單缸液壓圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

姜俊雄，熊紹俊，汪云強

（南昌礦山機械有限公司，江西 南昌 330004）

由于我國破碎技術(shù)起步晚，導(dǎo)致我們在單缸圓錐破碎機使用過程中，需要依托人工控制方式，這種方式降低了作業(yè)效率，加大了人力資源的投入。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)用PLC控制技術(shù)對單缸圓錐破碎機控制系統(tǒng)進行升級設(shè)計，提高單缸液壓圓錐破碎機控制系統(tǒng)自動化程度，通過設(shè)計改造，提高破碎機的作業(yè)效率，同時降低能耗。

1 單缸圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

設(shè)計人員在設(shè)計中，充分發(fā)揮PLC控制技術(shù)的作用，在自動系統(tǒng)整體方案設(shè)計上，由硬件和軟件系統(tǒng)組成，包括各類傳感器，增設(shè)了位移、溫度、壓力等檢測功能，在PLC技術(shù)支撐下，保證各傳感器實現(xiàn)準(zhǔn)確控制；借助PLC程序，對采集到的信號進行處理，對給礦電動機轉(zhuǎn)速的自動控制，實現(xiàn)自動控制給料量，維持主電機功率不變；有效提高單缸液壓圓錐破碎機負(fù)荷穩(wěn)定性。

1.2 硬件設(shè)計

設(shè)計人員在單缸圓錐破碎機系統(tǒng)改造設(shè)計過程中，引入了PLC控制技術(shù)，借助PLC能夠?qū)崟r接收傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)控制量，對變頻器進行控制，實現(xiàn)對給礦電動機轉(zhuǎn)速的控制，將圓錐破碎機工作負(fù)荷控制在合理范圍內(nèi)，進而保證圓錐破碎機始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)下；同時，將PLC技術(shù)引入圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計中，保證數(shù)據(jù)采集效果，能夠有效將數(shù)據(jù)傳輸給中控系統(tǒng)，進而在線實時監(jiān)測圓錐破碎機的運行工況。就自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計情況看，系統(tǒng)功率主要是按照功率變送器檢測結(jié)果進行設(shè)定的。使用溫度傳感器檢測主潤滑油的溫度；借助壓力傳感器檢測液壓系統(tǒng)的破碎壓力。給礦電動機使用變頻控制轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)控制給礦量，應(yīng)用優(yōu)勢顯著。由于圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)，對動態(tài)響應(yīng)要求高，因此，在系統(tǒng)改造設(shè)計中，需重點考量圓錐破碎機的負(fù)載；在變頻器支持下，能夠進一步保證單缸圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計效果，滿足具體工況使用需求[1]。另外，在圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計中，使用的是液壓伺服系統(tǒng)，主要通過控制主軸位置，保證排礦口大小。為保證圓錐破碎機送料速度，在本次設(shè)計改造中，對破碎機送料膠帶輸送機的電動機轉(zhuǎn)速進行控制，并在變頻器支持下，實現(xiàn)自動控制。

1.3 軟件設(shè)計

通過PLC技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)PLC程序進行編寫，實現(xiàn)對系統(tǒng)的初始化設(shè)計，確保按照順序啟動相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備；提供了數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集功能，實時對自動控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，在系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用的是模糊控制方法，有效提高了圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)運行效果。

1.4 上位機設(shè)計

將PLC技術(shù)與中控進行連接，保證了通信效果，實現(xiàn)在線監(jiān)控功能，整個設(shè)計過程是在視窗控制中心完成的，進一步提高了系統(tǒng)靈活性，為人機界面設(shè)計，提供了便利條件。在中控系統(tǒng)設(shè)計上，增設(shè)了參數(shù)顯示功能，支持對相關(guān)參數(shù)的更改和設(shè)置，提供了報警功能，能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進行記錄和存儲，通過優(yōu)化設(shè)計中控系統(tǒng)，全方位對圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)進行控制，加強故障預(yù)警，若圓錐破碎機系統(tǒng)部件出現(xiàn)運行故障，系統(tǒng)會第一時間進行預(yù)警，便于相關(guān)檢修人員開展故障維修作業(yè)，并在短時間內(nèi)恢復(fù)圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)正常運行狀態(tài)。

