尹騰飛,鄧長久,陽 清,李 徽
(1.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司,岳陽 414000;2.湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,岳陽 414006)
近年來,從國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)來看,2020 年我國粗鋼總產(chǎn)量達(dá)到10.65 億噸,煉鋼過程中產(chǎn)生的鋼渣約為1.20 億噸,累計(jì)堆存量超10 億噸,鋼渣中含鐵量達(dá)到15%~20%,每年鋼鐵工業(yè)排放的鋼渣中鐵含量高達(dá)1500 萬噸以上。2022 年發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出,鋼鐵行業(yè)要在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。大量鋼渣堆存,不僅占用土地資源,造成大量鐵資源的浪費(fèi),還給生態(tài)環(huán)境帶來了較大的安全隱患。為此,提高鋼渣綜合利用效率,對促進(jìn)鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和響應(yīng)國家建立綠色環(huán)保、智能化生產(chǎn)的號召具有重要意義。磁選機(jī)作為提高礦產(chǎn)資源利用率的關(guān)鍵設(shè)備,在礦業(yè)領(lǐng)域和其他領(lǐng)域均占有重要地位[1-2]。鋼渣磁選機(jī)作為一種低碳環(huán)保,高效節(jié)能的選礦設(shè)備,被廣泛用于分選細(xì)粒級磁性礦物或者除去非磁性礦物中混雜的磁性礦物[3]。但鋼渣磁選機(jī)目前依然存在著磁選效率低、分選品位差、控制穩(wěn)定性差、可靠性低和人工成本高等問題。國內(nèi)外各專家學(xué)者對磁選機(jī)自動化控制的研究做了大量工作,取得了較大的進(jìn)展,如文獻(xiàn)[4]提出在環(huán)境惡劣的選礦設(shè)備中采用PLC控制是一種有益嘗試,提高了設(shè)備自動化程度;文獻(xiàn)[5]研究了S7-200 PLC 在SLon 系列磁選機(jī)的應(yīng)用,對勵磁電流采用PID 控制算法,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制;文獻(xiàn)[6]提出了一種基于PLC 的立環(huán)高梯度磁選機(jī)礦漿液面自動化控制方案;文獻(xiàn)[7]研究了高頻諧波磁場磁選機(jī)自適應(yīng)液位控制系統(tǒng);文獻(xiàn)[8]對干式磁選機(jī)的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)集成自動控制、風(fēng)壓監(jiān)測、指標(biāo)在線監(jiān)控調(diào)節(jié)、環(huán)保監(jiān)測等功能;文獻(xiàn)[9]研制出了實(shí)驗(yàn)用超導(dǎo)磁選機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),提高了超導(dǎo)磁選機(jī)的智能化控制水平。
鋼渣磁選機(jī)是一種干式永磁筒式磁選設(shè)備,目前,在鋼渣磁選工藝流程中,由于磁選粉粒度太小且有較高的含水量,鋼渣磁選機(jī)的永磁滾筒表面容易發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢和板結(jié)現(xiàn)象,該層板結(jié)物破壞了永磁滾筒表面磁場分布,嚴(yán)重影響精礦粉的分選品位和磁選效率。經(jīng)過初步研究在鋼渣磁選機(jī)內(nèi)部增加吹氣裝置,以防止磁選粉發(fā)生嚴(yán)重板結(jié)現(xiàn)象,但是由于機(jī)器一般是24 h 作業(yè),工作時間長,若采用吹氣管對其持續(xù)吹氣模式,會造成系統(tǒng)供氣量要求巨大,能耗高,空氣壓縮機(jī)負(fù)荷大。而且,實(shí)際生產(chǎn)過程中,噴嘴一直吹氣,管道氣壓壓降高,噴嘴口吹氣無力,清掃效果不理想。結(jié)合以上問題,對鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其主體結(jié)構(gòu)主要由蓄能儲氣罐裝置、壓縮空氣管路組件、鴨嘴型噴嘴、電磁閥和PLC 控制器組成。鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of scavenging system for steel slag magnetic separator
鋼渣磁選機(jī)及清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模如圖2 所示。鋼渣磁選機(jī)主要由機(jī)架、永磁滾筒、減速電機(jī)、進(jìn)料斗、出料槽、可變速的傳動裝置、分料板、磁系調(diào)節(jié)裝置和清掃系統(tǒng)等組成。滾筒內(nèi)裝有釹鐵硼永磁塊,清掃系統(tǒng)安裝于磁選機(jī)側(cè)面。永磁筒式磁選機(jī)工作運(yùn)行時,磁系調(diào)整到一定角度,針對不同物料,對清掃系統(tǒng)的PLC 控制器進(jìn)行程序設(shè)定。經(jīng)過篩分后的原礦從磁選機(jī)的上部進(jìn)料斗加入,流到滾筒上方時呈松散狀態(tài)落下,磁性物料受重力和磁力的合力作用,快速落到滾筒上,并吸附在筒體表面。非磁性物料在重力的作用下落在磁性物料的外面。這些物料隨著筒體的旋轉(zhuǎn),非磁性物料在重力作用下脫離筒體下落,由出料槽排出。含鐵的磁性物料吸附在筒體表面繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直到?jīng)]有磁力的位置才靠自重落下。最終實(shí)現(xiàn)磁性物料與非磁性物料的分離。
