CN105589478A - 一种浮选槽液位自动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮选槽液位自动控制装置及方法，控制装置主要包括液位控制装置、矿浆液位测量装置和气动调节阀，通过矿浆液位测量装置检测矿浆的液位高低并将矿浆的液位高度反馈至液位控制装置，液位控制装置计算液位反馈值与液位设定值之间的差，并依据差值大小选择液位控制方式调整气动调节阀开关大小来控制矿浆液位高低。本发明的液位控制装置将Fuzzy控制与PID控制结合起来，采用Fuzzy-PID复合控制器对浮选槽液位进行自动控制，当液位偏差较大时采用Fuzzy控制，响应速度快、动态性能好；当液位偏差较小时采用PID控制，静态性能好、控制精度高，满足系统控制精度。本发明能满足整个浮选槽液位控制的稳定调节，提高了金属回收率和浮选精矿品位。

Description

一种浮选槽液位自动控制装置及方法

技术领域

本发明属于液位自动化控制技术领域，具体涉及一种浮选槽液位自动控制装置及方法。

背景技术

通常浮选液位控制系统采用传统的PID控制，传统的PID控制本质上属于线性控制，因此对于一些非线性很强的对象来说，控制效果具有先天的不足。浮选液位控制系统具有多变量、纯滞后、时变不确定的特点，液位影响因素多（给矿量、充气量和加药量等），采用常规的PID控制，其效果不理想，系统响应的调节时间较长，造成液位波动大，液位调节不稳定，气动调节阀调整范围大，在0—100%之间变化，容易造成气动调节阀严重损坏，使得设备成本费用高，影响矿浆和药剂反应时间，对提高金属回收率和浮选精矿品位影响很大。

目前国内浮选过程控制得到了较快的发展，但还存在一些问题：

1）自动化相关仪表还没有突破性的进展，一些与矿浆相关的检测仪表仍然存在可靠性能差、测量精度不高、使用寿命短等问题，这些都是影响浮选过程控制应用水平的重要因素。

2）在浮选过程控制算法中，现在用的最多还是简单的PID控制。虽然现在浮选控制领域结合了很多优化算法，例如模糊控制、神经网络、遗传算法以及专家系统等，但是这些技术大都处于理论研究探讨阶段，实际应用在浮选过程控制中高性能控制算法还不多。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中浮选采用单一控制造成效果不理想、系统响应的调节时间较长、液位波动大、液位调节不稳定、气动调节阀调整范围大、容易造成气动调节阀严重损坏以及影响矿浆和药剂反应时间等的技术问题，提供一种浮选槽液位自动控制装置。

本发明的另一个目的是为了提供一种浮选槽液位自动控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种浮选槽液位自动控制装置，包括液位控制装置以及设置在浮选槽上的矿浆液位测量装置和气动调节阀，所述液位控制装置包括操作触摸屏以及与操作触摸屏相连的PLC模块，所述PLC模块包括集成处理器、电源模块和I/O模块，所述集成处理器内设有Fuzzy-PID复合控制器，所述I/O模块分别与矿浆液位测量装置和气动调节阀相连。

进一步地，所述矿浆液位测量装置包括固定在浮选槽上的支架以及固定在支架上的隔离筒，所述隔离筒的上方设有超声波液位计，所述隔离筒内设有浮球和反射盘，所述浮球通过浮球连杆与反射盘相连，所述隔离筒顶部还设有冲洗水管。

进一步地，所述操作触摸屏为威伦人机EB8000LED操作触摸屏，所述操作触摸屏上设有液位调节手、自动转换开关、气动调节阀反馈柱状图CV、PID参数、液位设定值SP、液位反馈值PV、气动调节阀输出OUT、液位设定柱状图和液位反馈柱状图，所述操作触摸屏上由液位调节手、自动转换开关选择手动、自动模式，手动模式下由气动调节阀输出OUT进行气动调节阀开度设置，自动模式下设置液位设定值SP、PID参数实现液位自动调节，并显示液位设定柱状图、液位反馈值PV、液位反馈柱状图和气动调节阀反馈柱状图CV。

进一步地，所述集成处理器为西门子6ES7314-6CG03-0AB0集成处理器。

进一步地，所述PLC模块位于液位控制仪表箱内，所述液位控制仪表箱内还设有DC24V电源、端子排和供电空气开关。

进一步地，所述气动调节阀包括气动执行机构、连杆和锥阀。

进一步地，所述气动调节阀通过法兰和螺栓安装在钢板上，所述钢板固定在浮选槽上。

一种浮选槽液位自动控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在操作触摸屏上由液位调节手、自动转换开关选择自动模式，对液位设定值SP、PID参数进行设置；

