基于DCS系统平台的加球机控制系统的制作方法

本发明属于选矿自动控制技术，尤其是一种球磨机钢球自动加入系统。

背景技术：

目前，国内日处理万吨级以上的铜矿山磨机系统的钢球添加应用方式主要分为两种：1是应用航车吊装钢球到磨机入矿口，人工进行加球；2是采用专门设计的磨机钢球的添加控制系统，以plc为核心，配套仪表及电气设备共同实现钢球的自动添加。

人工添加钢球的方式，需要大量的体力操作处理，增加员工的体力劳动量，减低员工身心健康指数。此外，在吊装钢球过程存在航吊作业、交叉作业、高空作业等较大的安全风险隐患。以plc为核心来新增一整套钢球添加控制系统，则每台加球机控制系统的设计、设备备件材料、安装、调试等投入太多，难以负担。

技术实现要素：

本发明的目的是运用现有的dcs系统功能，在其系统上新建控制策略cm，仅需对设备加装传感器和小变频器，就可以实现相关过程检测与控制。

基于dcs系统平台的加球机控制系统，包括钢球计数和输出装置，以及dcs检测控制系统；

钢球计数和输出装置，用以将钢球加入滚筒中，并计量加入滚筒内的钢球数量；

dcs检测控制系统包括定时周期新给矿量自动计算单元、钢球需求量自动计算单元、实际钢球添加自动控制单元、自动周期循环控制单元，其中：

定时周期新给矿量自动计算单元，包括定时器模块、脉冲累加模块、条件推送模块、立即数存储模块，具体是：

定时器模块，用以设定时间周期；

脉冲累加模块，用以分别进行总入矿量、顽石返回矿量累加，并触发条件推送模块；

条件推送模块，用以分别将总入矿量、顽石返回矿量推送给立即数存储模块；

立即数存储模块，用以计算定时周期新给矿量，并推送数据到钢球需求量自动计算单元；

钢球需求量自动计算单元，用以计算需要加入磨机的钢球数量；

实际钢球添加自动控制单元，用以控制实际钢球添加量和计算量一致，并等待本次定时周期结束后进入下一个周期；

自动周期循环控制单元，用以使各模块启动置位、使能复位，并开始下一个定时周期。

所述的时间周期，是根据实际生产需要任意设定，常见的周期设定一般为2-3分钟。

所述的钢球输出装置是一个圆柱形滚筒，滚筒由变频电机带动旋转，滚筒圆柱面上纵、横向均匀错位布置抓手，抓手为两手指状；滚筒正上方布置钢球计数装置，计数装置由一个布置在滚筒正上方的支架以及光电开关传感器、刹车挡板、复位板构成；刹车挡板和复位板安装在支架与滚筒之间，沿支架分布，与抓手对应位置布置；光电开关传感器为一个漫反射型光电开关传感器，安装在支架之上，与刹车挡板对应位置布置，面测刹车挡板信号。

所述的脉冲累加模块、条件推送模块、立即数存储模块为两个，总入矿量、顽石返回矿量各使用一个模块，分别进行矿量累加。

所述的定时周期新给矿量＝总给矿量-顽石返回矿量。

所述钢球需求量＝新给矿量×钢球单耗量÷每个钢球的重量。

本发明的系统，达到以下的技术效果：

1、降低人工成本，避免了人工添加钢球需要大量的体力操作处理的问题，提高员工身心健康指数；

2、避免了在磨矿车间复杂现场的航吊作业、交叉作业、高空作业等较大的安全风险隐患作业，提高公司安全生产指数；

3、降低直接生产成本费用约200万元，避免采用以plc为核心的整套钢球添加控制系统设计的方式新增两台加球机设备控制系统；

4、降低了操作人员和自动化技术人员对系统操作的难度和维护难度，提高钢球添加系统的高效性。

附图说明

图1为实施例1钢球计数和输出装置结构示意图。

图2为实施例1钢球输入前视结构示意图。

图3为实施例1钢球输入后视结构示意图。

图4为实施例1定时周期新给矿量自动计算单元逻辑框图。

图5为实施例1加球机系统自动控制逻辑框图。

图6为实施例1实际钢球添加自动控制单元逻辑框图。

图7为实施例1自动周期循环控制单元逻辑框图。

其中，滚筒1、变频电机2、抓手3、光电开关传感器4、刹车挡板5、复位板6、支架7、触角8、磁体9、钢球10。

具体实施方式

实施例1：基于dcs系统平台的加球机控制系统，基于采选工艺过程控制系统honeywell的pks所搭建的dcs系统，在其系统上新建控制策略cm(cm为pks系统的每个c300控制站的各控制策略的缩写)实现相关过程检测与控制。

honeywell的dcs系统平台优势为模拟量检测处理，而运动逻辑控制方面相对plc落后，它没有逻辑语言，且控制器处理速度远小于plc。对dcs的控制器下挂的加球机控制策略环境进行扫描提速、外部数字量输入信号进行1s的高电平钳位设置等特殊处理，另外，该控制器的其他生产环节的控制策略保持不变，这样既满足加球机快速运动检测控制需要，又不影响该控制器的整体使用，不会出现负荷过大死机等异常情况。

