基于PLC的重介洗選煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高月華1

1、河北大學(xué)工商學(xué)院裝訂線 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：基于PLC的重介洗選煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 部 信息科學(xué)與工程學(xué)部學(xué)科門類 工學(xué) 專 業(yè) 電氣工程與其自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 2007482665 姓 名 浩亮 指導(dǎo)教師 高月華 2011年5月12日29 / 34基于PLC的重介洗選煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要20世紀(jì)90年代以來，伴隨著介質(zhì)旋流器選煤在煤炭分選工藝中地位的上升，世界各個(gè)國家在重介選煤工藝、洗煤設(shè)備以與其測控系統(tǒng)等方面做出了大量積極的研究和探索。本文基于PLC適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，可靠性高等特點(diǎn)，引用模糊控制的思想，設(shè)計(jì)懸浮液控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的目的是對(duì)重介懸浮液液位和密度的控制。本控制系統(tǒng)共有五個(gè)模擬輸

2、入量和三個(gè)數(shù)字輸出量：給定液位、給定灰分、輸入液位、輸入灰分、輸入密度和主洗開關(guān)閥、加介質(zhì)開關(guān)閥和加水開關(guān)閥的開啟信號(hào)。根據(jù)給定液位和輸入液位比較的結(jié)論、給定灰分與輸入灰分進(jìn)行PID運(yùn)算得到的輸出值和給定密度比較的結(jié)論，得到三個(gè)數(shù)據(jù)（液位的高低、密度的偏差e、密度偏差的變化量ec）去查詢?cè)O(shè)計(jì)的控制查詢表，得到輸出信號(hào)。關(guān)鍵字：重介旋流器；重介選煤工藝；灰分回控；重介懸浮液Based on the Dense Medium Coal Cleaning PLC Control System DesignABSTRACTSince the 90s of the 20th century, along

3、 with the medium cyclone separation process in the status of coal rise, the world in various countries in the heavy medium coal preparation technology, coal washing equipment and the monitoring and control systems has made a lot of active research and exploration. Based on PLC adaptable, easy operat

4、ion, high reliability, reference fuzzy control theory, design suspension control system. The purpose of this design is the suspension of liquid and density control. A comprehensive description of the control system consists of five analog inputs and three digital output: given level, given the ash,

5、the input level, enter the ash, the input density and the main wash off valve, add water, switch the media off valve and processing valve opening signal. According to a given level and compare the conclusions of the input level, given the input of ash to ash and operation of the output value of the

6、PID and the conclusions of a given density is to obtain three data (high and low liquid level, density, the deviation e, the density deviation of the change in ec) to the query design control query table, get the output signal.Key word: cyclone；heavy coal cleaning technology；interface ash back contr

7、ol；heavy medium hydrocyclone目 錄1 緒論11.1 課題的來源與意義11.2 重介洗選煤的國外發(fā)展情況11.3 重介懸浮液的簡介21.4 本課題的主要工作容22 重介懸浮液系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型42.1 重介旋流器42.2 重介懸浮液控制系統(tǒng)硬件連接42.3 PLC的介紹與西門子S7-200系列52.4 模塊選擇62.5 灰分儀的選型72.6 密度計(jì)的選型82.7 液位計(jì)的選型82.8 固態(tài)繼電器的選型93 重介懸浮液控制系統(tǒng)的軟件環(huán)境103.1 STEP 7-Micro/WIN S7-200編程軟件103.2 PID灰分回控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)113.2.1 PID算法113

8、.2.2 回路輸入變量的轉(zhuǎn)化和歸一化與輸出變量的轉(zhuǎn)化113.2.3 PID回路的實(shí)現(xiàn)124 重介懸浮液系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)144.1 重介懸浮液系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.2 I/O地址分配144.3 重介懸浮液程序的設(shè)計(jì)144.4 程序調(diào)試185 總結(jié)和展望215.1 總結(jié)215.2 展望21參考文獻(xiàn)22致23附錄241 緒論1.1 課題的來源與意義在20世紀(jì)80年代之前，國外的煤炭分選基本以跳汰為主。90年代以來，隨著煤炭生產(chǎn)質(zhì)量的提高，使用者為減少對(duì)環(huán)境的污染和提高生產(chǎn)效率，對(duì)煤炭的質(zhì)量要求在不斷在提高。又因?yàn)槭苁?、天然氣激烈競爭的?yán)重影響，促使選煤工業(yè)向低成本方向發(fā)展、高效率。分選精度高、操作方

9、便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重介質(zhì)選煤技術(shù)尤其是大直徑的重介質(zhì)旋流器受到各國青睞。在國外主要產(chǎn)煤國家，重介質(zhì)選煤已經(jīng)上升為主導(dǎo)地位1。煤炭是中國的主要能源，我國的煤炭產(chǎn)量已占世界第一，采用重介質(zhì)選煤技術(shù)的比重占各種選煤技術(shù)的33%，但經(jīng)過選煤的入選的比重僅占48.6%，因此中國急需發(fā)展選煤，特別是急需發(fā)展重介質(zhì)選煤2。高效、清潔、充分的利用煤炭, 對(duì)我國加快建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)和為全面建設(shè)小康社會(huì)提供可靠的能源保障起到極其重要的作用。利用煤炭洗選技術(shù)可以排除煤炭中的大部分雜質(zhì)，提高煤炭質(zhì)量和減少污染，并可以將其分成不同的等級(jí)、規(guī)格，供應(yīng)不同的用戶，提供煤炭利用率?？梢哉f煤炭洗選是潔凈煤技術(shù)的源頭和基礎(chǔ),

