樊 毅

(云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400)

現(xiàn)有以DCS系統(tǒng)為平臺的銅礦山磨礦鋼球添加為全人工手動添加方式，或在通過以PLC為核心設(shè)計的方式前提下，新增整套控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行加球，兩種添加方式均不可取。這是因為，人工手動添加鋼球的方式需要大量的體力操作，額外增加員工的體力勞動量，降低員工身心健康指數(shù)，鋼球添加的及時可靠性得不到保障，造成生產(chǎn)原材料及能源的浪費，生產(chǎn)效率低下，不利于企業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)的提升。另外，在吊裝鋼球添加過程存在高空墜物、機(jī)械傷害、噪聲等較大的安全風(fēng)險隱患，不利于企業(yè)安全生產(chǎn)的管控。采用以PLC為核心設(shè)計，新增整套鋼球添加控制系統(tǒng)設(shè)備，單臺磨礦磨機(jī)加球機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備備件材料采購、安裝、調(diào)試等預(yù)計花銷約100萬元以上，隨著磨機(jī)臺數(shù)增加，會造成直接生產(chǎn)成本成倍額外增加，給企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營帶來不小壓力，給企業(yè)降本增效工作效果的全面提升造成困難。因此，以現(xiàn)有DCS系統(tǒng)為平臺設(shè)計銅礦山磨礦鋼球添加系統(tǒng)最佳選擇，僅采購傳感器和小變頻器等費用共計萬元小件，充分運用現(xiàn)有DCS系統(tǒng)平臺的功能，自行探索研究設(shè)計系統(tǒng)方案與實施，實現(xiàn)磨礦鋼球添加的全自動循環(huán)控制。

1 實際鋼球添加量計數(shù)裝置的設(shè)計

實際鋼球添加量計數(shù)裝置包含漫反射型光電開關(guān)傳感器[1，2]、鐵質(zhì)剎車擋板、安裝磁鐵的被測活動面板等硬件部件。計數(shù)傳感器采用漫反射型光電開關(guān)[1，2](對射型和鏡面反射型，現(xiàn)場不具備安裝使用條件)，檢測范圍0～40 cm，信號常開型，共3個。3個傳感器成一排，均勻分布垂直安裝于滾筒正上方，分別對準(zhǔn)滾筒上三個抓手的每一個中心點。其計數(shù)檢測裝置系統(tǒng)功能示意圖如圖1所示。

圖1 計數(shù)檢測裝置系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 Function diagram of counting detection device system

檢測裝置的設(shè)計特點為：

1)面測方式代替點測方式降低滾筒面的干擾信號產(chǎn)生。由于鋼球檢測方式比較特殊，為點測方式，對漫反射型光電開關(guān)檢測光強(qiáng)度要求比較高。才其他非球型規(guī)則物體的檢測方式為面測方式，對漫反射型光電開關(guān)檢測光強(qiáng)度要求不高。因此，漫反射型光電開關(guān)調(diào)節(jié)到對鋼球點起作用，有信號反饋輸出的時候，其面測方式距離已經(jīng)到達(dá)滾筒最高圓柱體面，圓柱體面上就會產(chǎn)生信號干擾，因此設(shè)計應(yīng)用輕質(zhì)光滑面板代替鋼球作為被檢測對象。

2)應(yīng)用鐵質(zhì)剎車擋板和被測活動面板安裝磁鐵吸引的方式消除被測活動面板被鋼球推動后多次自由擺動產(chǎn)生的信號干擾，每次鋼球到達(dá)傳感器底部就推動被測活動面板向鋼球運輸方向擺動，在與鋼球分離之后，被測活動面板回到中心初始位置，立即停止擺動，光電開關(guān)檢測反饋信號只輸出一次，計一個鋼球數(shù)量。

