基于PID调节的磁选柱控制系统优化

周亚军

(唐山安丰机械设备有限公司)



基于PID调节的磁选柱控制系统优化

周亚军

(唐山安丰机械设备有限公司)

为解决磁选柱运行中存在的耗水量高、处理量低等问题，对磁选柱控制系统进行了改进，增加了给水量、给矿量的监测和控制设备，利用PID控制调节磁选柱的给水量和给矿量。通过对比试验结果表明：在同等条件下，改进后的磁选柱控制系统在耗水量、处理量及精矿品位等方面的工艺指标均具有小幅提升。

磁选柱控制系统 PID调节改造 系统优化 耗水量 处理量

钢铁工业是国民经济的基础产业，铁矿石是钢铁工业重要的基础原料。我国铁矿石相对较为丰富，然而整体经济可采储量有限，多数矿石难以选别，铁精粉质量不高，不能适应经济发展对钢铁工业的要求[1]。

铁矿石最主要的选别方法是磁选，磁选工艺简单、无污染。磁选机作为磁选工艺中最重要的选矿设备，其性能的好坏决定了磁选的效率和效果[2]。磁选机是利用矿物颗粒磁性的差异实现分选的选矿设备。磁选设备的发展很快，磁选柱是一种在铁矿选厂应用广泛的磁选机。然而，磁选柱在实际使用中也存在一些问题，如对供水量、给矿量的变化敏感，处理量较低、耗水量较大、精矿品位提升难等。改进磁选柱的控制系统结构，有助于提高选厂处理量、降低用水量，提高精矿品位。

1 磁选柱控制系统存在的问题及原因分析

磁选柱的励磁系统采用直流供电，共3组7个线圈，从上向下第1个线圈为第1组固定磁场线圈，用于吸附尾矿中的细颗粒；第2到第5个为第2组振动磁场线圈，主要用于破坏磁团聚，将精矿向下吸引；第3组为循环线圈，主要用于将精矿向排矿口吸引。振动线圈和循环线圈在组内从上向下循环上电，交替往复。磁选柱的结构见图1。

磁选柱上部中心向下给矿，下部给水。控制系统通过线圈在分选空间内产生特定规律的磁场，在重力、浮力、水流冲击力和磁场力的综合作用下，使磁性矿物质在多次强烈的磁聚合和充分分散后，与连生体、矿泥和单体脉石分离，精矿下降，尾矿上升随水流流走，大幅度提高精矿品位[3]。

图1 磁选柱结构

在磁选柱的使用中，虽然其具有精度高、无污染、能耗低等优点，但也存在一些问题有待改进。原系统中，磁选柱供水和给矿的管路各有阀门一个，在运行中需要操作人员依据经验手动调节供水和给矿阀门开度，进而改变供水量和给矿量。因此会产生如下问题：

(1)用水量较大，为保证分选效果，一般将供水阀门打开的都比较大，在生产中也很少依据给矿的情况调节供水量。

(2)对供水量的变化较为敏感，供水量的变化改变了磁选柱中上升水流的流速，进而改变了水流的作用力，在磁场力和其他因素不变的情况下，很难把控分选的效果。

(3)处理量较小，为保证分选效果，在运行中磁选柱的处理量均不同程度的低于额定处理量。

(4)对给矿量的大范围变化比较敏感，当给矿量长时间大于磁选柱最大处理量时，为防止“冒黑”现象发生，精矿阀门打开到系统设定的上限，难以保证精矿品位。

2 磁选柱控制系统改进措施

针对磁选柱分选过程中存在的上述问题，对磁选柱的控制系统进行改进。一是在供水管路和进矿管路增加供水量、给矿量检测装置和电动调节阀门；二是在磁选柱控制系统的软件中针对系统的供水量和给矿量采用闭环调节。

(1)增加检测及控制设备。供水管路位于磁选柱的下部，在供水管路上安装流量传感器，用来测量磁选柱每小时的用水量。流量传感器采用电磁流量计，这种类型的流量计技术成熟，精度能很好的满足现场要求。供水管路对阀门的耐磨要求不高，选用某型号的对夹式电动软密封蝶阀。该款阀门结构紧凑、密封可靠、使用寿命长、强度高、流阻小，可以很好的满足现场需求。

给矿管路位于磁选柱的上部，在给矿管路上安装流量传感器，用来检测设备每小时的处理量。给矿调节阀门在工作状态下，长期和流动的矿浆接触，因此工作的稳定性、耐磨性等要求较高。同时，在工作中还有以下要求：不能产生过大的流阻，不能产生阻塞，不存在间隙防止关死阀门，维护费用低、维护方便。综合上述要求，可选用某型号的电动式管夹阀。

(2)采用闭环的方式调节供水量和给矿量。系统的供水、给矿管路上安装了相应的检测设备和执行机构后，对磁选柱控制系统针对供水和给矿进行闭环控制提供了硬件的支持。闭环系统在输出端和输入端有反馈回路，具有偏差小、精度高、对外部扰动不敏感等优点，单页存在稳定性、振荡和超调等分析，系统的性能分析和设计较为复杂[4]。

