(tǒng)XFD型浮選機進行實驗的過程中，上述對浮選實驗產(chǎn)生影響的因素需要人工控制，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準確。并且浮選實驗工作量大重復(fù)率高，增加了實驗人員的勞動強度。因此設(shè)想設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制上述過程的浮選機，達到提高實驗效率，減少實驗誤差的目的。

2 傳統(tǒng)XFD型浮選機的改進

浮選機的攪拌速度會影響浮選效果。XFD型浮選機是利用葉輪在礦漿中攪拌，形成負壓從外部吸入空氣產(chǎn)生氣泡的。適當速度的攪拌可以使藥劑快速分散并與煤泥作用，同時可以細化氣泡，提高浮選效率。但是強度過大的機械攪拌產(chǎn)生的紊流會使已經(jīng)附著在氣泡上的煤泥脫落，同時會導(dǎo)致煤泥的進一步泥化，從而使浮選效果變差。傳統(tǒng)的XFD型浮選機是根據(jù)皮帶所連接的皮帶輪的直徑不同而調(diào)整轉(zhuǎn)子在浮選槽中的攪拌速度，皮帶輪只有三種直徑可供選擇，如果要通過實驗確定浮選攪拌強度，在一些情況下很難滿足實驗要求，王世玉[3]等采用交流電動機無級變頻調(diào)速，可以使電動機轉(zhuǎn)速在500-2800r/min中隨意變換，克服了上述缺點，而且簡化了浮選機調(diào)速操作。電動機的轉(zhuǎn)速與交流電的頻率成正比，與電動機極對數(shù)成反比，當頻率在0-50Hz范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[4]。在實際操作中極對數(shù)無法改變，因此可以采用變頻器根據(jù)PLC發(fā)出的脈沖信號來改變交流電的頻率從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。

實驗室浮選操作步驟依次是：調(diào)漿、加捕收劑、加起泡劑、充氣，刮泡。進行上述的每一個步驟都要相隔一定的時間間隔，傳統(tǒng)做法是用秒表計時。而浮選時所需的捕收劑和起泡劑是通過微量進樣器計量后手動完成進樣的。如果想要浮選機自動完成上述過程，可以采用PLC自帶的內(nèi)部時鐘進行計時，捕收劑和起泡劑可以根據(jù)PLC預(yù)先編寫好的程序在相應(yīng)的時刻進樣。進樣操作采用特殊的自動進樣器來完成，它主要由注射器，絲桿，螺母，步進電機組成，絲桿的一端連接針管活塞，另一端連接步進電機，而步進電機根據(jù)PLC發(fā)出的脈沖信號產(chǎn)生動作，加藥量與絲桿前進的距離和螺紋寬度有關(guān)。XFD型浮選機的充氣量是通過人工手動開合進氣閥門來控制進氣量，這種操作不僅需要人工計時，而且隨意性強，不能很好的控制充氣量。采用PLC通過模擬量輸出控制電磁閥的開合大小可以克服上述問題。在這里需要考慮PLC輸出的參數(shù)與電磁閥輸入的參數(shù)是否匹配，如果匹配，PLC可以直接對其進行控制，否則需要中間繼電器間接進行控制[5]。采用電磁閥控制浮選實驗的充氣量可以避免人工操作所造成的誤差，但是由于在浮選過程中對充氣量精度要求不是很高，不需要負反饋，采用開路控制方式即可。本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)切換到手動浮選操作，因此需要選擇可以手動開合的電磁閥。

在浮選試驗中，刮泡是非常重要的步驟。當煤泥附著在氣泡上被帶至液面，需要進行刮泡操作使其與其它親水性礦物雜質(zhì)分離。傳統(tǒng)XFD型浮選機采用伺服電機帶動活動刮板做圓周運動進行刮泡。但是刮泡效果不好，因此需要人工進行刮泡，可以通過曲柄擺桿機械原理[3]，使刮板做水平運動，達到良好的刮泡效果。在刮泡的過程中需要不斷的補加清水以實現(xiàn)浮選槽中礦漿液面高度保持穩(wěn)定，可以采用液位計來檢測礦漿液位，PLC根據(jù)采集到的礦漿液位來調(diào)整微型泵的開合實現(xiàn)補加清水的過程。

3 自動浮選機的硬件設(shè)計

本浮選機自動化系統(tǒng)包括控制單元、執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)采集單元?？刂茊卧钦麄€系統(tǒng)的中心，它根據(jù)外部輸入的浮選時間、加藥量、加藥時間間隔、充氣閥門開度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)發(fā)出信號，控制執(zhí)行機構(gòu)接收信號進行相應(yīng)的動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