3)推動被測活動面板底部設(shè)計為單指狀，確保抓手在運行過程中，不接觸被測活動面板，而順利通過檢測光電底部，這樣避免了空抓手帶來的信號干擾計數(shù)。

4)被控輸出為變頻器電機(jī)帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，滾筒圓柱體上均勻分布三個抓手，滾筒每滾一圈，最大可以輸送三個鋼球。

2 DCS控制策略設(shè)計

該DCS系統(tǒng)平臺[3]是Honeywell 的PKS系統(tǒng)平臺，在磨礦控制站的冗余C300控制器底下進(jìn)行新建CM控制策略設(shè)計，包含定時周期新給礦量自動計算單元、鋼球需求量自動計算單元、實際鋼球添加自動控制單元、自動周期循環(huán)控制單元的CM控制策略核心功能設(shè)計、手動鋼球補(bǔ)充添加控制、班(月)鋼球使用添加量統(tǒng)計、工藝流程聯(lián)鎖自動控制、上位機(jī)HMI監(jiān)控功能等其他功能設(shè)計。其自動控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 自動控制邏輯框圖Fig.2 Automatic control logic block diagram

2.1 DCS的CM控制策略優(yōu)化設(shè)置

由于在DCS系統(tǒng)上實現(xiàn)快速檢測運動控制是行業(yè)首次，因此，對系統(tǒng)進(jìn)行了探索優(yōu)化應(yīng)用。DCS相對PLC來說，CPU處理速度較慢、默認(rèn)掃描周期較長，在實際鋼球添加量反饋用于各檢測控制功能中時，需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行DI信號的約一秒的鎖定功能設(shè)計；另外，還要對該加球機(jī)控制程序的執(zhí)行掃描周期進(jìn)行提升設(shè)計，才能滿足后續(xù)核心算法控制設(shè)計使用要求[3,5]。特別說明，對加球機(jī)的CM程序掃描周期提速只是個別操作，該控制器C300底下其他CM保持默認(rèn)設(shè)置值即可，這樣不會額外增加控制器C300及服務(wù)器的負(fù)荷，也不會導(dǎo)致控制器C300死機(jī)及服務(wù)器死機(jī)等故障。

2.2 定時周期新給礦量自動計算單元

信號源：皮帶秤的累計量是脈沖信號反饋到DCS的DI輸入通道經(jīng)系統(tǒng)集成處理后的量，皮帶秤每累計到一噸礦量就反饋輸出一個脈沖信號作為DCS的礦量累計信號源，而皮帶秤的瞬時量以模擬量實時反饋到DCS的AI輸入通道，進(jìn)行集成應(yīng)用與顯示。

皮帶秤安裝情況：磨機(jī)的總?cè)氲V量安裝有皮帶秤計量，磨機(jī)的頑石返回礦量安裝有皮帶秤計量，磨機(jī)的新給礦量(儲礦堆來礦量)沒有安裝皮帶秤計量。另外，需要添加鋼球的為磨機(jī)新給礦量，頑石不需要添加鋼球研磨，因為頑石已經(jīng)在頑石破碎機(jī)進(jìn)行了破碎，直接進(jìn)入磨機(jī)，進(jìn)入磨浮流程即可。

新給礦量計算：應(yīng)用PKS之控制策略CM里的定時器模塊、脈沖累加模塊、條件推送模塊、立即數(shù)存儲模塊等進(jìn)行設(shè)計。在遠(yuǎn)程、自動、其他聯(lián)鎖條件滿足的情況下，啟動后，定時器模塊開始計時(定時時間長度在HMI上，操作人員根據(jù)需要進(jìn)行靈活設(shè)定)、脈沖累加模塊(總?cè)氲V量、頑石返回礦量各使用一個模塊)開始進(jìn)行礦量累加，在本次定時周期結(jié)束時，定時器輸出定時完成的脈沖信號觸發(fā)條件推送模塊(總?cè)氲V量、頑石返回礦量各使用一個模塊)，該模塊把該周期脈沖累加模塊所累加的礦量推送給立即數(shù)存儲模塊(總?cè)氲V量、頑石返回礦量各使用一個模塊)。總?cè)氲V量對應(yīng)的立即數(shù)累計量n1(單位：t)減去頑石返礦量對應(yīng)的立即數(shù)累計量n2(單位：t)得到新給礦量在該定時周期的累計量n(單位：t)，即n=n1-n2。然后將新給礦量在該定時周期的累計量n輸送給下一處理單元(鋼球需求量，自動計算單元)，即完成本次定時周期的新給礦量計算處理。同時，復(fù)位定時器和脈沖累加模塊，在遠(yuǎn)程、自動、啟動等自動控制信號一直為真的條件下，又立即開始執(zhí)行下一個定時周期的新給礦量，自動計算處理過程。定時周期新給礦量自動計算單元邏輯框圖如圖3所示。