2 單缸圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)要求及工作原理

2.1 自動控制系統(tǒng)設(shè)計要求

設(shè)計人員在系動化改造過程中，設(shè)置了自動和手動兩種方式，實現(xiàn)手動和自動控制切換目標(biāo)，當(dāng)圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)處于自動控制模式下，能夠根據(jù)主電機功率大小，控制給礦電機的轉(zhuǎn)速，有效控制圓錐破碎機工作負(fù)荷，在自動控制狀態(tài)下，有效調(diào)整排礦口大小尺寸；整個自動控制過程中，重點監(jiān)測圓錐破碎機主電機運行狀態(tài)，檢測作業(yè)狀態(tài)下，潤滑油的溫度，測定液壓系統(tǒng)的破碎壓力，根據(jù)設(shè)計需求，實現(xiàn)了對上述信息的收集，清晰化地反映在圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)控制界面上，幫助相關(guān)人員更好分析圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)運行狀態(tài)，并結(jié)合系統(tǒng)實際運行情況，調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

2.2 工作原理

在礦石開采過程中，根據(jù)開采方式、排礦口調(diào)整裝置等因素，選擇破碎機粉碎設(shè)備；本文主要研究的是單缸液壓圓錐破碎機；設(shè)備組成主要由機架總成、主軸總成、下機架總成、偏心總成和小齒輪總成組成。主電機通過三角帶，帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動帶動偏心總成旋轉(zhuǎn)；偏心總成推動傾斜的主軸總成繞著破碎機的中心旋轉(zhuǎn)，最終動、定錐襯板構(gòu)成的破碎機周期性的變化，實現(xiàn)對礦石的破碎和排礦。在運行過程中，可以隨時調(diào)節(jié)主軸的位置，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)排礦口的大小。然而，將圓錐破碎機具體應(yīng)用在礦石開采中發(fā)現(xiàn)，需要手動控制，整體作業(yè)效率不高；難以發(fā)揮破碎機的功能優(yōu)勢；并且在實際工況中，破碎機處于且長期處于輕載運行狀態(tài)，有設(shè)計人員在改造設(shè)計圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)過程中，應(yīng)用了PID模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但實際應(yīng)用效果不理想，操作難度大，增加了系統(tǒng)設(shè)計程序，難以保證自動控制系統(tǒng)的適應(yīng)性[2]?；诖耍醒芯咳藛T提出了基于模糊控制的圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計理念，將模糊理論引入到系統(tǒng)設(shè)計中，進一步為自動控制系統(tǒng)應(yīng)用可靠性提供了理論支撐依據(jù)。

3 基于模糊控制的圓錐破碎機自動控制設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制功能要求

破碎是礦石開采的關(guān)鍵性工藝，能耗較大，破碎效率關(guān)乎到整個礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率，為改變單缸圓錐破碎機人工控制模式，設(shè)計人員在常規(guī)改造設(shè)計基礎(chǔ)上，對基于模糊控制的圓錐破碎機自動控制設(shè)計，展開進一步的研究，最大程度上保證圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)運行性能，減少電動機故障的發(fā)生，實現(xiàn)自動控制目標(biāo)，更加精準(zhǔn)的控制給礦量，進而保證作業(yè)效率，為礦山企業(yè)發(fā)展提供助力。基于此，設(shè)計人員在實際設(shè)計過程中，基于系統(tǒng)控制功能要求展開設(shè)計，明確了設(shè)計目標(biāo)，將提升破碎機工作負(fù)荷穩(wěn)定性作為首要改造設(shè)計的首要目標(biāo)，確保有效控制主電機的功率；就影響破碎機電機功率相關(guān)因素看，涉及給礦量和排礦口，為保證礦石料破碎粒度滿足生產(chǎn)需要，科學(xué)設(shè)定排礦口的數(shù)值；確保通過控制給礦量控制電機作業(yè)恒定功率[3]。同時，自動控制系統(tǒng)控制功能，對排礦口大小提出了相關(guān)要求，確保自動控制系統(tǒng)，能夠自動調(diào)整排礦口大小，能夠?qū)崟r監(jiān)測電機運行狀態(tài)。