10、 是節(jié)能、節(jié)運(yùn)、提高煤炭利用效率、保護(hù)環(huán)境等最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)途徑。為提高控制精度，目前國外均采用PID控制，以進(jìn)行參數(shù)的整定和在線修改，根據(jù)工藝過程中參數(shù)間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系，建立重介質(zhì)選煤過程控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?；谏鲜龌A(chǔ)，提出本課題，力求通過采用模糊控制的思想，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)洗選煤過程中對(duì)懸浮液的控制。1.2 重介洗選煤的國外發(fā)展情況20世紀(jì)90年代，重介質(zhì)選煤逐步代替跳汰而上升為主導(dǎo)地位，由于大直徑重介質(zhì)旋流器、有壓給料和無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器以與煤泥重介質(zhì)旋流器的出現(xiàn)，重介質(zhì)旋流器選煤已代替原有的斜輪和立輪重介分選而成為首選技術(shù)3。國外走的是設(shè)備和廠房大型化的道路。如朗

11、艾道()在成莊礦建設(shè)的模塊化選煤廠采用的是直徑為1150mm兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，澳大利亞選煤廠大都主洗旋流器直徑為1 250mm，用1.35的相對(duì)密度進(jìn)行分選。每小時(shí)可獲得195t煉焦精煤。主洗旋流器的底流給入直徑為900mm的再洗重介旋流器，以1.50的相對(duì)分選密度進(jìn)行分選，每小時(shí)可獲得45t的動(dòng)力煤；英國把主選設(shè)備一LARCODEMS型無壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的直徑由700mm增加到1350mm，研制無壓給料三產(chǎn)品旋流器，用來簡化工藝，達(dá)到降低投資減少生產(chǎn)費(fèi)用的目的；俄羅斯研制成功了F1710/500型等有壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。格勞特澤呂克(GROOTEEGELUK)選煤綜合企業(yè)就采

12、用20臺(tái)大直徑重介旋流器。目前其小時(shí)處理量可達(dá)2 000t。南非弗爾贊德(FORZANDO)選煤廠則使用直徑1 000mm的重介旋流器處理65mm0.8mm的煤。其數(shù)量效率高達(dá)98.6%，EP值僅為0.013，分選密度圍為1.421.50。美國已經(jīng)安裝并投入使用了直徑800mm和1 000mm的重介旋流器。例如，1995年美國肯塔基州哈扎德附近的匹茲頓煤炭公司英國1號(hào)選煤廠對(duì)直徑為1 000mm的重介旋流器進(jìn)行了試驗(yàn)，入料為125mm，相應(yīng)的EP值為0.038，若將入料上限提高到37.5mm和75mm，EP值將分別上升至0.04和0.05。預(yù)計(jì)在克服某些消極因素之后，大直徑重介旋流器將會(huì)在美國

13、各選煤廠中得到迅速推廣應(yīng)用4。中國近年來新建選煤廠或老廠改造采用的重介質(zhì)旋流器大部分直徑為1200-1300mm。在“九五”國家科技攻關(guān)課題中研制開發(fā)的“IZK型重介質(zhì)選煤過程自動(dòng)控市系統(tǒng)”，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了懸浮液的PID參數(shù)自校正控制和精煤灰分在線回控，集過程控制與生產(chǎn)管理于一體4。在大型脫介設(shè)備、強(qiáng)磁磁選機(jī)、配套專用泵和重介質(zhì)選煤工藝參數(shù)自動(dòng)控制等方面均取得了長足的進(jìn)步，使我國重介質(zhì)選煤技術(shù)處于國際先進(jìn)水平行列，基本具備了快速發(fā)展重介質(zhì)選煤的條件。雖然我國已經(jīng)進(jìn)入重介選煤的國際先進(jìn)行列，但是我國還要在許多方面做出進(jìn)一步的研究：降低大直徑三產(chǎn)品重介旋流器有效分選下限的研究；關(guān)于采用三產(chǎn)品重介質(zhì)

14、旋流器選煤工藝的模塊式選煤廠的設(shè)計(jì)研究；應(yīng)對(duì)三產(chǎn)品重介旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究；加快重介選煤過程自動(dòng)化測控技術(shù)的研究。1.3 重介懸浮液的簡介對(duì)于從旋流器流出回收到合格介質(zhì)桶的重介懸浮液的控制，包括它的密度和液位的控制。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先判斷液位的高低，如果液位高于標(biāo)準(zhǔn)水位，則系統(tǒng)進(jìn)入主洗過程。如果液位低于標(biāo)準(zhǔn)水位，則系統(tǒng)進(jìn)入加介過程。重介質(zhì)密度直接影響精煤產(chǎn)品灰分。為實(shí)現(xiàn)灰分的自動(dòng)回控，采用灰分PID控制，實(shí)時(shí)調(diào)整密度給定值，以使精煤產(chǎn)品灰分穩(wěn)定。以SIMENS S7-200可編程控制器作為本次設(shè)計(jì)的控制器。CPU選用CPU226型，其有32個(gè)模擬輸入輸出通道和RS-485通信接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)