圖3 定時周期新給礦量自動計算單元邏輯框圖Fig.3 Logic block diagram of automatic calculation unit of new feeding quantity in fixed period

這個定時周期新給礦量自動計算單元有以下優(yōu)點：在HMI上設(shè)計周期設(shè)定接口，可方便操作人員靈活設(shè)置使用周期。做周期倒計時顯示，可方便操作人員直觀掌握加球機(jī)自動啟動時間。做礦量累計顯示，便于生產(chǎn)數(shù)據(jù)核算。在CM里做歷史數(shù)據(jù)組態(tài)，便于永久性存儲數(shù)據(jù)與備查。

2.3 鋼球需求量自動計算單元

信號源：新給礦累計量n(來自定時周期新給礦量自動計算單元輸送)、鋼球的單耗量k(中控人員在HMI上靈活設(shè)定，選礦技術(shù)人員根據(jù)礦石性質(zhì)等實驗計算得出)、每個鋼球的質(zhì)量m(中控人員在HMI上靈活設(shè)定，不同批次鋼球重量會有不同)，以上信號源變量均存儲在CM的立即數(shù)存儲模塊里。

鋼球需求量自動計算：根據(jù)以上三個變量進(jìn)行四則混合運算，得出該周期的礦量對應(yīng)的鋼球需要個數(shù)，即：新給礦累計量n(單位：t)乘以鋼球的單耗量k(單位：kg/t)，再除以每個鋼球的質(zhì)量m(單位：kg)得到鋼球需求添加量y(單位：個)，即y=n×k/m。該過程全部應(yīng)用CM的立即數(shù)存儲模塊輸出進(jìn)行計算。然后將該鋼球需求添加量y送人下一處理單元(實際鋼球添加自動控制單元)。

該處理單元的鋼球單耗k和鋼球單個質(zhì)量m均在操作站HMI設(shè)計開放輸入接口，便于操作人員根據(jù)實際物料情況進(jìn)行使用參數(shù)及時調(diào)整，達(dá)到精確自動計算和控制處理。

2.4 實際鋼球添加自動控制單元

信號源：鋼球需求添加量(來自鋼球需求量自動計算單元輸送)、實際鋼球添加反饋量(DI)、變頻器頻率給定(AO)、變頻器頻率反饋(AI)等。

自動控制：鋼球需求添加量是在上一個定時周期內(nèi)進(jìn)行處理，周期結(jié)束時計算輸出的實際鋼球添加自動控制單元的給定信號。實際鋼球添加自動控制單元是在第二定時周期開始時執(zhí)行控制處理動作，即鋼球需求添加量的計算處理過程總比實際鋼球添加自動控制處理要早一個周期。上一單元(鋼球需求量自動計算單元)的鋼球需求添加量計算數(shù)字輸出信號為浮點數(shù)，可能是整數(shù)，也可能帶小數(shù)。因此，需要先對鋼球需求添加量的所有小數(shù)進(jìn)位取整數(shù)后作為給定設(shè)定值，然后與實際鋼球添加反饋量進(jìn)行實時比較，當(dāng)設(shè)定值(鋼球需求添加量進(jìn)位取整值)與實際鋼球添加反饋值相等時，完成本次加球。同時，進(jìn)入本次周期設(shè)定時間的剩余計時階段，及新給礦量繼續(xù)累計的等待時間段(經(jīng)過現(xiàn)場測試，任意頻率給定情況下，電機(jī)驅(qū)動直連滾筒轉(zhuǎn)動進(jìn)行加球，其動作執(zhí)行時間均遠(yuǎn)小于自動鋼球添加模式的周期設(shè)定時間長度)，當(dāng)本次周期計時結(jié)束時，該周期的自動控制及計算處理過程全部結(jié)束。其鋼球添加自動控制單元邏輯框圖如圖4所示。