步骤二、隔离筒内的浮球随着矿浆液面的上下波动上下动作并带动反射盘上下运动，超声波液位计间接检测到矿浆液位高度变化并将矿浆液面高度通过I/O模块反馈到PLC模块中；

步骤三、PLC模块计算液位反馈值PV与液位设定值SP之间的差Φ，即Φ=PV-SP；

步骤四、PLC模块中的Fuzzy-PID复合控制器依据Φ值大小选择液位控制方式：

∣Φ∣≤10mm，即液位反馈值PV与液位设定值SP相差小于10mm，液位波动相对较小，采用PID控制调节；

∣Φ∣>10mm，即液位反馈值PV与液位设定值SP相差大于10mm，液位波动相对较大，采用Fuzzy控制调节；

步骤五、PLC模块通过I/O模块输出控制气动执行机构，通过调整气动调节阀开关大小来控制矿浆液位高低，同时PLC模块将矿浆液面高度反馈到操作触摸屏进行人工监视；

步骤六、完成调节后矿浆液位测量装置重新检测矿浆液位高低，继续通过Fuzzy-PID复合控制器调节控制，形成闭环控制。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明的浮选槽液位自动控制装置主要包括液位控制装置、矿浆液位测量装置和气动调节阀，通过矿浆液位测量装置检测矿浆的液位高低并将矿浆的液位高度反馈至液位控制装置，液位控制装置计算液位反馈值PV与液位设定值SP之间的差，并依据差值大小选择液位控制方式调整气动调节阀开关大小来控制矿浆液位高低。本发明的液位控制装置将Fuzzy控制与PID控制结合起来，采用Fuzzy-PID复合控制器对浮选槽液位进行自动控制，当液位偏差较大时采用Fuzzy控制，响应速度快、动态性能好；当液位偏差较小时采用PID控制，静态性能好、控制精度高，满足系统控制精度。本发明采用Fuzzy-PID复合控制方法，既能发挥Fuzzy控制与PID控制两者的优点，又能克服两者的不足，加快了调节速度，消除了稳态误差和过大的超调量，能达到较高的控制精度，实践证明本发明控制效果好，控制精度在±5mm以内，系统响应的调节时间短，液位调节稳定，气动调节阀调整范围较小，不会对气动调节阀造成严重损坏，稳定矿浆和药剂的反应时间，满足整个浮选槽液位控制的稳定调节，提高了金属回收率和浮选精矿品位。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明操作触摸屏的结构示意图；