15、密度、液位、灰分等連續(xù)變化的模擬量閉環(huán)過程控制。外接EM235擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先判斷液位的高低，如果液位高于一定水位，則系統(tǒng)進(jìn)入工作過程。如果液位低于一定水位，則系統(tǒng)進(jìn)入加水過程。這樣多變量輸入就簡化成了單變量二維模擬輸入。本控制系統(tǒng)共有五個(gè)模擬輸入量分別是：給定液位、給定灰分、輸入液位、輸入灰分、給定密度和三個(gè)數(shù)字輸出量分別是：主洗開關(guān)閥、加介質(zhì)開關(guān)閥和加水開關(guān)閥的開關(guān)信號(hào)。給定液位和輸入液位比較的出液位過高還是過低的結(jié)論，給定灰分和輸入灰分進(jìn)行PID運(yùn)算，得到的輸出值即為標(biāo)準(zhǔn)密度，標(biāo)準(zhǔn)密度再和給定密度輸入值比較然后去控制加介質(zhì)和加水控制。1.4 本課題的主要工作容本

16、設(shè)計(jì)的目的就在于用 PLC 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器接觸控制邏輯電路，在了解和掌握西門子S7-200的使用和編程方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出符合一定要求得硬件接線圖，確定控制系統(tǒng)要求，并編寫程序并且能夠模擬對(duì)重介質(zhì)合格介質(zhì)桶的液位和密度進(jìn)行控制。2 重介懸浮液系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型2.1 重介旋流器重介旋流器分選工藝是重力選礦的一種，是一種先進(jìn)、高效的選煤方法，尤其是，重介質(zhì)工藝可以以低密度選出超低灰分精煤，這也是其它工藝所無法做到的。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，具備了推廣應(yīng)用的條件。自從上世紀(jì)九十年代以來，就已逐步代替跳汰分選技術(shù)而占據(jù)主導(dǎo)地位。重介旋流器有許多種型號(hào)。世界第一臺(tái)重介旋流器是荷蘭國家礦山局(Du

17、tch State Mines)于1945年從一套分級(jí)旋流器改造成的DSM重介質(zhì)旋流器。我國自1966年以來相繼研制成功的ø500mm、ø600mm、ø650mm、ø1150mm兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器以與后來研制成功的DBZ型重介質(zhì)旋流器均屬于這種類型。目前它仍然是世界應(yīng)用最廣泛的一種末煤重介分選設(shè)備5 6。根據(jù)重力選礦鑒于礦粒間的密度差異、物料在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中流體動(dòng)力、所受的重力、和其它機(jī)械力不同的原理，從而實(shí)現(xiàn)礦粒群按密度分層的過程。因?yàn)橹亓铀俣萭是個(gè)不變的常數(shù)，從而顆粒在重力場中的自由沉落末速度V受到限制。為了強(qiáng)化細(xì)粒尤其是微細(xì)顆粒按密度分層的過程，于是

18、采用慣性離心力加速度a取代重力加速度g，這就是近幾十年來得到快速發(fā)展的在離心力場中的分選和分離技術(shù)，特別是重介旋流器分選技術(shù)得到了迅猛發(fā)展和工業(yè)上的廣泛應(yīng)用7。2.2 重介懸浮液控制系統(tǒng)硬件連接重介懸浮液是由密度大的固體微粒分散在水中構(gòu)成的非均勻兩相介質(zhì)，加重質(zhì)的選擇應(yīng)具有合適的粘度與較好的穩(wěn)定性，并且容易配置成分選所達(dá)到的密度，要求在使用過程中不容易被氧化，價(jià)格低廉，便于再生和制備?，F(xiàn)在工業(yè)上一般用方鉛礦、硅鐵礦作為加重介質(zhì)。而對(duì)于煤礦的分選一般用磁鐵礦作為加重質(zhì)8。重介懸浮液的密度、液位控制系統(tǒng)為變量輸入輸出系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入變量來有給定液位、給定灰分、輸入液位、輸入灰分、輸入密度，輸出變量

19、有主洗開關(guān)閥、加介開關(guān)閥、加水開關(guān)閥的開關(guān)狀態(tài)。系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2-1所示。本系統(tǒng)采用西門子s7-200型PLC作為控制器件，外接兩個(gè)EM235擴(kuò)展模塊，液位計(jì)采用超聲波液位計(jì)，可輸出4-20mA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬電流。密度計(jì)采用射線密度計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線測量，輸出4-20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬電流。固態(tài)繼電器選用隨機(jī)型號(hào)的固態(tài)繼電器。系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2-1所示。可以看出各個(gè)硬件的基本連接順序和基本工作原理。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，通過傳感器將檢測到的懸浮液的參數(shù)傳送至EM235擴(kuò)展模塊，PLC接受到來自EM235擴(kuò)展模塊的模擬量輸入信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到輸出值，傳給輸出端，輸出端再控制固態(tài)繼電