基于dcs系统平台的加球机控制系统，包括钢球计数和输出装置，以及dcs检测控制系统。系统通过对定时周期新给矿量自动计算单元、钢球需求量自动计算单元、实际钢球添加自动控制单元、自动周期循环控制单元，计算需要加入的钢球数量，并发出命令使钢球输出装置将钢球加入到磨球机中，计量加入量，并反馈回实际钢球添加自动控制单元，添加完毕，进入下一个添加周期；具体是：

钢球计数和输出装置；

所述的钢球输出装置是一个圆柱体滚筒1，滚筒1由变频电机2带动旋转，滚筒圆柱面上布置三个抓手3，抓手为两手指状；

所述滚筒面沿轴向均分成三个部分，每个部分布置一个抓手，相邻抓手径向上均等距离间隔布置；

滚筒正上方布置钢球计数装置，该装置是由一个布置在滚筒正上方的支架7以及光电开关传感器4、刹车挡板5、复位板6构成。刹车挡板5和复位板6安装在支架7与滚筒之间，位于滚筒的正上方，沿支架7和滚筒1轴向均匀分布三个，与滚筒1的三个抓手3位置上下对应；刹车板5是铁质活动的能被钢球推动旋转一定的角度，转动后则由设置在复位板6上的磁体引力使其复位；在没有钢球推动时，刹车挡板5和复位板6则被磁体9吸引固定在一起；钢球10则是通过推动刹车挡板5上伸出的触角8实现对刹车板的推动；光电开关传感器4是一个漫反射型光电开关传感器，安装在支架7上，面测刹车挡板5信号。

一般性的，钢球检测为点测方式，对漫反射型光电开关检测光强度要求比较高，才会有信号，而其他非球型规则物体的检测方式为面测方式，对漫反射型光电开关检测光强度要求不高，就会有信号。因此，漫反射型光电开关在调节到对钢球点起作用，有信号反馈输出的时候，其面测方式距离已经到达滚筒最高圆柱体面，圆柱体面上就会产生信号干扰，因此本发明设计应用了轻质光滑面板，即刹车挡板来代替钢球作为被测对象。采用面测方式代替点测方式来降低滚筒面的干扰信号产生。一般的，光电开关传感器检测范围为0-40厘米。

此外，本发明中应用铁质刹车挡板和复位板安装磁铁吸引的方式，来消除被测刹车板被钢球推动后多次自由摆动产生的信号干扰，每次钢球到达传感器底部就推动刹车板向钢球运输方向摆动，在与钢球分离之后，被测刹车板回到中心初始位置立即停止摆动，光电开关检测反馈信号只输出一次，计一个钢球数量。

滚筒抓手为两手指状，刹车板底部触手设计为单指状，确保抓手在运行过程中，被测刹车板触手从抓手两指间通过，没有钢球时不会推动刹车板，使得刹车板顺利通过检测光电底部，这样避免了空抓手带来的信号干扰计数。

dcs检测控制系统包括定时周期新给矿量自动计算单元、钢球需求量自动计算单元、实际钢球添加自动控制单元、自动周期循环控制单元，其中：

定时周期新给矿量自动计算单元，包括定时器模块、脉冲累加模块、条件推送模块、立即数存储模块，具体是：

定时器模块；

用以设定时间周期，为3分钟；

脉冲累加模块，用以进行矿量累加，并触发条件推送模块；

总入矿量、顽石返回矿量各使用一个模块，用以进行矿量累加，在本次定时器时间完成，输出定时完成的脉冲信号，触发条件推送模块；

条件推送模块；

用以将矿量推送给立即数存储模块；

总入矿量、顽石返回矿量各使用一个模块，用以把该周期脉冲累加模块所累加的总入矿量、顽石返回矿量推送给立即数存储模块；

立即数存储模块；

用以计算定时周期新给矿量，并推送数据到钢球需求量自动计算单元；

总入矿量、顽石返回矿量各使用一个模块，总入矿量对应的立即数累计量减去顽石返回矿量对应的立即数累计量，得到新给矿量在该定时周期的累计量，然后将新给矿量在该定时周期的累计量输送给下一个钢球需求量自动计算单元。

所述的总入矿量、顽石返回矿量采用皮带秤称量。皮带秤的累计量是脉冲信号反馈到dcs的di输入通道进行集成处理，皮带秤每累计到一顿矿量就反馈输出一个脉冲信号作为dcs的矿量累计信号源，而皮带秤的瞬时量以模拟量实时反馈到dcs的ai输入通道进行集成应用与显示。

钢球需求量自动计算单元；

用以计算需要加入磨机的钢球数量；据新给矿累计量、钢球的单耗量、每个钢球的重量计算，具体是：新给矿累计量乘以钢球的单耗量，再除以每个钢球的重量，得到钢球需求添加量。