3.2 對電機恒定功率的模糊控制

圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)，主要是依托功率變送器檢測主驅(qū)動電機功率的，在模糊規(guī)則下，對控制量進行控制，變頻器根據(jù)控制量情況，調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，更好保證給礦量的合理性和科學(xué)性；最終保證破碎機驅(qū)動電機的功率，維持在穩(wěn)定狀態(tài)下；保證作業(yè)效率。自動控制系統(tǒng)改造設(shè)計人員，根據(jù)模糊運算推理，將需要調(diào)整的設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊理論，并羅列出模糊子集；參照模糊變量賦值表，可推導(dǎo)出最終的運算結(jié)果，保證電機各項運轉(zhuǎn)參數(shù)的合理性。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)硬件設(shè)計上，為滿足自動控制系統(tǒng)功能需求，制定了以PLC技術(shù)為核心的設(shè)計方案，增設(shè)了觸摸屏人機界面，實施將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息反饋到觸摸屏上；根據(jù)模糊理論，搭建模糊模型，對控制量進行碰撞分析，保證數(shù)據(jù)的合理性，PLC根據(jù)模糊模型提供的數(shù)據(jù)信息，對控制量進行調(diào)整，并通過調(diào)整液壓系統(tǒng)的伺服閥，實現(xiàn)對排礦口大小的調(diào)整；最終在實際工況中應(yīng)用時，能夠保持主電機功率不變，更好穩(wěn)定破碎機的工作負(fù)荷。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于模糊控制的圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計，在PLC程序設(shè)計下，進一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集方式，實現(xiàn)標(biāo)度轉(zhuǎn)換目標(biāo)，有效調(diào)整了排礦口尺寸，在模糊控制在，支持對三大主要模塊進行管控，在PLC程序設(shè)計過程中，重點設(shè)定了主機功率模糊控制程序的編寫方式，在本模塊設(shè)計中，使用的是基址+偏移地址尋址設(shè)計方式，為保證程序設(shè)計可行性；根據(jù)模糊理論納入模糊論域元素，最終能夠精準(zhǔn)推算出實際控制量。

3.5 觸摸屏界面設(shè)計

在單缸液壓圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)觸摸屏設(shè)計中，設(shè)計人員借助專業(yè)軟件進行設(shè)計，結(jié)合觸摸屏界面實際使用需求，加強對主畫面、設(shè)備運行畫面、故障診斷畫面的控制；進而更加清晰化的反映出主機功率實時曲線以及主機功率實時曲線值；幫助現(xiàn)場人員，實時監(jiān)測和掌握主機功率運行情況，并根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，將誤差控制在合理范圍內(nèi)；進而保證自動控制效果。

3.6 遠(yuǎn)程界面控制

在遠(yuǎn)程界面控制設(shè)計環(huán)節(jié)，采用的是MCGS軟件設(shè)計方式，重點優(yōu)化設(shè)計了主界面、潤滑系統(tǒng)界面以及系統(tǒng)參數(shù)界面等；通過將模糊理論引入到單缸液壓圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)設(shè)計中，實現(xiàn)對破碎機恒定功率的控制，并在模糊模型創(chuàng)建下，防止主電機功率出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，避開不確定因素的干擾；將改造設(shè)計后的圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)應(yīng)用在礦石開采作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)具有較強的魯棒性，展現(xiàn)了運行優(yōu)勢，系統(tǒng)運用可靠程度高。

4 結(jié)論

綜上所述，單缸液壓圓錐破碎機廣泛應(yīng)用在礦石開采中，屬于粉碎性設(shè)備，在技術(shù)驅(qū)動下，逐步提高了單缸液壓圓錐破碎機工作效率，然而，為進一步實現(xiàn)單缸液壓圓錐破碎機自動控制目標(biāo)；相關(guān)設(shè)計人員對自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，引入了PLC技術(shù)，優(yōu)化改進了自動控制系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)在實際工況中的控制水平，更好展現(xiàn)了自動化優(yōu)勢，保證礦石開采作業(yè)順利完成。