20、器的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制開關(guān)閥的導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到對(duì)懸浮液的控制9。密度計(jì)灰分儀液位計(jì)A+A- B+B- C+C-A+A- B+B- C+C-M L+ 0.0 0.1 0.2 0.3 SSRSSRSSREM235-1EM235-2ML+L+M+24VPLC226給定液位給定灰分+5v+5v220v220v加水開關(guān)閥主洗開關(guān)閥加介開關(guān)閥圖2-1 系統(tǒng)的硬件連接圖2.3 PLC的介紹與西門子S7-200系列PLC稱為可編程控制器，是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自控技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。其面向控制過程、面向用戶，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，

21、可靠性高，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制工業(yè)的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CMD）之一.在各行各業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用10。PLC的種類繁多比如西門子、三菱、臺(tái)達(dá)等等，但是其基本結(jié)構(gòu)小異，一般都是由中央處理器（CPU包括微處理器和控制接口電路，是PLC的運(yùn)算和控制中心，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)部各部分的工作）、存儲(chǔ)器（系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器）、輸入輸出單元（CPU與現(xiàn)場輸入輸出裝置或其他外部設(shè)備之間的連接接口部件）、編程器、電源、智能單元（可選部分，包括帶有PID調(diào)節(jié)的模擬量控制模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、數(shù)字位置譯碼模塊和中斷控制模塊等）等主要部分構(gòu)成1112。西門子S7-200 （S

22、7-200如圖2-2所示）系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的置集成功能，實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力，豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)與民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。圖2-2 西門子s7-2002.4 模塊選擇S7-200 CPU的模塊都有一個(gè)部電源，它能為CPU自身、擴(kuò)展模塊和其它用

23、電設(shè)備提供24V直流電源。CPU模塊的24V電源為本機(jī)的輸入點(diǎn)和擴(kuò)展模塊的繼電器模塊提供電源，如果系統(tǒng)配置超出了CPU的供電能力，需增加一個(gè)DC 24V電源為擴(kuò)展模塊供電。系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器一般使用外部電源。外部的24VDC直流電源不能與CPU的24V傳感器電源并聯(lián)使用，這種并聯(lián)可能使某一電源失效或PLC的誤操作。S7-200也為系統(tǒng)中所有的擴(kuò)展模塊提供5V直流邏輯電源。Cpu226模塊作為2004年西門子公司推出的全新產(chǎn)品，全面增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能，加強(qiáng)了S7-200的運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、位置控制、數(shù)據(jù)監(jiān)視和采集以與通信方面的功能.CPU226作為中小型控制系統(tǒng)的控制器，其數(shù)字量I/O可以擴(kuò)

24、展到35路，有兩個(gè)RS-485通信接口；其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為1024B。西門子公司的S7-200 CPU226提供的有PID閉環(huán)控制模塊、PID控制指令和PID空制系統(tǒng)功能塊等，他們使用簡單，只需設(shè)置一些參數(shù)即可，Step 7-Micro/MIN的PID指令向?qū)筆ID指令的應(yīng)用更為方便。目前有3種模擬量拓展模塊，分別是：模擬量輸入模塊（EM231），具有四路模擬量輸入；模擬量輸出模塊（EM232），提供兩路模擬量輸出模塊；模擬量輸入輸出模塊（EM235），具有四路模擬量輸入和一路模擬量輸出。本設(shè)計(jì)選用模擬量輸入輸出模塊（EM235）。2.5 灰分儀的選型 精煤灰分是洗煤產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)，灰分檢測

25、的效果直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，為了保證能夠?qū)崿F(xiàn)重介選煤全過程的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)灰分回控，則要求對(duì)精煤灰分進(jìn)行在線檢測。根據(jù)分析以與現(xiàn)場情況選用ZZ89A型灰分儀，ZZ89A型灰分儀如圖2-3所示灰分儀：ZZ89A型 特點(diǎn)：該產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，采用合理的中低雙能量R重疊射線束，能準(zhǔn)確測定厚度隨機(jī)變化的動(dòng)態(tài)煤流的灰分；測量精度高，對(duì)精煤測量誤差一般在0.3%-0.5%，具有薄煤流的灰分測量技術(shù)，能準(zhǔn)確測定厚度；提供兩路4-20mA電流輸出灰分信息，可以方便地聯(lián)入自動(dòng)控制系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)：(1)提供1分鐘、10分鐘、1小時(shí)累計(jì)灰分的顯示；(2)提供10分鐘、小時(shí)、日、月以與區(qū)間灰分的查詢； (3)提供煤流累計(jì)

