圓錐破碎機給料控制穩(wěn)定性優(yōu)化研究

李 陽 張曉偉 馮趙屹 彭 巍

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司）

隨著礦山技術(shù)的不斷發(fā)展，圓錐破碎機按照種類可分為彈簧圓錐破碎機、軋臼式圓錐破、液壓圓錐破碎機及復(fù)合圓錐破碎機四大類；按照型號可分為普通PY 圓錐破碎機、西蒙斯圓錐破碎機、復(fù)合圓錐破碎機、標(biāo)準(zhǔn)液壓圓錐破碎機、單缸液壓圓錐破碎機以及多缸液壓圓錐破碎機等型號。液壓式破碎機是在消化吸收了各國80年代具有國際先進(jìn)水平的各類型圓錐破碎機的基礎(chǔ)上研制成的。它與傳統(tǒng)圓錐破碎機的結(jié)構(gòu)在設(shè)計上截然不同，并集中了迄今已知各類型圓錐破碎機的主要優(yōu)點。圓錐破碎機適用于細(xì)碎和超細(xì)碎堅硬的巖石、礦石、礦渣、耐火材料等，其結(jié)構(gòu)主要包括機架、水平軸、動錐體、平衡輪、偏心套、上破碎壁（固定錐）、下破碎壁（動錐）、液力耦合器、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)［1］。

圓錐破碎機作為破碎中等及中等以上硬度礦石較好的設(shè)備，在使用過程中重要的是保證破碎機均勻滿腔給料。圓錐破碎機的破碎腔由定動錐2 個機件構(gòu)成，一般來說，破碎腔的上部是給料空間，為破碎腔提供物料，下部是排料空間，破碎后的物料會在重力下排出。破碎腔中滿腔給料可以保證配套電機運行功率較高，而且擠滿給料可使破碎腔內(nèi)物料緊密接觸，相互擠壓作用大，破碎機的破碎效果就更好；通過“礦石碾礦石”原理，使襯板磨損更均勻，不會出現(xiàn)某些地方磨損嚴(yán)重，某些地方未磨損或磨損較輕的現(xiàn)象，保證襯板最經(jīng)濟(jì)磨損，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在保證滿腔的同時，還需均勻給料，均勻給料可保證圓錐破碎機的正常平穩(wěn)運行，大幅提高圓錐破的使用壽命。

西門子1200PLC 是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI 和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)的控制器［2-5］。通過在破碎機控制柜附近加裝西門子1200PLC，與生產(chǎn)控制系統(tǒng)有效結(jié)合，再利用西門子1200PLC 強大的PID 運算功能來實現(xiàn)破碎機滿腔運行、均勻給料的功能，是此次控制方式研究的主要方向。

1 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計

1.1 控制原理

在保證原系統(tǒng)正?？刂粕a(chǎn)的前提下，加裝1臺西門子1200PLC 控制器和1 臺MCGS 昆侖通態(tài)觸摸屏。通過生產(chǎn)控制系統(tǒng)的切換給料模式輸出功能，可隨時在原系統(tǒng)控制給料和西門子1200PLC 控制給料之間切換。通過現(xiàn)場加裝的MCGS觸摸屏，設(shè)置指定腔內(nèi)料位，在PLC 檢測到腔內(nèi)料位后，對比MCGS設(shè)置的料位，通過PID控制調(diào)節(jié)功能輸出頻率信號至給料皮帶變頻器，改變其運行速度調(diào)節(jié)給料量，形成一個閉環(huán)控制效果，使破碎機腔內(nèi)料位得到穩(wěn)定控制，系統(tǒng)工作原理見圖1。

1.2 硬件組成

由于現(xiàn)場皮帶控制已經(jīng)是變頻控制，所以在硬件方面只選擇料位計和西門子1200PLC、模擬量輸入輸出模塊以及MCGS觸摸屏。

1.2.1 料位計選型

由于圓錐破碎機距離其控制距離較遠(yuǎn)，電壓型的料位計料位信號傳輸會有一定的衰減，從而影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，故料位計選擇4～20 mA 電流型儀表。考慮控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高要求，料位計品牌選擇VEGA雷達(dá)料位計。

1.2.2 料位計安裝

因料位計是為了測量腔內(nèi)高度，故料位計需垂直安裝在破碎機進(jìn)料斗附近并固定牢靠（圖2）。

1.2.3 控制器選型

在西門子1200PLC 系列選型中，選擇西門子S7-1200 CPU1214C。由于料位計信號是4～20 mA 輸出型，西門子S7-1200 CPU1214C 的2 個模擬量輸入通道只有0～10 V 輸入的功能，同時PLC 需調(diào)節(jié)變頻器頻率，故該設(shè)計系統(tǒng)中需添加模擬量輸入輸出模塊，選擇SM1234或其他電流型模擬量輸入輸出模塊