圖4 鋼球添加自動控制單元邏輯框圖Fig.4 Logic block diagram of automatic control unit for steel ball adding

該過程主要用到兩種自動控制輸出模式：PID變頻調(diào)速控制模式、定速控制模式。

PID變頻調(diào)速控制[4，5]：SP設(shè)定值為鋼球需求添加量的進(jìn)位取整值，PV過程值為實際實時加球數(shù)量反饋值，OP輸出量為變頻器的頻率給定值。經(jīng)過使用測試，磨機(jī)滿負(fù)荷運行時，1 h為周期設(shè)定，頻率為10 Hz時，僅需要8 min左右即可完成1 h周期的鋼球添加，因此，在自動控制模式下，使用PID調(diào)節(jié)頻率輸出，范圍在0～15 Hz即可。PID參數(shù)整定設(shè)置為：比例P為5；積分I為0.3；微分D為0。

定速控制：周期循環(huán)自動加球控制也可以固定頻率輸出運行，程序內(nèi)部設(shè)定為10 Hz即可滿足使用，在添加前段，鋼球量較少或鋼球補(bǔ)充的過程中使用定速控制，加球機(jī)及周圍環(huán)境相對比較安全可靠。

2.5 自動周期循環(huán)控制單元

利用定時器模塊、脈沖累加模塊、條件推送模塊、立即數(shù)存儲模塊、數(shù)字量上級控制輸出處理模塊等的啟動置位、使能復(fù)位等功能。

在每個周期定時開始時，進(jìn)行各功能模塊的使能置位，使其各功能模塊各司其職，又配合工作，共同完成前面三個處理單元(定時周期新給礦量自動計算單元、鋼球需求量自動計算單元、實際鋼球添加自動控制單元)的設(shè)計功能，達(dá)到新給礦累計量、鋼球需求添加量自動計算處理，鋼球添加動作自動控制執(zhí)行。

在鋼球添加動作自動控制執(zhí)行完成時，對頻率給定模塊和數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行使能復(fù)位，使其變頻器和電機(jī)立即停止運行。

在每個周期定時結(jié)束時，用定時器計時完成的輸出脈沖信號，對定時器模塊、脈沖累加模塊進(jìn)行復(fù)位處理，使其兩個模塊重新定時和累計計數(shù)，為下一周期自動加球控制做輸入數(shù)據(jù)給定準(zhǔn)備。用定時器計時完成的輸出脈沖信號，對條件推送模塊進(jìn)行使能，使其執(zhí)行總給礦累計量和頑石給礦累計量推送到立即數(shù)存儲模塊進(jìn)行存儲，同時執(zhí)行立即數(shù)存儲模塊的數(shù)據(jù)計算，得到新給礦累計量、鋼球需求添加量，送到下一周期的實際鋼球添加自動控制單元。

在遠(yuǎn)程、自動、啟動等自動控制信號一直為真的條件下，上一個周期結(jié)束時，前面設(shè)計單元的輸出新給礦累計量、鋼球需求添加量在當(dāng)前周期開始時立即進(jìn)行加球的自動控制動作，在當(dāng)前周期定時結(jié)束時，自動加球動作已在本周期內(nèi)提前完成，而新給礦累計量、鋼球需求添加量的計算處理數(shù)據(jù)，在當(dāng)前周期定時結(jié)束時自動計算給出，同時立即進(jìn)入下一周期。又立即開始執(zhí)行新的鋼球添加自動控制動作和新給礦量、鋼球需求添加量的計算處理過程。如此周期性循環(huán)執(zhí)行CM程序功能，達(dá)到自動模式下自動加球周期性循環(huán)穩(wěn)定運行。其自動周期循環(huán)控制單元邏輯框圖如圖5所示。