26、重量的顯示與查詢；(4)兩路420mA電流輸出灰分信息；(5)自動(dòng)對(duì)儀器和放射源的慢漂移變化進(jìn)行校正；(6)在遠(yuǎn)處接LED灰分顯示儀，與時(shí)顯示灰分?jǐn)?shù)據(jù)；(7)可以保持所有的原始數(shù)據(jù)以供查詢；(8)自動(dòng)根據(jù)皮帶運(yùn)行狀況和皮帶上煤流狀況來決定灰分儀的工作狀態(tài)；(9)射線探測器主裝有恒溫加熱器，有效防止低溫和潮濕的影響。以上諸多優(yōu)勢，使得A型灰分儀在實(shí)際應(yīng)用中，大大提高了精煤灰分測量的準(zhǔn)確性和運(yùn)行的可靠性。圖2-3 ZZ89A型灰分儀圖 圖2-4 華科HC1000型密度計(jì)圖2.6 密度計(jì)的選型 在重介分選中，懸浮液密度直接影響實(shí)際分選密度，因此懸浮液密度在線測量是至關(guān)重要的，它直接影響著重介工藝效果

27、和精美產(chǎn)品的品質(zhì)。在重介旋流器的分選中，懸浮液密度比實(shí)際分選密度要低0.20.4g/cm3。常用的放射性密度測定儀一般為放射性密度測量儀，本設(shè)計(jì)采用的華科HC1000型密度計(jì)如圖2-4所示。密度計(jì)：華科HC1000型密度計(jì)是通用型在線連續(xù)檢測工業(yè)密度計(jì)，利用射線穿過被測物質(zhì)后，其強(qiáng)度隨密度的變化而相應(yīng)變化的規(guī)律，來測定密度。參數(shù)： (1)密度測量圍：0.58.0g/cm3； (2)密度測量精度：±0.001 g/cm3； (3)穩(wěn)定性：±0.5%量程/48小時(shí)； (4)測量管徑：70500mm； (5)測量精度：一般為0.002 g/cm3，較好可達(dá)0.0005 g/cm3

28、。優(yōu)點(diǎn)：(1)采用光電倍增管式密度計(jì)，光電倍增管部分采用全密封，不受溫度、濕度、壓力等外界條件的影響。(2)采用金屬外殼等結(jié)構(gòu)，能承受高溫、高壓、高輻射等惡劣環(huán)境；(3)光電倍增管式密度計(jì)，測量精度高，靈敏度高，性能穩(wěn)定可靠；(4)光電倍增管式密度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便；(5)光電倍增管式密度計(jì)突出的優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長，日常維護(hù)量少；(6)采用單片機(jī)作為主機(jī)，使用方便，操作簡單，參數(shù)設(shè)置直觀、便捷，可通過顯示屏隨時(shí)顯示出管道中礦漿的密度。2.7 液位計(jì)的選型 在選煤廠生產(chǎn)中，篩下水池、濃縮池、和介質(zhì)桶液位都要求保持一種動(dòng)態(tài)平衡。因此重介液位要處在一定的區(qū)段，以免造成懸浮液的溢出或入料壓力過低，液位

29、計(jì)的選擇非常重要，因此用超聲波液位計(jì)更能保障測量精度。本設(shè)計(jì)選用的AR8000系列（原TD2000系列）超聲波液位計(jì)如圖2-5所示。液位計(jì)：AR8000系列（原TD2000系列）超聲波液位計(jì)參數(shù)與功能：(1)超聲波液位變送器性能穩(wěn)定，精度高，抗干擾性強(qiáng)；(2)電流：直流220V；(3)量程10m，分辨率為2mm；精度達(dá)到0.25%到0.5%；(4)亮度數(shù)碼顯示，輸出信號(hào)為05V或420mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，(010V，RS232或RS485)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，配合一般工業(yè)表頭可實(shí)現(xiàn)水位(物位)自動(dòng)控制；(5)采用全密封小角度防水超聲波傳感器設(shè)計(jì)，適用于惡劣環(huán)境；(6)聲束角小于0度，適合小空間檢

30、測。圖2-5 AR8000系列超聲波液位計(jì) 圖2-6 交流固態(tài)繼電器SSR-220D25P2.8 固態(tài)繼電器的選型由于PLC的輸出信號(hào)是直流信號(hào)，而被控制的元件（開關(guān)閥）是在交流220V電壓下工作的。所以應(yīng)該在PLC與被控元件之間應(yīng)該加上弱電控制強(qiáng)電的裝置固態(tài)繼電器（SSR）。固態(tài)繼電器（SSR）是一種由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，其利用電子元件的電、磁、光的特性來完成輸入與輸出的可靠隔離。利用大功率三極管，功率場效應(yīng)管，晶閘管等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花的接通和斷開控制電路。當(dāng)輸入端加上直流信號(hào)或者脈沖信號(hào)時(shí)，固態(tài)繼電器從斷態(tài)轉(zhuǎn)換為通態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。固態(tài)繼電器（SS

