基于PID閉環(huán)控制的自動調(diào)酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚 宇

（深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512325）

濃硫酸控制在整個(gè)硫浮選工藝中起到極為重要的作用，它直接影響到選硫工藝的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。目前選礦廠硫浮選調(diào)酸方式為人工手動調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行加酸，對加酸量不能達(dá)到精確控制，人工調(diào)酸過程中操作人員直接接觸濃硫酸儲存環(huán)境，存在極大的安全隱患。對加酸量控制不準(zhǔn)確就可能導(dǎo)致過量加酸，人工操作對礦漿pH反饋不及時(shí)，會嚴(yán)重影響浮選指標(biāo)，同時(shí)導(dǎo)致藥劑消耗浪費(fèi)。為了改變這一現(xiàn)狀，必須采取更高效合理的自動調(diào)酸控制。

本文針對目前調(diào)酸弊端提出一些優(yōu)化措施。首先，要解決人跟濃硫酸近距離接觸的問題，可以考慮將手動調(diào)節(jié)閥更換成電動調(diào)節(jié)閥，閥門開度可調(diào)；其次，要實(shí)現(xiàn)自動控制電動閥門，需要設(shè)置反饋環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)閥前端安裝流量計(jì)，流量計(jì)的安裝方式為采用標(biāo)準(zhǔn)U型結(jié)構(gòu)安裝；最后，要控制加酸量，就需要知道目前攪拌桶中的酸堿度，可以通過在攪拌桶中安裝pH計(jì)，實(shí)時(shí)反饋礦漿pH。那么要實(shí)現(xiàn)加酸自動控制主要分為2個(gè)控制環(huán)節(jié)，第一個(gè)控制環(huán)節(jié)為加酸閉環(huán)控制，通過流量反饋控制閥門開度來調(diào)節(jié)濃硫酸添加量。第二個(gè)控制環(huán)節(jié)為pH調(diào)節(jié)閉環(huán)控制，當(dāng)pH計(jì)檢測pH偏離工藝所要求的值時(shí)，通過控制濃硫酸和石灰乳的添加來維持工藝上的酸堿平衡。系統(tǒng)控制示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制示意圖

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 加酸控制環(huán)節(jié)

本文中所提到的濃硫酸儲罐和石灰乳儲罐位于地勢高位，控制過程利用管道自流實(shí)現(xiàn)藥劑的添加，過程中不涉及任何加壓措施，能夠降低管道承壓風(fēng)險(xiǎn)。濃硫酸添加環(huán)節(jié)分為兩路，一用一備，設(shè)備由手動控制閥門、流量計(jì)、電動閥門組成。電磁流量計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)U型管路結(jié)構(gòu)，以確保輸送管路中介質(zhì)達(dá)到滿管，保證測量精確度。濃硫酸調(diào)節(jié)閥安裝于電磁流量計(jì)的后端，以減少調(diào)節(jié)閥頻繁開關(guān)動作產(chǎn)生的旋流、擾流對流量計(jì)的影響。

加酸控制過程需要實(shí)時(shí)流量反饋，同時(shí)要記錄累計(jì)流量，因此流量計(jì)選擇要求支持Modbus RTU通訊功能。電動調(diào)節(jié)閥支持模擬量4～20 mA輸入信號調(diào)節(jié)開度，通過4～20 mA輸出反饋開度信號。通訊線路和信號線需要選擇帶屏蔽層，要做到良好接地和等電位連接，排除外部干擾對測量值和信號輸送的影響。

1.2 pH調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

為了滿足浮選工藝需求，必須要維持pH在一定值，因此在濃硫酸添加過量之后pH會降低，此時(shí)可以通過添加石灰溶液來提高礦漿的pH。為了及時(shí)反饋攪拌桶中的酸堿度狀態(tài)，需要安裝一套pH在線檢測裝置，能夠?qū)崟r(shí)顯示pH，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至PLC，PLC根據(jù)設(shè)定理想pH來計(jì)算是否滿足要求。pH過低，說明偏酸性，濃硫酸添加過多，就需要通過加入適當(dāng)?shù)氖胰芤簛硖岣遬H。

石灰溶液添加環(huán)節(jié)設(shè)備由手動控制閥門、電動閥門組成，安裝方式同加酸控制回路。由于石灰溶液暴露在空氣中容易結(jié)鈣，導(dǎo)致管路堵塞，因此考慮在管路前端增加沖洗水環(huán)節(jié)，每次添加石灰溶液之后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臎_洗水，結(jié)合攪拌桶內(nèi)礦漿濃度來決定沖洗水時(shí)長。

1.3 控制系統(tǒng)

