物料预磨过程的计算机控制系统设计_温娜.docx

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1、 分类哈： 密 级 学吁： 2008092 中 .位代码： 1 04 07 硕 士 学 位 论 文 论文题目： 物料预磨过程的计算机控制系统设计 研究 方 向 物 料 破 碎 新 技 术 及 新 装 备 研 究 专业 名称 机械电子工程 研 究 生 姓 名 温娜 导师姓名、职称 蔡改贫教授 2011 年 05 月 27 口 ii.W 龄州 学号： 2008092 江西理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文题自： 物料预磨过程的计算机控制系统设计 学位级别 工学硕士 所在学院 机电工程学院 学科专业 机械电子工程 导师姓名 察改贫 学生姓名 温娜 学位论文 是否保密 否 如需保密，解密

2、时间 年月曰 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 .尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江西理工大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的村料，指导教师对此进行了审定 .与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 . 研 究 生 签 名 ： 时 间 ： 年 $ 月 $ B 学位论文使用授权书 学校有权保存提交论文的印刷版和电子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存 1汇编 学位论文 .本人同意江西理工大

3、学可以用 不同方式在不同媒体上发表 .传播学位论文的全部或部分内容 . 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 . 同意授权 作者签名： 签名曰期： 丨 |年夂月 j曰 不同意授权 作者签名： 签名日期： 年月 日 说明理由： 导师签名： 签 名 日 期 ： 年 月 Y日 导师签名： 签名日期： 年月曰 注：本表交一份研究生处保存各案 另在每衣学位论文最后一 I还需装订此表 摘要 矿用预磨机是集碎矿和磨矿功能于一体的设备，是实现多碎少磨的一种有效手段，但 设备的高效可靠运行对矿厂的生产安全和经济效益有重大影响。预磨机碎磨工况非常复杂， 影响物料预磨的因素也很多。因此，设计相应的计算机控制系统对

4、提高预磨机的碎磨效能 和自动控制水平具有较好的研究价值及应用前景。 本课题的目标是设计满足粒度生产要求并且功率消耗耗少的自动控制系统，并实现预 磨机物料生产过程的自动化控制。主要研究内容如下： (1) 通过分析预磨机系统的工作原理及其性能工艺，确定所设计的预磨机计算机控制系 统的功能及实现方法，并建立预 磨机各主要工作参数 (负荷、给料量、主轴转速等 )的控制模 型。 (2) 根据预磨机控制需求，采用模糊控制算法设计了两个二维的模糊控制器对该系统进 行控制，详细介绍了运用 MATLAB软件的模糊逻辑工具箱开发模糊控制器的过程，并运用 SIMULINK对预磨机控制系统进行了仿真研究。 (3) 通

5、过分析控制系统的结构及控制要求，设计了控制系统的硬件系统、硬件电路以及 软件系统。硬件选型上选用了 SIEMENS公司 S7-200系列的 C.PU224作为系统的主控装置， EM235和 EM232扩展模块、 Invt(英威特 )变频器和位移传感器等。软件设计包括运用 Step7 M1Cro/Wm4.0编程软件对控制过程进行编程，运用 MCGS组态软件进行监控界面的设计和 调试。 (4) 根据主电机工作电流、排料粒度信号，运用模糊控制算法对碾盘工作压力、排料口 间隙、主电机工作电流、排料粒度、主轴电机转速、和给料量实时在线监控。 (5) 根据预磨机物料破碎过程的计算机控制系统进行了现场试验，

6、实验结果表明，计算 机控制系统能可靠的实现监控和系统保护功能，预磨机工作的稳定性和产品质量明显得到 提高，能够满足预磨机对计算机控制系统的要求。 本课题在 设计预磨机物料破碎过程的控制系统方面有所创新，在选矿行业中对节能减 耗和提高磨矿产量均有重大的社会经济效益，因而具有广泛的应用前景。 关键词：预磨 ;模糊控制 ;PLC;仿真 ;MCGS组态 I Abstract The highly effective and reliable running of mine pre-mill, which includes crushing and grinding and is an effectiv

7、e machine to achieve the goal of more crushing and less grinding, affects the mine production safety and the economic efficiency significantly. The working condition of mine pre-mill is extremely complex, and there are many factors which affect the impact of ores pre-grinding. It is necessary to des