3 改进后磁选柱供水、给矿的调节原理及控制过程

3.1 调节原理

在供水调节中增加流量计和执行器后，由原有的开环控制变为闭环控制，利用闭环系统对外部扰动不敏感的优点，可解决主供水管路水压变化对供水量的影响。系统供水调节的控制原理见图2。

用水量的给定信号来源于用户在系统人机界面的设定，控制器为西门子小型PLC，执行器为电动调节阀门，被控对象为设备的用水量，测量设备为流量计。系统的扰动主要来源于主供水管路上管道压力的变化。由于选矿厂用水设备较多，系统的扰动持续存在且对系统形成较大的干扰。

图2 供水调节控制原理

由图2可知，在改进后的磁选柱控制系统中，供水调节是一个闭环的控制系统。闭环控制自动控制是一种基于反馈的控制方式，测量、比较和执行是反馈调节的3个要素。控制器通过对比测量值和给定值的差值，用来调节系统的输出。在实际应用中较常用的是PID控制。PID控制器由比例控制P、积分控制I和微分控制D组成。PID调节的基础是比例控制；积分控制用于消除稳态误差，但系统的超调有增大的可能性；微分控制可提高系统的响应速度并减弱超调的趋势[5]。

在西门子小型PLC的编程软件STEP7 Micro/WIN中，内置了一个“PID调节控制面板”的工具，用于完成PID参数的调试。PID调节器有4个参数(TS、TC、TI、TD)，这4个参数很重要。正确的确定这4个参数可以提升系统的控制性能，不合理的参数会影响系统的静态性能，甚至影响系统的稳定性。在实际的运行中，依据现场的情况，选择PI控制或者PID控制并整定参数[6]。磁选柱的给矿调节原理和供水调节原理类似。

3.2 调节过程

在改进前的系统中，操作员完成供水阀门的调整后，主供水管路的压力变化会直接影响磁选柱的供水量。

在改进后的系统运行过程中，操作人员依据给矿量和工艺水用水要求设定好用水量后，流量计检测当前用水量，和给定的用水量做差，差值进入控制器，通过PID算法运算后，交给电动阀调节阀门开度，完成一个调节的周期。经过几个周期的调节，供水量可以接近设定值。在操作员改变了用水量设定值后，新设定的用水量和检测到的用水量的差值，进行运算、调节后，供水量会接近新的设定值。

在设定值不变，主供水管路压力发生变化的情况下，系统同样可以快速的自动调节，使供水量达到设定值。主供水压力变小(变大)的时候，磁选柱供水量变小(变大)，流量计检测到的供水量和设定的供水量之差为正值(负值)，差值经过PID控制器的运算，通过模拟量输出模块驱动阀门开度变大(变小)，将供水量调节大(小)。

给矿调节的过程和给水调节的过程类似。

4 改进后磁选柱的效果

为了检验改进后的磁选柱控制系统能否解决分选过程中用水量高、处理量小、精矿品位相对较低等问题，采用马坑矿业选矿厂细度为-0.074 mm 90%的矿样在厂内试验室进行试验，与未改进前的磁选柱控制系统进行对比。控制系统改进前后磁选柱选矿结构的对比结果见表1。

表1 磁选柱控制系统改进前后磁选柱选矿结果对比

注：试验中，在几个相同的时间点增大、关小给水管路的压力和瞬时给矿量以模拟现场给水扰动和给矿扰动。

由表1可知，在用水量接近的情况下，磁选柱控制系统改进后的处理量较大，且精矿全铁品位较高；在处理量接近的情况下，改进后的用水量较小且精矿全铁品位较高；在处理量和用水量接近的情况下，精矿全铁品位有较为明显的提升。

5 结 论

(1)基于PID调节的改进后，磁选柱控制系统能有效的抑制现场给水扰动和给矿扰动的干扰，较为精确、迅速的控制给水量和给矿量，用水量有所降低，处理量和精矿品位均有所提升。

(2)改进后的系统自动控制程度较高，避免了操作人员需要不断的依据经验调节给水量和给矿量的情况，降低了操作人员的工作强度。

(3)改进后的磁选柱控制系统在少量投入的前提下，具有提升磁选柱选矿效率和效果的潜力，具有一定的研究价值。

[1] 刘 军.中国铁矿资源的现状与对策[J].中国矿业，2009，12(1):1-4.

[2] 李 振.铁矿分选技术进展[J].金属矿山，2008(5):1-6.

[3] 陈广振.磁选柱及其工业应用[J].金属矿山，2002(9):30-31.

[4] 胡寿松.自动控制原理[M].5版.北京：科学出版社，2007.

[5] 孙 义.平板车行走驱动系统实验台设计及仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[6] 廖常初.S7-200 PLC基础教程[M].3版.北京：机械工业出版社，2015.

2016-10-10)

周亚军(1989—)，男，硕士研究生，助理工程师，301501 河北省唐山市汉丰产业园区建业支路1号。