本文控制器采用西門子SIMATIC S7-200 SMART PLC，搭配西門子SMART line觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，同時(shí)具有良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。S7-200 SMART PLC具有高性能、高集成及更簡約的特點(diǎn)，CPU SR20集成有以太網(wǎng)口和串口，支持以太網(wǎng)通訊和Modbus RTU通訊。控制器與觸摸屏采用以太網(wǎng)通訊，便于對控制系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)能夠通過觸摸屏輸入指令，控制現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行?？刂破髋c現(xiàn)場儀表采用Modbus RTU通訊，能夠快速將儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及累計(jì)數(shù)據(jù)傳輸至PLC中，采用Modbus RTU通訊方式能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速度和減少外部信號干擾。

PLC與現(xiàn)場2臺電磁流量計(jì)和pH計(jì)通訊采用2芯屏蔽電纜，3臺設(shè)備并聯(lián)連接，屏蔽層一端接地，PLC端和另一端設(shè)備通信口需要接120 Ω終端電阻。PLC與3臺電動調(diào)節(jié)閥采用2芯屏蔽電纜連接，每臺電動調(diào)節(jié)閥分別有輸入和輸出線，3臺電動調(diào)節(jié)閥輸入線分別接入PLC的AO0、AO1、AO2模擬量輸出端，3臺電動調(diào)節(jié)閥輸出線分別接入PLC的AI0、AI1、AI2模擬量輸入端。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)自動調(diào)酸并精確控制，必須要滿足加酸控制環(huán)節(jié)和pH調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運(yùn)行。加酸控制環(huán)節(jié)和pH調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)均采用PID控制，PID在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，PID控制器調(diào)節(jié)輸出值，使偏差（e）為零。偏差是設(shè)定值與過程變量之差。PID控制的原理基于以下方程，輸出M（t）是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)：

式中：M（t）為回路輸出（時(shí)間的函數(shù)）；KC為回路增益；e為回路偏差（設(shè)定值與過程變量之差）；Minitial為回路輸出的初始值。PLC作為控制器、電磁流量計(jì)與pH計(jì)為反饋機(jī)構(gòu)、電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PID控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 PID控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場閥門控制與反饋信號即輸入與輸出信號為4～20 mA模擬量標(biāo)準(zhǔn)電流信號，電流信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為PLC所能識別的標(biāo)準(zhǔn)信號5 530～27 648。假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號是A0～Am（4～20 mA），A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為D0～Dm（5 530～27 648），設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)，f（D）可以表示為數(shù)學(xué)方程：

將該方程式逆變換，可以得出函數(shù)關(guān)系D，f（A）表示為數(shù)學(xué)方程：

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，PLC可以讀取閥門的反饋信號，同時(shí)向閥門發(fā)送控制信號，控制閥門的開度。

2.3 程序設(shè)計(jì)

編程軟件使用西門子Step7 Micro/Win Smart，是專門用于S7-200 SMART PLC的編程調(diào)試軟件。其功能強(qiáng)大，具有豐富的庫指令，支持向?qū)Чδ埽軌蚩焖俚貙?shí)現(xiàn)配置運(yùn)動、高速計(jì)數(shù)和PID回路控制等功能。

2.3.1 通訊指令程序

PLC與電磁流量計(jì)和pH計(jì)使用Modbus RTU通訊讀取數(shù)據(jù)，要保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，選擇采用定時(shí)中斷功能，在程序塊中插入中斷子程序INT0，在主程序中通過特殊存儲器字節(jié)SMB34設(shè)定定時(shí)中斷0的時(shí)間間隔，為了保證數(shù)據(jù)讀取的實(shí)時(shí)，設(shè)定間隔10 MS跳轉(zhuǎn)。調(diào)用ATCH指令建立中斷事件EVNT與中斷例程編號INT相關(guān)聯(lián)，這里采用的是循環(huán)中斷，同時(shí)啟用中斷事件。

在中斷子程序中調(diào)用MBUS_CTRL和MBUS_MSG指令。MBUS_CTRL指令用于設(shè)置通信協(xié)議（Mode）、奇偶校驗(yàn)（Parity）、端口（Port）、波特率（Baud）、超時(shí)響應(yīng)時(shí)間（Timeout）、完成標(biāo)志位（Done）和錯誤儲存字節(jié)（Error）。MBUS_MSG指令用于設(shè)置從站地址（Slave）、讀寫方式（RW）、寄存器地址（Addr）、計(jì)數(shù)（Count）、間接地址指針（DataPtr）、完成標(biāo)志位（Done）和錯誤儲存字節(jié)（Error）。為2個(gè)電磁流量計(jì)和pH計(jì)分配相應(yīng)地址，如3、4、5，3臺設(shè)備地址不能相同。