31、R）有隨機(jī)型和過零型兩種。對(duì)于隨機(jī)型固態(tài)繼電器，當(dāng)輸入端施加有效控制信號(hào)時(shí)，輸出端立即導(dǎo)通。而過零型要等到負(fù)載電壓過零區(qū)域（一般為15V）才導(dǎo)通。隨機(jī)性SSR反應(yīng)速度快，本系統(tǒng)采用直流輸入交流輸出隨機(jī)型固態(tài)繼電器。其具有壽命長可以頻繁通斷，受外界干擾小，能與邏輯電路兼容，開關(guān)速度快等特點(diǎn)。當(dāng)其收到來自PLC的輸出高電平時(shí)導(dǎo)通來驅(qū)動(dòng)后面的開關(guān)閥。本設(shè)計(jì)選擇的交流固態(tài)繼電器SSR-220D25P如圖2-6所示。3 重介懸浮液控制系統(tǒng)的軟件環(huán)境3.1 STEP 7-Micro/WIN S7-200編程軟件STEP 7是西門子SIMATIC工業(yè)軟件中的一員，它能夠提供多種不同的版本以適應(yīng)不同的應(yīng)用。其

32、中的STEP 7-Micro/WIN 適用于S7-200系列PLC的編程。能夠在STEP 7中對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)控制，并從CPU上載到PC機(jī)或者將用戶程序和硬件組態(tài)信息下載到CPU11。STEP 7-Micro/WIN的用戶程序是由主程序、子程序和中斷程序組成，主程序(OB1)是程序的主體,可以調(diào)用子程序和中斷程序?？梢杂谜Z句表(Instruction)、梯形圖(LadderDiagram）和功能塊圖(Function Block Diagram）編程三種來實(shí)現(xiàn)控制，不同的語言程序之間可以相互轉(zhuǎn)換，可以用符號(hào)表來定義程序中使用的變量地址對(duì)應(yīng)的功能符號(hào)。STEP 7-Micro/WIN為TD200文

33、本顯示器、PID控制器和通信模塊等設(shè)計(jì)了向?qū)?，通過對(duì)話框的控制方式，只需輸入一些參數(shù)就可自動(dòng)生成用戶控制程序。S7-200系列提高了對(duì)工業(yè)控制中的模擬信號(hào)(如密度、液位和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)等）的處理能力。典型的PID模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因而在各個(gè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200系列PLC提供了專門的PID控制指令，并且還有PID參數(shù)自整定功能?？梢韵蜷_發(fā)者提供一些的增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間。PID指令向?qū)Э梢酝ㄟ^對(duì)話框的方式，設(shè)置PID回路的編號(hào)、增益、積分時(shí)間、采樣周期、設(shè)定值的圍、微分時(shí)間等，還可以設(shè)置是否使用報(bào)警的功能。STEP 7-Micro/W

34、IN編程軟件如圖3-1所示。圖3-1 STEP 7-Micro/WIN編程軟圖3.2 PID灰分回控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.2.1 PID算法PID算法是過程控制領(lǐng)域術(shù)成熟、應(yīng)用方便且廣泛使用的控制方法。它是基于經(jīng)典控制理論，并經(jīng)過長期工程實(shí)踐而總結(jié)出的一套行之有效的控制方法。典型的PID模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PID算法中的參數(shù)主要有：給定值（），過程變量（），增益，采樣時(shí)間，積分時(shí)間，微分時(shí)間，輸出值。它們之間的關(guān)系可用式3-1來表示。 式3-1式中，是給定值和測量值的差值。每個(gè)PID回路有兩個(gè)輸入量，給定值（）和過程變量（）。給定值通常

35、是一個(gè)固定的值，比如設(shè)定的灰分值。過程變量是與PID回路輸出有關(guān)，可以衡量輸出對(duì)控制系統(tǒng)作用的大小。3.2.2 回路輸入變量的轉(zhuǎn)化和歸一化與輸出變量的轉(zhuǎn)化PID的輸入量給定值（）和過程變量（）都是現(xiàn)實(shí)世界的值，它們的大小、圍和工程單位都可能不一樣。在PID指令對(duì)這些現(xiàn)實(shí)世界的值進(jìn)行運(yùn)算之前，必須把它們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型表達(dá)形式。首先把16位輸入整數(shù)值轉(zhuǎn)成浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)值。然后將現(xiàn)實(shí)的值的實(shí)數(shù)值表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成0.0-1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化值。下面的算式可以用于標(biāo)準(zhǔn)化給定值或過程變量值,如式3-2所示。 式3-2：標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值：沒有標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值或原值：單極性為0.0，雙極性為0.5：值域大小，可能的最

36、大值減去可能的最小值，單極性為32,000（典型值），雙極性為64,000（典型值）。PID運(yùn)算的輸出值也是0.0-1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化值，在輸出變量傳送之前，必須把輸出變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù)。這一過程實(shí)際上是輸入變量標(biāo)準(zhǔn)化的逆過程。首先用公式3-3把回路輸出轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)定的實(shí)數(shù)值： 式3-3回路輸出的刻度實(shí)數(shù)值回路輸出的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值單極性為0.0，雙極性為0.5值域大小，可能的最大值減去可能的最小值，單極性為32,000（典型值），雙極性為64,000（典型值）。然后把回路輸出的實(shí)數(shù)值換成16位整數(shù)。3.2.3 PID回路的實(shí)現(xiàn)PID指令有兩個(gè)操作數(shù)：TBL和LOOP。其中TBL是回路表的起始地