8、ign an effective computer control system to improve the crushing and grinding efficiency and automation level of the pre-mill, which has a preferable value of research and prospect of application. The goal of thesis is to design an automatic control system to satisfy the granularity production reque

9、st, reduce consumed power and make the automatic control of material production process of pre-mill come true. The main work is as follows: (1) The system functions and the implementation methods of the pre-mill computer control system are defined and the control model of the pre-mills main working

10、parameters(such as the work load, the feeding and the working speed of main motor etc.) is built through analyzing the pre-mill systems principle and its performance technology. (2) According the control demand of pre-mill, two two-dimensional fuzzy controllers are designed to control the system wit

11、h fuzzy control theory. The design process of the fuzzy controllers which are developed by fuzzy logic toolbox of MATLAB is particularly introduced, and the simulative study of control system of pre-mill is carried out under simulation environment of SIMULINK. (3) The hardware, hardware circuit and

12、software are designed through the analysis of the structure and control requirements of the pre-mill control system. On the model selection of hardware of the system, CPU224 of S7-200 PLC produced by Siemens Company is chosen as the main control unit, EM235 and EM232 expansion units, INVT transducer

13、 and displacement sensor etc. are chosen. On the software design of the system, the programming process is accomplished with STEP7-MicroAVIN4.0, and the design and debugging of remote monitoring system are accomplished with MCGS. (4) According to the working current of main motor and the signal of d

14、ischarge size, using the fuzzy control theory to implementing real-time on-line monitoring for pressure of rolling millstone at work, clearance of the discharge gate, working current of main motor, discharge size, the speed of main motor and the feeding. (5) The field experiment about this computer

15、control system of pre-mills material shattering process is carried out. The experimental result shows that the system is reliable to II implement remote monitoring and protect the systems safety, improves the working stability and quality of the products, and satisfies the request of the computer co

16、ntrol system by the pre-mill. The thesis innovates in the design technique of control system of pre-mill crushing process of material. There are great social and economic efficiencies for saving energy and improving output of grinding. Therefore, there is a broad perspective in application about thi

17、s designed control system. Keywords: Pre-grinding; Fuzzy Control; PLC; Simulation; MCGS Configuration Software HI 目录 M . I Abstract . II n躲 . i i.i课题研究的目的和意义 . 1 1.2自动化控制技术在选矿行业中的应用 . 1 1.2.1破碎机自动控制技术的现状 . 2 1.2.2磨矿分级控制策略的现状 . 3 1.2.3选矿自动化专业检测仪表的新进展 . 4 1.3液压技术在破碎机控制方面的应用 . 5 1.4模糊控制及其在碎磨工艺自动化技术中的应用

18、 . 6 1.4.1模糊控制理论的现状 . 6 1.4.2模糊控 制在碎磨工艺自动化技术中的应用 . 7 1.5论文的主要研究内容 . 8 第二章预磨机计算机控制系统的分析 . 10 2.1预磨机预磨矿系统的组成 . 10 2.1.1设备结构和工作原理简介 . 10 2.1.2设备技术特点简介 . 11 2.2预磨机系统性能及工艺分析 . 12 2.2.1预磨机预磨矿系统性能分析 . 12 2.2.2预磨机碎磨过程的工艺分析 . 13 2.3预磨机计算机控制系统的功能及实现方法 . 14 2.3.1主 电机工作电流的测定 . 14 2.3.2排料口间隙的设定及排料粒度的测定 . 14 2.3.

19、3确定主轴转速和给料量的模糊控制策略 . 17 2.4 /H吉 . 18 第三章预磨机控制系统模糊控制器设计与仿真 . 19 3.1模糊控制原理介绍 . 19 3.2预磨机控制系统模糊控制器的设计 . 20 3.2.1给料模糊控制器的设计 . 20 3.2.2主轴转速模糊控制器的设计 . 24 3.3预磨机模糊控制系统的 MATLAB仿真分析 . 25 IV 3.3.1预磨机控制系统数学模型的建立 . 25 3.3.2仿真模型的建立 . 27 3.3.3仿真结果分析 . 31 3.4 /H吉 . 34 第四章预磨机控制系统硬件设计 . 35 4.1预磨机控制系统总体设计方案 . 35 4.2系