图3为本发明液位控制仪表箱的布置示意图；

图4为本发明浮选槽液位自动控制的流程示意图；

图5为本发明Fuzzy-PID复合控制示意图；

图6为本发明PID控制原理图；

图7为本发明Fuzzy控制原理图。

本发明附图标记含义如下：1、超声波液位计；2、反射盘；3、浮球连杆；4、浮球；5、冲洗水管；6、支架；7、隔离筒；8、操作触摸屏；9、集成处理器；10、电源模块；11、气动执行机构；12、连杆；13、锥阀；14、DC24V电源；15、供电空气开关；16、端子排；17、液位控制装置；18、矿浆液位测量装置；19、气动调节阀；20、气动调节阀反馈柱状图CV；21、PID参数；22、液位设定值SP；23、液位反馈值PV；24、气动调节阀输出OUT；25、液位调节手、自动转换开关；26、液位设定柱状图；27、液位反馈柱状图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，一种浮选槽液位自动控制装置，包括液位控制装置17以及设置在浮选槽上的矿浆液位测量装置18和气动调节阀19，气动调节阀19包括气动执行机构11、连杆12和锥阀13，气动执行机构11的型号为ZSLFA-D2-6BS，为直行式长行程执行机构，总长度为1450mm，气动调节阀19以压缩空气为动力源，接收标准电流控制信号（4-20mA）以一定的力将锥阀13拉动到所需要的开度位置上，气动调节阀19通过法兰和4个M16的螺栓安装在钢板上，钢板固定在浮选槽上，气动调节阀19气动供气压力：550KPa，基本误差：3%F·S,其具有气动执行机构11特有的运行平稳、无超调、无扰动的高品质的调节性能；特别适合调节频繁的场合，因它不须制动，运动惯性小，频率响应高；结构紧凑，出力大、速度快、精度高、灵敏度好。液位控制装置17包括操作触摸屏8以及与操作触摸屏8相连的PLC模块，操作触摸屏8为威伦人机EB8000LED操作触摸屏，操作触摸屏8上设有液位调节手、自动转换开关25、气动调节阀反馈柱状图CV20、PID参数21、液位设定值SP22、液位反馈值PV23、气动调节阀输出OUT24、液位设定柱状图26和液位反馈柱状图27，操作触摸屏8上由液位调节手、自动转换开关25选择手动模式Ⅰ、自动模式Ⅱ，手动模式Ⅰ下由气动调节阀输出OUT24进行气动调节阀19开度设置，自动模式Ⅱ下设置液位设定值SP22、PID参数21实现液位自动调节，并显示液位设定柱状图26、液位反馈值PV23、液位反馈柱状图27和气动调节阀反馈柱状图CV20。PLC模块包括集成处理器9、电源模块10和I/O模块，集成处理器9为西门子6ES7314-6CG03-0AB0集成处理器，自带DP通讯接口、MPI通讯接口、24点24VDC开关量输入通道、16点24VDC开关量输出通道、5路模拟量4-20mA.DC输入通道和2路模拟量4-20mA.DC输出通道。集成处理器9内设有Fuzzy-PID复合控制器，I/O模块分别与矿浆液位测量装置18和气动调节阀19相连，PLC模块位于液位控制仪表箱内，液位控制仪表箱内还设有DC24V电源14、端子排16和供电空气开关15。矿浆液位测量装置包括固定在浮选槽上的支架6以及用6个Φ11的螺丝固定在支架6上的隔离筒7，隔离筒7为钢制PE涂层，隔离筒7上盖外径：Φ360mm，内径:Φ220mm，隔离筒7直径：Φ320mm；隔离筒7的上方设有超声波液位计1，隔离筒7内设有浮球4和反射盘2，浮球4为不锈钢空心球，反射盘2的材料为PVC，不但耐腐蚀，而且重量小，易于上下动作；浮球4通过浮球连杆3与反射盘2相连，隔离筒7顶部还设有冲洗水管5，冲洗水管5为DN20橡胶软管。

如图4-5所示，一种浮选槽液位自动控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、在操作触摸屏8上由液位调节手、自动转换开关25选择自动模式Ⅱ，对液位设定值SP22、PID参数21进行设置；

步骤二、隔离筒7内的浮球4随着矿浆液面的上下波动上下动作并带动反射盘2上下运动，超声波液位计1间接检测到矿浆液位高度变化并将矿浆液面高度通过I/O模块反馈到PLC模块中；

步骤三、PLC模块计算液位反馈值PV23与液位设定值SP22之间的差Φ，即Φ=PV-SP；其中液位反馈值PV23是指浮选槽矿浆液位高低的数值，测量范围：0-550mm，由超声波液位计1输入；液位设定值SP22是指浮选槽矿浆液位控制的目标值，设定范围：0-550mm，由操作人员在操作触摸屏8上设定；

步骤四、PLC模块中的Fuzzy-PID复合控制器依据Φ值大小选择液位控制方式：

∣Φ∣≤10mm，即液位反馈值PV23与液位设定值SP22相差小于10mm，液位波动相对较小，采用PID控制调节；

∣Φ∣>10mm，即液位反馈值PV23与液位设定值SP22相差大于10mm，液位波动相对较大，采用Fuzzy控制调节；

PID控制原理如图6所示：

在连续系统中PID控制规律为：

其中：为调节器输出值；为输入偏差；为调节比例系数；为调节积分时间；调节微分时间，离散化后的PID规律为：

由式（2）可得出增量式PID算法为：

其中：为调节比例系数；为积分系数；为微分系数；，，分别为调节积分时间、调节微分时间、采样周期。

Fuzzy控制原理如图7所示：

Fuzzy控制输入变量和分别表示液位偏差和液位偏差变化率，

的变化范围(-100，+100)；

的变化范围(-60，+60)；

模糊变量词集选择为11个：{NB1，NM2，NM1，NS2，NS1，0，PS1，PS2，PM1，PM2，PB1}

论域：{-5，-4，-3，-2，-1，0,1，2，3，4，5}

模糊变量词集选择为7个：{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}

论域：{-3，-2，-1，0，1，2，3}

确定模糊控制规则表和模糊控制查询表后，通过比例因子将模糊判决输出精确化得到输出U。液位模糊控制规则表及模糊控制查询表如下表1、2所示：

表1液位模糊控制规则表

表2液位模糊控制查询表

步骤五、PLC模块通过I/O模块输出4－20mA电流信号至气动调节阀19控制气动执行机构11，通过调整气动调节阀19开关大小来控制矿浆液位高低，气动调节阀19输出范围：0-100%，如气动调节阀反馈柱状图CV20所示，同时PLC模块将矿浆液面高度反馈到操作触摸屏8进行人工监视；