1.2.4 HMI選型

MCGS 觸摸屏選擇帶有以太網(wǎng)接口的型號，方便與1200PLC通訊，故選擇TPC1061Ti。

1.3 控制器I/O分配設(shè)計

對于該圓錐破碎機穩(wěn)定給料系統(tǒng)而言，電控系統(tǒng)設(shè)計需按照規(guī)定的流程設(shè)計，通過工藝分析和控制內(nèi)容設(shè)計，對該加裝系統(tǒng)進(jìn)行I/O 分配設(shè)計。由于皮帶啟停和破碎機啟停均是生產(chǎn)控制系統(tǒng)控制，故未設(shè)計相關(guān)點位。I/O分配設(shè)計見表1。

1.4 硬件接線設(shè)計

根據(jù)輸入輸出點進(jìn)行接線設(shè)計。數(shù)字量輸入部分只要2 個功能信號，I0.0 是生產(chǎn)系統(tǒng)切換至PLC 控制的信號，I0.1取到給料皮帶運行信號，這2個點接在1200PLC 上，供電采用24 V 直流。AI為料位計4～20 mA 信號，AQ 為PLC 計算出的頻率輸出給定信號，同樣為4～20 mA，這2個點接在SM1234模塊上，該模塊供電和1200PLC為相同電源。系統(tǒng)硬件接線見圖3。

1.5 程序流程的功能設(shè)計

按照設(shè)計的程序流程可知，當(dāng)通過生產(chǎn)系統(tǒng)切換至西門子1200PLC 給料時，即選擇自動調(diào)節(jié)，通過PID 運算，將料位給定信號和料位反饋信號進(jìn)行差值比較，通過PID 的比例系數(shù)、積分時間以及微分時間設(shè)置，進(jìn)行變頻器的PID 控制輸出，PLC 輸出頻率調(diào)節(jié)信號至給料皮帶變頻器，變頻器控制調(diào)節(jié)給料皮帶速度?？刂屏鞒桃妶D4。

1.6 PID控制原理分析

PID 控制算法是結(jié)合比例、積分和微分3 種環(huán)節(jié)于一體的控制算法，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。該控制算法適用于被控對象模型了解不清楚的場合。實際運行經(jīng)驗和理論表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時，都能得到比較滿意的效果。

PID 控制原理是閉環(huán)控制，閉環(huán)控制是根據(jù)控制對象輸出反饋來進(jìn)行校正的控制方式，它是在測量出實際與計劃發(fā)生偏差時，按定額或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行糾正。例如在設(shè)計的給料方式中，控制破碎機腔內(nèi)料位，就得有一個測量料位的傳感器，并將結(jié)果反饋到PLC中。

1.7 控制程序設(shè)計

1.7.1 硬件組態(tài)

打開博圖V15.1 新建項目，添加硬件信號相同的CPU1214CDC/DC/DC 和模擬量輸入輸出模塊SM1234，并設(shè)置模擬量輸入通道0和輸出通道0為電流型輸出，輸出電流范圍4～20 mA。

1.7.2 程序設(shè)計

首先創(chuàng)建變量表，將各變量進(jìn)行取值命名，把設(shè)定高度和輸出頻率創(chuàng)建在DB 塊中，并設(shè)置成保持，防止PLC 在斷電重啟后高度設(shè)定數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致給料皮帶無法運行。

根據(jù)采樣執(zhí)行周期，需要創(chuàng)建OB30 循環(huán)組織塊，中斷通過“循環(huán)中斷”O(jiān)B可定期啟動程序，而無須執(zhí)行循環(huán)程序。從OB30 調(diào)用PID 主要是0B30 以固定周期運行，數(shù)字化PID 的采樣周期T 必須是等間隔的，所以要用定時中斷來觸發(fā)。在OB30 組織塊中，調(diào)用PID_Compact指令。

右鍵PID 指令選擇屬性，對指令進(jìn)行組態(tài)。將控制器類型設(shè)置為長度，單位為cm。在CPU 重啟后激活Mode 前打勾，并選擇自動模式。Input/Output 參數(shù)中將SETPOINT 設(shè)置為設(shè)定高度，選擇Input 設(shè)置為破碎內(nèi)料位厚度，選擇Output_PER（模擬量）設(shè)置為輸出信號，即為變頻器頻率給定信號（圖5）。