所述钢球的单耗量根据矿石性质设定，每个钢球的重量则根据钢球实际批次重量设定，设定值作为以上信号源变量均存储在cm的立即数存储模块里。

实际钢球添加自动控制单元；

用以控制实际钢球添加量和计算量一致，并等待本次定时周期结束后进入下一个周期；

对上一个定时周期，钢球需求量自动计算单元输送的钢球需求添加量向上取整作为给定设定值，与实际钢球添加反馈量进行实时比较，当设定值大于实际钢球添加反馈值时，输出变频电机运行继续进行加球；当设定值与实际钢球添加反馈值相等时，完成本次加球。

本次周期内，完成添加钢球后，进入本次周期设定时间的剩余计时阶段和新给矿量继续累计的等待时间段，当本次周期计时结束时，该周期的实际钢球添加自动控制及计算处理过程结束。

所述的加自动控制输出模式有pid变频调速控制模式和定速控制模式，其中：

pid变频调速控制模式是sp设定值为钢球需求添加量的进位取整值，pv过程值为实际实时加球数量反馈值，op输出量为变频器的频率给定值。磨机满负荷运行时，一小时为周期设定，频率为10hz时，仅需要8分钟左右即可完成一个小时周期的钢球添加，因此，在自动控制模式下，使用pid调节频率输出，范围0-15hz可行。pid参数整定设置为：比例p为5；积分i为0.3；微分d为0；

定速控制是周期循环自动加球控制，也可以固定频率输出运行，程序内部设定10hz可满足使用，在添加机前段钢球量较少或钢球补充的过程中使用定速控制，加球机及周围环境相对比较安全可靠。

任意频率给定情况下，电机驱动直连滚筒转动进行加球，其动作执行时间均远小于自动钢球添加模式的周期设定时间长度。

自动周期循环控制单元；

用以使各模块启动置位、使能复位，并开始下一个定时周期；

在每个周期定时结束时，用定时器计时完成的输出脉冲信号，对定时器模块、脉冲累加模块复位，使其两个模块重新定时和累计计数，为下一周期自动加球控制做输入数据给定准备；对条件推送模块进行使能，使其执行总给矿累计量和顽石给矿累计量推送到立即数存储模块进行存储，同时执行立即数存储模块的数据计算，得到新给矿累计量、钢球需求添加量，送到下一周期的实际钢球添加自动控制单元；

在钢球添加动作自动控制执行完成时，对频率给定模块和数字量输出模块进行使能复位，使其所控制的变频器和电机立即停止运行；

所述自动周期循环控制单元控制信号可通过远程启动、自动启动，控制信号一直为真的条件下，上一个周期结束时输出的新给矿累计量、钢球需求添加量在当前周期开始时立即进行加球的自动控制动作，并在当前周期定时结束前完成自动加球动作。而新给矿累计量、钢球需求添加量的计算处理数据，在当前周期定时结束时自动计算输出，同时立即进入下一周期，又立即开始执行新的钢球添加自动控制动作和新给矿量、钢球需求添加量的计算处理过程；如此周期性循环执行cm程序功能，达到自动模式下自动加球周期性循环稳定运行。

所述的新给矿量计算值，钢球需求添加量计算值，钢球添加反馈量，定时器设定值，定时器倒计时等数据均在hmi上做设定和显示功能。新给矿量计算值，钢球需求添加量计算值，钢球添加反馈量均能保持显示一个周期，并在cm里做历史趋势组态，可以永久性备查。

此外，基于dcs系统平台的加球机控制系统，还可以增加以下的功能模块：

工艺流程联锁自动控制模块，对运输钢球进入磨机的皮带进行实时矿量过小不能启动加球机的限制和磨机运行联锁自动控制加球机；

在矿量太小或者皮带未运行，钢球达到皮带后会堆积或者往处于低位的皮带尾部滚落，达不到钢球添加目的，同时存在安全隐患。另外，磨机不运行时，添加钢球没有意义，也存在安全隐患。

班月钢球使用添加量统计模块，通过将c300控制器的系统时间(天、时、分、秒)接入cm的比较模块，得出设定的各时间段的钢球实际添加反馈累计量，班添加量统计只需要比较设定时、分、秒，月添加量统计还需要比较设定天，用时间节点信号为真去推送累计量作为上个班或上个月的历史数据存储，同时复位当前累计计数模块，作为当班或当月添加量。在hmi上做数据显示，在cm里做历史趋势组态后，数据可以永久性备查。

手动钢球补充添加控制模块，在cm程序和hmi操作界面上设计频率接口和钢球个数添加接口，操作人员根据需要，将加球机打到手动状态，输入频率和钢球数量即可启动运行，为单次手动操作模式，计数装置反馈数量与设定数量一致时，即加完钢球，立即停机。

加球机无球报警模块，以加球机在5hz运行时，滚筒旋转一圈约6s的时间长度，作为加球机空转无球状态报警提示，直到有钢球个数反馈信号回到dcs才自动消除报警。

dcs系统平台的操作站hmi功能模块，包括手/自动画面组态、历史趋势组态、加球机运行状态组态、声光报警组态、报表功能组态。