20、统硬件的选型 . 36 4.3可编程控制器的选型 . 37 4.4扩展模块的选型 . 37 4.4.1模拟量模块的选择 . 37 4.4.2通信模块的选择 . 38 4.5通讯卡的选型 . 38 4.6传感器的选型 . 39 4.6.1位移传感器的选型 . 39 4.6.2压力传感器选型 . 40 4.6.3称重传感器的选型 . 41 4.7变频器及伺服阀的选型 . 41 4.7.1变频器的选型 . 41 4.7.2伺服阀的选型 . 43 4.8控制系统的 I/O接线图设计 . 43 4.9 . 45 第五章预磨机控制系统软件设计 . 46 5.1下位机 PLC编程 . 46 5.1.1编程软

21、件 STEP7介绍 . 46 5.1.2程序设计 . 47 5.1.3模糊控制的实现及程序设计 . 51 5.2上位机与 PLC通讯及监控界面设计 . 57 5.2.1 PLC与上位机通讯设置 . 57 5.2.2监控主界面设计 . 59 5.2.3系统参数界面设计 . 59 5.2.4数据显示界面设计 . 60 5.2.5报警记录界面设计 . 60 5.3 . 61 第六章控制系统的实验分析 . 62 V 6.1实验总体方案的设计 . 62 6.1.1实验内容的确定 . 62 6.1.2实验准备 . 62 6.2实验条件的确定 . 62 6.3实验结果分析 . 63 6.4 /H吉 . 65

22、 第七章结论和展望 . 66 参考文献 . 68 if . 71 个人简历 . 72 攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果 . 72 江西理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 . 73 VI 1.1课题研究的目的和意义 第一章绪论 目前，大多数选矿厂还是人工操作，只有少数大型选矿厂有一些自动化装备，总体来 说，我国选矿劳动强度大，自动化水平偏低 1。因此，能耗高、效率低、而且随矿石性质 及操作条件的变化很不稳定是目前大多数选矿厂的突出问题 2。在矿产资源不断减少和矿 业市场竞争日益激烈的环境下，为充分有效地利用有限的资源，提高企业的市场竞争力， 国内外矿业不断深化改革技术创新，以实现生产

23、过程信息化和自动化 3。开发研究选矿生 产过程的新装备，实现选矿生产过程的自动化是解决这些问题的关键。 选矿生产过程主要包括破碎作业、磨矿分级作业、选别作业、浓缩过滤作业和尾矿输 送作业等，其中磨矿分级作业在此生产过程中 占有重要地位。 在矿山选矿生产过程中，磨矿作业是整个选矿生产工艺流程中非常关键的环节。磨矿 效率和磨矿产品粒度直接影响选矿厂选别技术指标 m。 但在大多数选矿生产工艺流程中， 通常矿石经破碎机破碎排矿，直接输送到球磨机进入磨矿工作，现行的碎矿与磨矿工序主 要存在以下主要问题： 1. 在此工艺流程中，由破碎工序排出的矿物粒度普遍较粗。 2. 进入磨矿工序的矿物粒度较粗，引起再磨

24、处理量大的问题。 3. 大多数选矿生产过程自动化程度偏低，能耗和原材料消耗较大。 为解决以上问题，在细碎工序与磨矿工序之间増加一个预磨工序，即细碎后的矿石进 入 RM立式预磨机进行碎磨，再输送到球磨机进行磨矿。经过这一工序后，矿石的粒度大 小明显降低，因而可以降低后续磨矿工序的入磨粒度，并提高磨矿效率。为此需针对 RM 预磨机的工作原理设计相应的物料破碎过程的计算机控制系统，对预磨设备的有关工艺参 数和工作参数进行有效控制，实现多碎少磨。 因 RM立式预磨机可以对矿石进行破碎和粉磨，能够用于粉碎各种矿石，可广泛应用 于选矿工业生产。提高 RM立式预磨机生产产量、降低其功耗以及稳定出料粒度值，是

25、研 究人员实现自动控制的最终目标。为此，本课题根据 RM立式预磨机结构、功用和 生产目 的，研制一个以可编程控制器 (PLC)为核心的物料破碎过程的控制系统，以改善预磨机系统 的控制效果，提高此设备的可靠性。 1.2自动化控制技术在选矿行业中的应用 解决选矿行业内能耗高、效率低等问题的重要方法就是开发研究选矿工业生产过程的 关键技术、装备、仪器仪表，实现选矿生产过程的自动化。实现选矿工业生产过程自动化 主要包括：破碎、磨矿分级、选别、脱水过滤及浓缩和尾矿输送等生产过程的自动控制 5。 由于预磨机是选矿工业生产中新开发的新装备，因此，设计预磨机物料破碎过程的控 制系统需借鉴国内外研究人员对破碎机