將過程值設(shè)置中的上下限設(shè)置為料位計的測量量程，該量程為破碎腔內(nèi)到料位計安裝高度，這里設(shè)定為180 cm。最后在PID_Compact 指令中的Manual Enable 引腳處插入I0.0 和I0.1 常閉點，該引腳作用是接通啟動手動調(diào)節(jié)模式，斷開啟動自動調(diào)節(jié)模式。如果生產(chǎn)控制系統(tǒng)未切換至PLC 控制給料和給料皮帶停止時，則采用手動調(diào)節(jié)即無輸出，只有生產(chǎn)控制切換至PLC控制給料及皮帶運行時，斷開Manual Enable引腳執(zhí)行自動調(diào)節(jié)（圖6）。

在OB1 中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化指令和縮放指令，根據(jù)料位計反饋的4～20 mA數(shù)據(jù)計算出破碎機內(nèi)料位厚度和PID運算出的頻率輸出。

打開左側(cè)項目樹工藝對象，選擇PID 組態(tài)，進(jìn)行高級設(shè)置。高級設(shè)置中只設(shè)置過程值監(jiān)視和輸出值限制即可。為防止破碎機腔內(nèi)料位過高導(dǎo)致設(shè)備過載，所以設(shè)置警告上限為130 cm，警告下限為0 cm。考慮到破碎機給料皮帶為重載啟動，且給料量過快會使破碎機腔內(nèi)急劇上漲易導(dǎo)致設(shè)備過載，故設(shè)置PID 輸出上限為36%，即給料頻率輸出上限為18 Hz，輸出下線設(shè)置為0。

將編寫好的程序編譯下載至PLC 中，打開項目樹工藝對象中的PID_Compact，雙擊調(diào)試，打開調(diào)試界面。從生產(chǎn)控制系統(tǒng)將給料皮帶開啟并切換到PLC 給料控制模式，I0.0 和I0.1 觸發(fā)信號使得PID 指令啟用自動控制模式，然后點擊Start，直接啟動精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)會自動計算PID參數(shù)。調(diào)節(jié)狀態(tài)顯示完成后，點擊PID 參數(shù)上傳，將計算出來的參數(shù)數(shù)據(jù)下載至PLC完成項目調(diào)試（圖7）。

1.8 MCGS觸摸屏組態(tài)設(shè)計

1.8.1 MCGS畫面創(chuàng)建

新建項目選擇觸摸屏型號TPC1061Ti，打開設(shè)備窗口，從設(shè)備管理中添加通用TCPIP 父設(shè)備，添加Siemens_1200。設(shè)置本地IP，觸摸屏設(shè)置為192.168.0.100，設(shè)置遠(yuǎn)端IP，設(shè)置為192.168.0.1。由于顯示數(shù)據(jù)不多，先點擊右側(cè)刪除全部通道，再快速連接變量，選擇默認(rèn)變量，連接點擊確認(rèn)即可完成設(shè)備窗口組態(tài)。完成設(shè)備窗口組態(tài)，選擇用戶窗口新建窗口，繪制觸摸屏控制及顯示畫面（圖8）。

1.8.2 MCGS變量關(guān)聯(lián)

根據(jù)創(chuàng)建的變量地址，將變量關(guān)聯(lián)到觸摸屏畫面中。DB塊中變量對應(yīng)觸摸屏軟件中的V數(shù)據(jù)寄存器，DB2.DBD4對應(yīng)通道地址輸入2.4。

完成MCGS觸摸屏畫面組態(tài)和變量關(guān)聯(lián)后，進(jìn)行工程下載至觸摸屏，通過網(wǎng)線和1200PLC 連接，在腔內(nèi)料厚設(shè)定窗口設(shè)定擠滿高度，給料皮帶會根據(jù)破碎機腔內(nèi)料位進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，使其維持在設(shè)定高度。

2 應(yīng)用情況

經(jīng)過一段時間的運行，調(diào)取生產(chǎn)系統(tǒng)曲線發(fā)現(xiàn)，給料皮帶根據(jù)料位的控制使得破碎機腔內(nèi)料位得到了穩(wěn)定控制，達(dá)到了均勻給料的效果。

3 結(jié)語

馬鋼張莊礦選礦廠細(xì)碎機通過穩(wěn)定給料的控制方式，使給料頻率和破碎機腔內(nèi)料位形成一個有效的閉環(huán)控制，穩(wěn)定了細(xì)碎機腔內(nèi)料位，達(dá)到了均勻給料的效果。該效果使破碎腔內(nèi)物料緊密接觸，相互擠壓作用大，破碎機的破碎效果得到提升；同時襯板磨損更均勻，保證了襯板最經(jīng)濟(jì)磨損，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。