37、址，操作數(shù)限VB區(qū)域；LOOP是回路號(hào)，可以是0到7的整數(shù)。PID指令如圖3-2所示。圖3-2 PID指令使用PID向?qū)е噶钔瓿稍O(shè)置后，系統(tǒng)自動(dòng)的生成控制子程序PID0-INIT和中斷程序PID-EXE。子程序?yàn)镻ID參數(shù)設(shè)置和定時(shí)中斷程序的啟動(dòng)。中斷程序作用為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化（包括輸入變量和輸出變量）和PID指令的執(zhí)行。每一次程序掃描都要執(zhí)行子程序PID0-INIT.中斷程序的運(yùn)行由子程序中設(shè)定的定時(shí)中斷時(shí)間決定。PID指令采用主程序、子程序、中斷程序的程序結(jié)構(gòu)形式?？蓛?yōu)化程序的結(jié)構(gòu)，減少周期掃描的時(shí)間。本控制系統(tǒng)設(shè)置PID回路0的設(shè)定值圍為0.0%-100%，增益為0.5，采樣時(shí)間為1.0s，

38、積分時(shí)間為1min，微分時(shí)間為0.05min，生成的子程序和中斷程序如下LD SM0.1 CALL SBR_0 /調(diào)用子程序SBR_0/子程序PID-INIT（SBR_0）LD SM0.0MOVR 0.12，VD104 /裝入灰分給定值MOVR 0.50，VD112 /回路增益0.50MOVR 0.10，VD116 /采樣時(shí)間0.1sMOVR 1.0，VD120 /積分時(shí)間1minMOVR 0.05, VD24 /輸入微分時(shí)間0.05MOVE 100，SMB34 /設(shè)定定時(shí)中斷0的時(shí)間間隔為100msATCH INT0, 10 /設(shè)定定時(shí)中斷以執(zhí)行INT_0ENI /中斷程序PID_INIT(

39、INT_0)LD SM0.0ITD AIW0，AC0 /將采集到的灰分測量值存入累加器DTR AC0，AC0 /雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)/R 32000.0，AC0 /標(biāo)準(zhǔn)化累加器中的實(shí)數(shù)MOVR AC0，VD100 /存入回路表PID VB100，0 /回路表的起始地址為VB100，回路號(hào)為0MOVR VD108，AC0 /取出PID回路運(yùn)算結(jié)果*R 32000.0，AC0/取PID回路運(yùn)算結(jié)果的控制量，進(jìn)行逆標(biāo)準(zhǔn)化ROUND AC0，AC0 /舍入取雙整數(shù)DTI AC0，AC0 /雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)MOVW AC0，AQW0 /輸出模擬量4 重介懸浮液系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 重介懸浮液系統(tǒng)設(shè)計(jì)本

40、控制系統(tǒng)共有五個(gè)模擬輸入量分別是：給定液位、給定灰分、輸入液位、輸入灰分、輸入密度。給定液位和輸入液位比較的出液位過高還是過低的結(jié)論，給定灰分和輸入灰分進(jìn)行PID運(yùn)算，得到的輸出值即為標(biāo)準(zhǔn)密度。標(biāo)準(zhǔn)密度再和給定密度輸入值比較得到密度偏差e和密度偏差的變化量ec，根據(jù)得到的三個(gè)數(shù)據(jù)（液位的高低、密度偏差e、密度偏差的變化量ec）去查詢之前事先輸入存的控制查詢表TBL，得到輸出信號(hào)。輸出信號(hào)再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)-主洗開關(guān)閥、加介質(zhì)開關(guān)閥和加水開關(guān)閥。4.2 I/O地址分配在PLC控制系統(tǒng)中，每個(gè)模擬量和數(shù)字量皆需要給予分配一個(gè)I/0地址，根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)來確定模塊的選擇。S7-200的拓展配置地址分配

41、的原則有兩點(diǎn)：一是數(shù)字量模塊的地址是以字節(jié)為單位的，而模擬量是以字為單位的（即以雙字節(jié)為單位）；二是數(shù)字量拓展模塊和模擬量拓展模塊分別編址，數(shù)字量輸入模塊要用字母“I”，數(shù)字量輸出模塊要用字母“Q”，模擬量輸入模塊要用字母“AI”，模擬量輸出模塊要用模擬量“AQ”?；谝陨系囊?guī)則得到本控制系統(tǒng)的I/O分配地址如表1所示。表1 系統(tǒng)I/O分配地址表I/O點(diǎn)設(shè)備I/O點(diǎn)設(shè)備AIW0給定液位Q0.0主洗開關(guān)閥AIW2給定灰分Q0.1加介開關(guān)閥AIW4灰分輸入Q0.2加水開關(guān)閥AIW8液位輸入AIW10密度輸入4.3 重介懸浮液程序的設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)重介懸浮液的密度、液位控制系統(tǒng)為多變量輸入輸出系統(tǒng)。所