26、、球磨机等碎磨设备生产过程中所采用的自动控制 技术。 1.2.1破碎机白动控制技术的现状 破碎机为矿山主要生产设备之一，因破碎机具有破碎比大、产量高、耗能少、产品粒 度均匀等特点，获得广泛应用。受自动化发展水平的影响，与国外相比，国内在破碎机控 制的研究方面相对落后。为提高破碎机自动控制水平，我国不断在一些新型破碎机上开展 自动化研究，并配置相关先进的检测控制仪表对老设备进行自动化改造，实现原设备的自 动控制 5。 1. 国内研究现状 目前，国内破碎作业自动控制的研究成果包括各类破碎机控制系统的研制。 破碎机控制器的研制使破碎行业正式步入自动控制的研究。我国第一台破碎机控制器 是由马鞍山矿山研

27、究院汪昭乾等人，结合自动控制技术对破碎机进行研究开发得到的，该 破碎机控制器实现了负荷控制和破碎机故障诊断与保护 6。该控制器应用于多台破碎机的 自动控制生产实际后，时效和细碎粒度得到提高、能耗和故障均得以降低。 近年来，新型破碎设备及其控制系统发展很快。自 90年代以来，国内如鞍钢齐大山选 矿厂、武钢程潮选矿厂、马钢南山选矿厂等先后引 进了多台美国美卓矿机公司的 Nordberg HP 7_8系列矿石破碎机，该机型破碎处理能力强，大大提高了国内选矿厂破碎流程的生产 效率。由于该机型配套的给矿自动控制系统价格昂贵，多数选矿厂因经济原因并未将配套 额自动控制系统与设备一同引进。 针对 Nordb

28、erg HP系列破碎机自动控制系统的问题，开发了破碎机的新型给矿自动控 制系统9。其中，有的新型控制系统采用 PLC， 运用 PR0FIBUS总线构成，组成监督控制 与数据采集 (SCADA)系统。在确定控制参数后，选择 PLC(西门子系列等 )作为主控制器 (CPU)， 同时选择多块模拟量输入输出模块作为远程 1/0,实现给矿系统和破碎机的现场操 作和运行状态指示等，并将 CPU与远程 I/O通过 PROFIBUS-DP接口连接实现通讯。这类 控制系统，可完成破碎机的机腔挤满给矿自动控制，能使系统的动态特性提高。 车载破碎机在自动控制改造的研究方面也有相关进展。研究人员研制了无线控制箱， 解

29、决了信号采集、处理、无线发送及信号的接收、通讯连接等问题。此外，还分析设计了 车体履带、发动机等的 PLC控制的实现及液压系统、变频器的连接使用问题 1 。改造后的 车载破碎机可在遥 控的状态下自由移动，使用时更方便灵活，而且可通过控制箱对破碎机 实现远程控制，能避免破碎过程中粉尘、灰尘等对操作人员的污染和伤害。 包钢白云鄂博铁矿针对破碎设备、线路老化和控制技术落后的状况，对破碎系统进行 了自动控制改造。主要淘汰了前苏联的电气设备，选用 SIEMENS S7-300 PLC实现原设备 的控制功能，选用 WINCC工作站代替原模拟屏功能，将操作和监视全部集中在工作站。 2 选矿厂控制系统的改造，

30、改变了设备控制技术落后的问题并取得了优良的生产效果 11。 国内许多矿厂引进国外先进的液压圆锥破碎机特别是单缸液压破碎机进行破碎作业， 是由于单缸液压圆锥破碎机与广泛使用颚式破碎机和反击式破碎机相比，它存在效率更高、 破碎比更大以及能实现连续性破碎的特点 12。但大部分矿厂考虑到资金的问题，在引进国 外先进的单缸液压破碎机机械设备时，也未购买与主设备配套的控制系统。所以，引进的 破碎机大部分主要依靠人工控制和操作，存在控制精度低、劳动生产率低等问题 13。解决 以上问题的主要途径是，采用 PLC技术，运用模糊控制算法设计 PLC单缸液压圆锥破碎机 控制系 统，系统通过控制破碎机的给矿量控制电动