步骤六、完成调节后矿浆液位测量装置18重新检测矿浆液位高低，继续通过Fuzzy-PID复合控制器调节控制，形成闭环控制。

Claims (8)

1.一种浮选槽液位自动控制装置，包括液位控制装置（17）以及设置在浮选槽上的矿浆液位测量装置（18）和气动调节阀（19），其特征在于：所述液位控制装置（17）包括操作触摸屏（8）以及与操作触摸屏（8）相连的PLC模块，所述PLC模块包括集成处理器（9）、电源模块（10）和I/O模块，所述集成处理器（9）内设有Fuzzy-PID复合控制器，所述I/O模块分别与矿浆液位测量装置（18）和气动调节阀（19）相连。

2.根据权利要求1所述的一种浮选槽液位自动控制装置，其特征在于：所述矿浆液位测量装置包括固定在浮选槽上的支架（6）以及固定在支架（6）上的隔离筒（7），所述隔离筒（7）的上方设有超声波液位计（1），所述隔离筒（7）内设有浮球（4）和反射盘（2），所述浮球（4）通过浮球连杆（3）与反射盘（2）相连，所述隔离筒（7）顶部还设有冲洗水管（5）。

3.根据权利要求1所述的一种浮选槽液位自动控制装置，其特征在于：所述操作触摸屏（8）为威伦人机EB8000LED操作触摸屏，所述操作触摸屏（8）上设有液位调节手、自动转换开关（25）、气动调节阀反馈柱状图CV（20）、PID参数（21）、液位设定值SP（22）、液位反馈值PV（23）、气动调节阀输出OUT（24）、液位设定柱状图（26）和液位反馈柱状图（27），所述操作触摸屏（8）上由液位调节手、自动转换开关（25）选择手动、自动模式，手动模式下由气动调节阀输出OUT（24）进行气动调节阀（19）开度设置，自动模式下设置液位设定值SP（22）、PID参数（21）实现液位自动调节，并显示液位设定柱状图（26）、液位反馈值PV（23）、液位反馈柱状图（27）和气动调节阀反馈柱状图CV（20）。

4.根据权利要求1所述的一种浮选槽液位自动控制装置，其特征在于：所述集成处理器（9）为西门子6ES7314-6CG03-0AB0集成处理器。

5.根据权利要求1所述的一种浮选槽液位自动控制装置，其特征在于：所述PLC模块位于液位控制仪表箱内，所述液位控制仪表箱内还设有DC24V电源（14）、端子排（16）和供电空气开关（15）。

6.根据权利要求1所述的一种浮选槽液位自动控制装置，其特征在于：所述气动调节阀（19）包括气动执行机构（11）、连杆（12）和锥阀（13）。

7.根据权利要求1所述的一种浮选槽液位自动控制装置，其特征在于：所述气动调节阀（19）通过法兰和螺栓安装在钢板上，所述钢板固定在浮选槽上。

8.一种浮选槽液位自动控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、在操作触摸屏（8）上由液位调节手、自动转换开关（25）选择自动模式，对液位设定值SP（22）、PID参数（21）进行设置；

步骤二、隔离筒（7）内的浮球（4）随着矿浆液面的上下波动上下动作并带动反射盘（2）上下运动，超声波液位计（1）间接检测到矿浆液位高度变化并将矿浆液面高度通过I/O模块反馈到PLC模块中；

步骤三、PLC模块计算液位反馈值PV（23）与液位设定值SP（22）之间的差Φ，即Φ=PV-SP；

步骤四、PLC模块中的Fuzzy-PID复合控制器依据Φ值大小选择液位控制方式：

∣Φ∣≤10mm，即液位反馈值PV（23）与液位设定值SP（22）相差小于10mm，液位波动相对较小，采用PID控制调节；

∣Φ∣>10mm，即液位反馈值PV（23）与液位设定值SP（22）相差大于10mm，液位波动相对较大，采用Fuzzy控制调节；

步骤五、PLC模块通过I/O模块输出控制气动执行机构（11），通过调整气动调节阀（19）开关大小来控制矿浆液位高低，同时PLC模块将矿浆液面高度反馈到操作触摸屏（8）进行人工监视；

步骤六、完成调节后矿浆液位测量装置（18）重新检测矿浆液位高低，继续通过Fuzzy-PID复合控制器调节控制，形成闭环控制。