42、以由于輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，很難精確建立系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，也不宜用傳統(tǒng)的PID算法。本課題在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，采取模糊控制算法的思想，來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。首先建立查詢控制表，當(dāng)液位過高時(shí)查詢控制表TBL1(如表2所示)，液位過低時(shí)查詢控制表TBL2（如表3所示），查表時(shí)是通過表首地址加上偏移地址來進(jìn)行的。TBL1的表首為VW110，TBL2的表首為VW200，當(dāng)判斷e時(shí)，將0(e高時(shí))或2（e低時(shí)）送入VW400,判斷ec時(shí)，將0（ec高時(shí)）或4（ec低時(shí)）送入VW402。將VW400的數(shù)值加上VW402的值就生成了偏移地址（地址是雙整型數(shù)據(jù)，需要先進(jìn)行轉(zhuǎn)換）。表

43、首地址加上偏移地址就是要查詢的輸出值的存儲(chǔ)地址。這樣就可以得到輸出值。輸出值經(jīng)過轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成BCD碼（比如6轉(zhuǎn)換成00000110），送到輸出端口中，具體可參考附錄。表2 控制查詢表TBL1 表3 控制查詢表TBL2e高e低ec高31ec低21e高e低ec高64ec低45創(chuàng)建完查詢表后，根據(jù)輸入值直接查表得到輸出量?？刂瞥绦虻闹饕δ艹绦蛴邢到y(tǒng)的初始化，判斷液位的高低，計(jì)算密度偏差和密度偏差的變化量，查詢控制查詢表，控制輸出等幾部分組成。利用ATT指令將控制查詢表TBL1和TBL2輸入存等。填入查詢表TBL1程序梯形圖如圖4-1所示。其中，增加至表格（ATT）指令向表格（TBL）中加入字值（D

44、ATA）。表格中的第一個(gè)數(shù)值是表格的最大長度（TL）。第二個(gè)數(shù)值是條目計(jì)數(shù)（EC），指定表格中的條目數(shù)。新數(shù)據(jù)被增加至表格中的最后一個(gè)條目之后,每次向表格中增加新數(shù)據(jù)后，條目計(jì)數(shù)加1。上述程序建立了TBL1，TBL2的建立以此類推即可。建立查詢表梯形圖如圖4-1所示。圖4-1 填入查詢表TBL1程序梯形圖之后對(duì)液位輸入值進(jìn)行相應(yīng)的比較，得到液位輸入過高（Q0.1為高電平）或過低（Q1.0為高電平）的結(jié)論。判斷液位程序梯形圖如圖4-2所示。圖4-2 判斷液位程序梯形圖然后給定灰分值（SP）和灰分輸入值（PV）通過PID運(yùn)算得到的輸出值即為標(biāo)準(zhǔn)密度值，調(diào)用PID梯形圖如圖4-3所示。圖4-3 調(diào)用

45、PID程序梯形圖經(jīng)過給定密度和密度輸入的對(duì)比得到密度偏差e和密度偏差的變化量ec（密度偏差的變化量就是這個(gè)掃描周期中的密度偏差e（T）減去上個(gè)掃描周期中的密度偏差e（T-1），即ec = e（T）- e（T-1）。如果e大于0，則給VW400賦值0，如果e小于0，則給VW400賦值2。如果ec大于0，則給VW402賦值0，如果ec小于0，則給VW402賦值4。計(jì)算密度偏差和密度偏差變化量程序梯形圖如圖4-4所示。圖4-4 計(jì)算密度偏差和密度偏差變化量程序梯形圖4.4 程序調(diào)試實(shí)驗(yàn)室?guī)в蠸7-200 CPU226 PLC一臺(tái)和帶有EM235擴(kuò)展模塊，由于給定灰分、給定液位和灰分輸入這三個(gè)輸入量共

46、用一個(gè)模塊（EM235），所以這三個(gè)輸入量由程序?qū)懭?。?shí)際輸入信號(hào)與反饋信號(hào)用滑動(dòng)變阻器模擬輸入，輸出不用負(fù)載，可用可編程控制器實(shí)驗(yàn)裝置上的二極管來模擬實(shí)現(xiàn)。第一步，在將外部電路連接好的基礎(chǔ)上，將PC機(jī)與PLC用數(shù)據(jù)線連接起來。連線圖如圖4-5所示。第二步：打開V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3編程軟件，打開進(jìn)庫系統(tǒng)程序，進(jìn)行編譯。編譯圖如圖4-6所示。第三步：確定程序編譯無誤，在菜單”文件“下拉菜單中下載。第四步：完成下載程序步驟后，點(diǎn)擊運(yùn)行RUN快捷按鈕，將PLC置于運(yùn)行狀態(tài) ，運(yùn)行如圖4-7所示。點(diǎn)擊“程序狀態(tài)監(jiān)控“按鈕，觀察程序的運(yùn)行狀態(tài)如圖4-8所示。第五步：下載程序后并硬件連接后，進(jìn)行總體調(diào)試并分析結(jié)果。圖4-5 PLC連線圖圖4-