圖2 鋼渣磁選機(jī)及清掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模Fig.2 Structural modeling of steel slag magnetic separator and cleaning system
保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高磁選設(shè)備自動化程度與控制精度是企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要保障。磁選過程機(jī)理復(fù)雜,影響磁選工藝指標(biāo)的因素很多,如精礦品位、尾礦品位等工藝指標(biāo)難以在線連續(xù)檢測[10],永磁滾筒表面容易發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象、進(jìn)料斗夾雜或堵塞、永磁滾筒轉(zhuǎn)速和分料板傾斜角度等等,都是影響鋼渣磁選機(jī)工作效率和分選品位的重要工藝參數(shù)。如何有效控制永磁滾筒轉(zhuǎn)速和分料板的傾斜角度是保證精礦品位和分選效率的基本條件,鋼渣磁選機(jī)進(jìn)料斗夾雜或堵塞和永磁滾筒表面板結(jié)現(xiàn)象的監(jiān)測與控制是實(shí)現(xiàn)磁選機(jī)自動控制最重要的組成部分。根據(jù)鋼渣磁選機(jī)的工作原理及系統(tǒng)分析,控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下主要功能:
(1)清掃系統(tǒng)儲氣罐的恒壓控制及實(shí)現(xiàn)間歇式吹氣的功能。這部分主要由PLC 控制器控制電磁閥的開關(guān)。通過PLC 控制器編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間歇式吹氣模式,并設(shè)計(jì)視覺檢測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控永磁滾筒,清掃系統(tǒng)蓄能儲氣罐設(shè)置壓力傳感器,實(shí)時監(jiān)測罐內(nèi)氣體壓強(qiáng),并通過PID 控制變頻器和電接點(diǎn)式壓力表實(shí)現(xiàn)儲氣罐恒壓控制。當(dāng)永磁滾筒表面發(fā)生板結(jié)跡象,系統(tǒng)控制電磁閥的開合度和開合時間,自動調(diào)節(jié)吹氣管吹氣頻率和增大瞬時氣壓,以防止永磁滾筒表面發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象。
(2)進(jìn)料斗自動檢測到夾雜或堵塞時,檢測系統(tǒng)向PLC 控制器發(fā)送操作指令,上位機(jī)與PLC 控制器實(shí)現(xiàn)通信連接,PLC 控制器收到反饋信號后執(zhí)行機(jī)械手臂清除并疏通進(jìn)料斗的功能。
(3)根據(jù)磁選機(jī)的工作原理及過程,確保減速電機(jī)正常工作,并在保證精礦品位良好的前提下,根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)自動調(diào)節(jié)永磁滾筒轉(zhuǎn)速的功能,從而提高鋼渣磁選機(jī)的工作效率,即提高精礦產(chǎn)率。
(4)分料板根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)及人工檢測的精礦品位數(shù)據(jù)輸入具備自動控制傾斜角度功能。
(5)當(dāng)磁選機(jī)系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障,如電機(jī)卡頓、超溫、短路等,實(shí)現(xiàn)故障自診斷,并在上位機(jī)和觸摸屏上生成硬件故障診斷日志。系統(tǒng)根據(jù)故障指示發(fā)出聲光警報(bào)。
控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、CPU 1515-2 PN、觸摸屏、機(jī)器視覺系統(tǒng)、電磁閥、恒壓控制系統(tǒng)、變頻柜、減速電機(jī)、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械手臂和多種傳感器等組成??刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of overall structure of control system
為保證鋼渣磁選機(jī)用清掃系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,需確保清掃系統(tǒng)儲氣罐有足夠恒定的氣壓,結(jié)合了PID 控制原理設(shè)計(jì)蓄能儲氣罐恒壓控制系統(tǒng),蓄能儲氣罐設(shè)置壓力傳感器,實(shí)時監(jiān)測罐內(nèi)氣體壓力,并通過PLC 的PID 控制器與變頻器和電接點(diǎn)式壓力表形成閉環(huán)反饋控制,從而實(shí)現(xiàn)儲氣罐的恒壓控制。PID 控制原理如圖4 所示,恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