圖5 自動周期循環(huán)控制單元邏輯框圖Fig.5 Logic block diagram of automatic cycle control unit

新給礦量計算值，鋼球需求添加量計算值，鋼球添加反饋量，定時器設(shè)定值，定時器倒計時等數(shù)據(jù)均在HMI上做設(shè)定和顯示功能。新給礦量計算值，鋼球需求添加量計算值，鋼球添加反饋量均能保持顯示一個周期，并在CM里做歷史趨勢組態(tài)，可以永久性備查。

2.6 其他功能

設(shè)計的其他功能還包括工藝流程聯(lián)鎖自動控制、班(月)鋼球使用添加量統(tǒng)計、手動鋼球補(bǔ)充添加控制、加球機(jī)無球報警等。

3 應(yīng)用實踐效果

充分運用云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司現(xiàn)有DCS系統(tǒng)平臺的功能，自主進(jìn)行磨礦鋼球添加全自動循環(huán)控制系統(tǒng)方案的探索研究設(shè)計，自行進(jìn)行檢測裝置設(shè)計與制作安裝、程序組態(tài)、系統(tǒng)實施調(diào)試，最終實現(xiàn)磨礦磨機(jī)鋼球添加的全自動循環(huán)控制[6-8]。DCS系統(tǒng)平臺操作站HMI應(yīng)用人機(jī)操作畫面如圖6所示，主要功能包含：手/自動畫面、歷史趨勢、加球機(jī)運行狀態(tài)、聲光報警、班月報表等功能。

圖6 人機(jī)操作HMI畫面Fig.6 HMI screen of man machine operation

該控制系統(tǒng)于2020年7月云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司投入運行之后，實現(xiàn)了自動均勻、準(zhǔn)確加球，磨機(jī)耗能得以有效降低，磨礦濃度和磨礦粒度得到較好控制，提高了原礦處理能力，提高了磨機(jī)臺效，可達(dá)到采用在PLC上快速運動檢測控制功能的全自動加球機(jī)快速檢測控制系統(tǒng)的效果，而且消除了磨礦人工鋼球添加方式中的高空墜物、機(jī)械傷害、噪聲等生產(chǎn)安全隱患，特別在高原環(huán)境下，降低了崗位操作人員勞動強(qiáng)度，提高了員工身心健康指數(shù)。

4 結(jié)語

利用DCS系統(tǒng)平臺，可實現(xiàn)在DCS系統(tǒng)平臺上探索實現(xiàn)諸如加球機(jī)的快速運動檢測控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)設(shè)計具有安全、可靠、成本低、效率高等優(yōu)點，可達(dá)到目前為止僅在PLC上成功應(yīng)用快速運動檢測控制功能的全自動加球機(jī)快速檢測控制系統(tǒng)的效果，也可解決長期以來人工手動鋼球添加的不安全、不準(zhǔn)確困難，避免新增一整套PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)全自動加球機(jī)控制應(yīng)用。

采用該系統(tǒng)的實踐應(yīng)用結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)可使公司磨礦設(shè)備的綜合優(yōu)越性能得以充分發(fā)揮出來，磨機(jī)運轉(zhuǎn)效率得到全面提升、生產(chǎn)成本大幅度降低。在公司全面推行全要素對標(biāo)、降本增效、安全高效生產(chǎn)的大環(huán)境下，可極大地節(jié)約投資費用，實現(xiàn)要素對標(biāo)、降本增效、安全高效生產(chǎn)，具有歷史突破性和重大推廣應(yīng)用價值。