控制主機采用帶有內(nèi)部時鐘功能的PLC可編程控制器，觸摸屏可以與PLC通過外部總線連接實現(xiàn)通訊，進而實現(xiàn)人與設(shè)備的相互溝通[6]。觸摸屏主要由觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩部分組成，當手指接觸到觸摸屏?xí)r，觸摸屏控制器檢測到手指所觸摸的坐標，然后通過外部總線傳輸?shù)絇LC的CPU中。PLC采集觸摸屏的輸入信號，將攪拌速度，加藥時間間隔，浮選時間等相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)寄存器中，PLC的CPU讀取數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)并進行分析后發(fā)出指令，輸出模擬信號（0-10V電壓信號或4-20mA電流信號）控制執(zhí)行機構(gòu)的具體動作，完成浮選實驗。觸摸屏代替了傳統(tǒng)的操作臺和顯示器，能夠?qū)崿F(xiàn)人與機器的相互對話，進行參數(shù)設(shè)置以及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示等。并且觸摸屏的用戶界面可以用任意畫圖軟件進行繪制，對操作人員來說直觀易學(xué)，可以減小出錯幾率。

執(zhí)行系統(tǒng)是根據(jù)PLC發(fā)出的指令進行相應(yīng)動作的相關(guān)部件，包括控制充氣量的電磁閥（可以手動開關(guān)），控制加藥量的自動微量進樣器，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的變頻器等。PLC與變頻器I/O端子實現(xiàn)連接，PLC控制系統(tǒng)主要是通過采集、分析、綜合來自變頻器的全部信息再對變頻器做出相應(yīng)指令[7]。

4 自動浮選機的軟件設(shè)計

PLC是一種工業(yè)控制計算機，主要由中央處理器、存儲器、I/O接口、電源四部分組成，還包括一些功能模塊。它可以脫離計算機獨立工作，且運行穩(wěn)定可靠。PLC中的程序包括系統(tǒng)程序和用戶程序，系統(tǒng)程序是PLC自帶的保證其正常工作的程序，應(yīng)用程序時根據(jù)用戶要求而編寫的程序，用于實際控制設(shè)備的正常運行。PLC具有順序控制功能，可以使浮選機各執(zhí)行機構(gòu)在不同時刻順序動作[8]。PLC可編程控制器常用的編程方法有梯形圖編程和語句表編程2種，這兩種編程方法均體現(xiàn)了采用繼電器控制的思想[9]，它用內(nèi)部“軟原件”取代了邏輯控制電路中大量的繼電器，簡化了線路，提高了運行穩(wěn)定性。PLC是按照集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的，其基本掃描過程包括“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”、“輸出刷新”三個步驟[10]。PLC編程時，首先需要對I/O地址進行分配，本自動控制系統(tǒng)輸入/輸出點地址分配見表1。PLC順序功能圖見圖2。

本系統(tǒng)一共可以實現(xiàn)兩種工作方式：自動浮選過程和手動浮選過程。由順序功能圖可見，需要進行自動浮選時，可以按下按鈕X0，PLC根據(jù)編寫好的程序向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，完成一次浮選操作后自動停止。而要進行手動浮選實驗可以按下按鈕X1，只有攪拌電機通電工作，加藥和充氣操作與傳統(tǒng)浮選操作方法無異。如果在浮選過程中出現(xiàn)狀況要緊急停止，按鈕X4可以實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的XFD型浮選機除機械攪拌過程外，充氣，加藥，刮泡等過程全部采用手動完成，而煤炭浮選實驗工作量大，重復(fù)率高，為了達到使浮選實驗更準確，更高效，減小操作人員的工作量的目的，對于傳統(tǒng)XFD型浮選機進行自動化改進是十分必要的。本自動化系統(tǒng)按照煤泥浮選實驗的操作過程和影響煤泥浮選實驗效果的因素來設(shè)計該系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)的核心是帶有內(nèi)部時鐘的PLC可編程控制器，它按照時間順序?qū)?zhí)行機構(gòu)進行控制。PLC在對實驗過程按照時間順序控制的同時，通過輸出模擬量信號實現(xiàn)對變頻器，充氣電磁閥開合等影響浮選實驗的因素的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。PLC與觸摸屏進行通訊實現(xiàn)人機對話，在浮選實驗之前通過人工在觸摸屏輸入?yún)?shù)，PLC根據(jù)觸摸屏信號控制各執(zhí)行機構(gòu)來自動控制整個浮選過程。

參考文獻

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作者簡介：田景文（1991-），女，西安市人，在讀碩士研究生，主要從事浮選過程控制和助濾劑應(yīng)用的研究。

周磊（1989-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，主要從事礦物加工理論與過程控制的研究。