圖4 PID 控制原理框圖Fig.4 Block diagram of PID control principle
圖5 恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Constant pressure control system structure block diagram
針對鋼渣磁選機(jī)永磁滾筒表面容易發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象和進(jìn)料斗夾雜或堵塞問題,設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺的系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)CCD、工控機(jī)、PLC 和執(zhí)行設(shè)備。系統(tǒng)選用LED 光源,在永磁滾筒表面和進(jìn)料斗分別安裝2 臺JAI 工業(yè)相機(jī),并將相機(jī)獲得的圖像信號通過千兆網(wǎng)接口傳入工控機(jī),并儲存在上位機(jī)中,再利用OpenCV Sharp 算法庫處理圖像,包括圖像二值化處理、二值圖像濾波、邊緣檢測以及模式識別等過程。能夠計(jì)算判斷出永磁滾筒板結(jié)和進(jìn)料斗夾雜或堵塞等問題。工控機(jī)發(fā)送操作指令給下位機(jī)(PLC),PLC 接收操作指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)并向上位機(jī)反饋數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。機(jī)器視覺系統(tǒng)整體框架如圖6 所示。
圖6 機(jī)器視覺系統(tǒng)整體框架Fig.6 Overall framework of machine vision system
根據(jù)鋼渣磁選機(jī)的運(yùn)行工藝需求,智能控制系統(tǒng)不僅要求PLC 具有快速的計(jì)算能力,還要求具有強(qiáng)大的通信能力。根據(jù)目前主流的西門子PLC 有S7-200 系列、S7-300 系列和S7-1500 系列,其 中,S7-1500 系列PLC 是高端自動化系統(tǒng)使用的控制器模塊,廣泛應(yīng)用于離散自動化領(lǐng)域中的各種自動化應(yīng)用。其人性化的外觀設(shè)計(jì),更容易被技術(shù)人員接受,尤其是CPU 上內(nèi)置LED 顯示屏,可方便顯示CPU 狀態(tài)和故障信息等。從硬件方面來說,系統(tǒng)診斷能力和信息安全性更高,PLCopen 技術(shù)集成,可節(jié)省成本,提高生產(chǎn)效率。其次,從表1 可以看出,CPU 1515-2 PN 作為適用于大中型應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)CPU,無論在硬件資源、軟件資源、存儲空間和指令周期等各項(xiàng)性能上都有大幅提升。所以選用S7-1500 系列CPU 1515-2 PN 作為控制系統(tǒng)主要核心器件。
表1 S7-1500 PLC 與S7-300 PLC 的性能比較Tab.1 Comparison of S7-1500 PLC and S7-300 PLC performance
S7-1500 PLC 主要由電源模塊、CPU 模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、模擬量I/O 模塊、分布式I/O 模塊和通信模塊等組成。
(1)CPU 模塊:CPU1515-2PN 集成有 多達(dá)3 個PROFINET 接口,帶雙端口交換機(jī)(X1P1R 和X1P2R)和PROFINET 接口(X2P1),PROFINET 接口具有實(shí)時通信功能,X1 端口1 連接上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、X1 端口2 連接觸摸屏構(gòu)成人機(jī)交互界面,X2 端口連接分布式I/O 模塊構(gòu)成遠(yuǎn)程I/O。
(2)分布式I/O 模塊:選擇分布式I/O 系統(tǒng)ET 200SP,其接口模塊IM155-6 HF 支持最多64 個模塊,信號模塊支持熱插拔,方便PLC 的布線施工以及后期維護(hù),CPU 單元需要采集控制相應(yīng)的I/O 數(shù)據(jù),適用于磁選機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境。
(3)模擬量I/O 模塊:選擇AI 4×I ST 型,裝于CPU 以及ET 200SP 分布式I/O 模塊上,用于接收各種傳感器輸出的4~20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號。
(4)計(jì)數(shù)模塊:TM Count 2×24 V 支持雙通道編碼器高速計(jì)數(shù),用于磁選機(jī)運(yùn)行速度和精礦產(chǎn)率的計(jì)算。
(5)通信模塊:選擇CM1542-5 RS485 PROFIBUS通訊模塊,裝在分布式I/O 系統(tǒng)ET 200SP 上,用于與變頻器MODBUS 通信,實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)的變頻調(diào)速。