31、机在恒功率状态下工作，采用模糊控制 算法，实现对单缸液压圆锥破碎机的自动控制，较好地实现破碎机的恒功率自动控制 1445。 以上研究均为矿山工业设备的控制系统设计和改造提供了一定的研究基础。 2. 国外研究现状 国外破碎机自动控制的研究比国内要早得多，斯维达拉公司、山特维克以及富勒史密 斯这几家破碎机生产商的产品自动化程度很高，尤其以美卓矿机公司为例，其旗下的破碎 机在矿山和石料行业是全球公认技术领先的破碎机著名品牌。该公司研制出的 HP系列破 碎机，尤以 HP500和 HP800型号的破碎机在我国破碎行业得到广泛引进和应用，大大的提 高了筛分效率、破碎比及破碎处理能力 1112。 国外圆锥破

32、碎机具有相关控制系统，其主要参数控制选取了主传动电机功率和破碎机 排矿口尺寸作为被控变量，通过检测功率、给矿量、油压、油温、排矿口尺寸等来动态调 整给矿速率和排矿口尺寸，其目标函数是排矿口尺寸最小、给矿量最大。系统的所有控制 动作均是向这两个目标逼近。而国内圆锥破碎机控制系统主要选取的被控参数为主传动电 机的功率 (或电流 )，控制策略一般采用恒功率或优化功率方式，动态调整给矿机给矿量的大 小，使主机的负荷稳定在设定的要求之内；同时检测破碎机润滑系统的压力、流量和温度 等，起到保护工作系统的功能 16。 国外先进的破碎自动控制技术为我国破碎行业注入了新兴技术，为我国各类破碎机自 动控制系统的研

33、究提供了先进的技术指导。 1.2.2磨矿分级控制策略的现状 在选矿工序中，磨矿分级作业是一个必不可少的重要工序环节，磨矿工序性能对选矿 工艺指标、能源消耗以及生产成本的影响至关重要，直接关系到选矿生产的处理能力、磨 矿产品的质量，对后续作业的指标及整个选矿厂的经济技术指标有很大的影响。 在世界发达国家如 美国、加拿大等大型选矿厂采用选矿自动化技术起步较早，已基本 实现了不同程度的自动化。其自动控制的范围包含了选别作业的各个环节。测控参数包括 原矿的品位、粒度、浓度、压力等各个生产设备的所有参数。 我国直到上世纪中后期，才陆续的开展选矿自动化和智能化研究 17。我国的选矿自动 3 化水平还停留在

34、对某一设备单一监测、调整的阶段，即使某些相对较先进的选厂，磨矿控 制系统只对某一车间或某一生产环节进行集散控制。比如对碎矿车间的设备运行情况进行 监控，避免设备空转或磨损过度而导致设备损坏，对磨矿车间进行小型回路的分布控制， 而目前对于浮选车间而言，更是还停留在单回路控制的水平上 18。 综合国内外选矿厂现有对磨矿过程的控制方法，总结为以下三种： (1) 针对单个的过程控制，根据传统控制理论，建立相对简单的数学控制模型。所运用 的控制方法有： PID(比例 -积分 -微分 )控制、解耦控制、前馈控制、串级控制、 Smith控制和 比值控制等。目前， PID控制是在选矿生产过程的控制中应用最多，

35、是最成熟的控制方法， 在早期的模拟控制和目前数字控制阶段， PID控制均起到了良好的控制效果。因为对于时 间大滞后和控制参数较多的生产系统， PID控制效果不佳，所以在选矿生产过程中，特别 是磨矿生产车间运用 PID控制未能达到研究人员预想的效果。由此看来， PID控制更适合 应用在如乳钢生产过程等较单一的生产过程控制。为弥补 PID控制的不足，研究人员经过 不断地研究和实践，总结得出 PID控制结合滞后补偿算法，能对时间大滞后的工业生产系 统起到更好的控制效果，这种方法后来被称为 Smith控制。 (2) 随着计算机硬件技术、软件技术及各编程技术的飞速发展，同时也随着研究人员对 经典控制理论进行了不断的研究、完善及发展，尤其是在磨矿生产过程进行的仿真和模拟， 产生了新颖的控制策略，主要包括了自适应控制、预测控制等 19。自适应控制可描述为： 通过在线辨识逐渐降低甚至消除