2.3.2 PID控制程序

PID功能可以通過向?qū)韯?chuàng)建用于初始化PID組態(tài)的PID_CTRL子例程，向?qū)е锌梢耘渲肞、I、D參數(shù)，指定回路輸入過程變量（PV）的標(biāo)定方式和回路輸出的標(biāo)定方式，設(shè)定報(bào)警條件，分配存儲器地址等。PID_CTRL子例程需要設(shè)定過程變量（PV_I）、設(shè)定值（Setpoint_R）、手/自動切換位（Auto_Manual）、手動輸出值（ManualOutput）、PID指令輸出值（Output）和高位報(bào)警位（HighAlarm）、低位報(bào)警位（LowAlarm）以及錯誤位（ModuleErr）。

PID模塊調(diào)用過程中，“Auto_Manual”位變量為“1”的狀態(tài)下，則表示工作在自動模式；為“0”的狀態(tài)下，則表示工作在手動模式。在自動模式下，將使用內(nèi)置PID算法以驅(qū)動PID_CTRL功能框的輸出。在手動模式下，輸出受“ManualOutput”輸入的控制，向“ManualOutput”寫入的是標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值（0.00～1.00），同時(shí)，輸出介于向?qū)е兄付ǖ妮敵龇秶鷥?nèi)。

2.3.3 數(shù)字濾波程序

現(xiàn)場流量計(jì)數(shù)據(jù)通過Modbus RTU通訊傳輸至PLC，由于現(xiàn)場電磁流量計(jì)測量會受到調(diào)節(jié)閥動作產(chǎn)生的旋流、擾流的影響，測量數(shù)據(jù)會出現(xiàn)抖動，如果PLC接收到異常數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)直接輸入給PID控制器，將會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，要排除個(gè)別數(shù)據(jù)的干擾影響，需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，這里采用遞推平均濾波法，又稱為滑動平均濾波法。

本系統(tǒng)每次采集12組數(shù)據(jù)，對12組數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。首先定義一塊數(shù)據(jù)區(qū)域存儲采集的數(shù)據(jù)起始地址為VD100，那么VD100存儲第一個(gè)數(shù)據(jù)，VD148存儲第12個(gè)數(shù)據(jù)，將12個(gè)數(shù)據(jù)相加取平均值，該值作為PLC讀取的有效數(shù)據(jù)。接下來PLC每讀取一個(gè)值就放在VD148中，同時(shí)所有數(shù)據(jù)前移，將VD100中的前一個(gè)值去掉，新的數(shù)據(jù)組合取平均值即為本次有效數(shù)據(jù)。遞推平均濾波法對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。

2.3.4 上位機(jī)程序

上位機(jī)采用西門子Smartline 700 IE V3系列觸摸屏，編程軟件使用Wincc flexible Smart V3 SP2，觸摸屏畫面主要包含控制流程主界面，參數(shù)設(shè)置界面，手動控制界面，用戶管理界面，趨勢界面和報(bào)表界面。主要體現(xiàn)工藝流程，主要顯示電動閥門的開關(guān)狀態(tài)和開度值，還要顯示流量計(jì)和pH計(jì)的實(shí)時(shí)值。參數(shù)設(shè)置界面主要設(shè)置控制參數(shù)和流量上、下限值。手動控制界面主要是在需要手動調(diào)節(jié)的情況下能夠通過觸摸屏調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)和設(shè)置調(diào)節(jié)量。用戶管理界面主要分為管理員和操作人員，操作人員僅需要設(shè)定基本參數(shù)和查看數(shù)據(jù)報(bào)表，管理員可以通過修改參數(shù)來優(yōu)化控制精度。趨勢界面和報(bào)表界面主要是將歷史流量數(shù)據(jù)和pH數(shù)據(jù)生成趨勢圖和報(bào)表，供相關(guān)人員查閱。

3 安裝調(diào)試

設(shè)備的安裝確保按照要求順序安裝，由上到下具有一定的坡度以保證藥劑能夠自流且管道內(nèi)具有一定的壓力，管路要做到密封，不能有藥劑泄漏。調(diào)試時(shí)可以用水代替濃硫酸和石灰溶液，首先確定比例增益P，令Ti=0、Td=0，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許最大值的60%～70%，由0逐漸增大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%～70%。確定比例增益P之后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti，然后逐漸減小，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后再反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%～180%。最后確定微分時(shí)間常數(shù)Td，初始設(shè)置為0，逐漸增大Td，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸減小Td直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的Td，設(shè)PID的微分時(shí)間常數(shù)為當(dāng)前值的30%?；敬_定了PID的比例、積分、微分參數(shù)之后就可以整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際對PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

工業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到濃硫酸作業(yè)，存在濃硫酸泄漏、飛濺傷人和硫化氫中毒的安全風(fēng)險(xiǎn)，本系統(tǒng)將自動控制系統(tǒng)理論與現(xiàn)場實(shí)際結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了選礦工藝過程中的自動調(diào)酸功能，降低了現(xiàn)場工作人員的涉酸安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了生產(chǎn)效率。