以上硬件配置預(yù)留了20%~30%的余量,方便后期對系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級和擴(kuò)展。
鋼渣磁選機(jī)智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是S7-1500 PLC 的程序設(shè)計(jì)以及通過上位機(jī)安裝西門子自動化軟件TIA(博途)進(jìn)行軟件編程。使用博途軟件完成控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、PLC 通信組態(tài)和設(shè)備組態(tài)等功能。程序設(shè)計(jì)過程中首先分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定功能的子程序,如PID 恒壓控制,脈沖清掃系統(tǒng)間歇式吹氣,進(jìn)料斗自動清除夾雜或堵塞物料,以及減速電機(jī)變頻調(diào)速和分料板自動調(diào)節(jié)角度等。然后設(shè)計(jì)主程序,按一定順序和條件調(diào)用子程序,再結(jié)合機(jī)器視覺檢測系統(tǒng),來實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。
系統(tǒng)子程序是由主程序進(jìn)行調(diào)用,PID 恒壓控制子程序的作用是實(shí)現(xiàn)儲氣罐的恒壓控制,其控制過程為壓力傳感器檢測實(shí)際氣壓經(jīng)分布式I/O 模塊傳入PLC,CPU 將讀入值和觸摸屏或上位機(jī)設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果,通過PID 控制模塊計(jì)算出相應(yīng)的控制量,再控制變頻器的頻率來改變空壓機(jī)的輸出功率,保證儲氣罐的氣壓處于恒定值。PID恒壓控制子程序流程如圖7 所示。
圖7 PID 恒壓控制子程序流程Fig.7 PID constant voltage control subroutine flow chart
脈沖清掃系統(tǒng)子程序流程如圖8 所示。其作用是實(shí)現(xiàn)清掃系統(tǒng)間歇式吹氣,并結(jié)合視覺檢測系統(tǒng),可以防止鋼渣磁選機(jī)永磁滾筒表面發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)垢和板結(jié)現(xiàn)象。
圖8 脈沖清掃系統(tǒng)子程序流程Fig.8 Pulse sweeping system subroutine flow chart
電機(jī)變頻調(diào)速控制子程序流程如圖9 所示。其作用是根據(jù)稱重傳感器檢測的某時刻的實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)傳入PLC,CPU 運(yùn)算后得出實(shí)際精礦產(chǎn)率,與系統(tǒng)設(shè)定的企業(yè)產(chǎn)率指標(biāo)進(jìn)行比較,根據(jù)計(jì)算結(jié)果比較,控制變頻器頻率,從而實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)的變頻調(diào)速,提高精礦產(chǎn)率,即提高鋼渣磁選機(jī)工作效率。
圖9 變頻調(diào)速控制子程序流程Fig.9 Frequency conversion speed control subroutine flow chart
根據(jù)控制系統(tǒng)要求,在主程序中,設(shè)計(jì)進(jìn)料斗自動清除夾雜或堵料和分料板自動調(diào)節(jié)角度功能,按一定順序和條件調(diào)用子程序,有任何一個軟硬件發(fā)生故障時,系統(tǒng)會發(fā)出聲光報(bào)警,故采用互鎖手段來減少電機(jī)故障,同時為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制設(shè)備運(yùn)行狀況。系統(tǒng)主程序流程如圖10 所示。
圖10 系統(tǒng)主程序流程Fig.10 System main program flow chart
本文控制系統(tǒng)依靠S7-1500PLC 強(qiáng)大的通信能力和處理能力,運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)、反饋控制和自動控制理論,采用西門子觸摸屏完成人機(jī)交互界面設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制;通過上位機(jī)與PLC 通信連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測和控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時,針對鋼渣磁選機(jī)現(xiàn)存的諸多問題,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和軟硬件設(shè)計(jì),極大的提高了磁選設(shè)備的精礦品位和精礦產(chǎn)率,具有廣闊的應(yīng)用前景,為實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化生產(chǎn)提供了技術(shù)保障,助推我國經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。