基于西门子S7-300PLC的自动加药系统及应用

2021-07-12 来源：乌哈旅游

机电与自动控制

黄　金

ＧＯＬＤ

２０１９年第３期／第４０卷

基于西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ的自动加药系统及应用

栾松义，董建华，马

贺

（山东工大中能科技有限公司）

摘要：大多数充填站为加速尾砂沉淀而采用人工方式添加絮凝剂，为避免絮凝剂的浪费，在现有充填加药设备基础上，基于西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ对整个系统进行改造，解决尾砂沉淀过程中合理自动加药问题。详细介绍了自动加药系统的加药配比、搅拌混合、输送沉淀和人机交互。该自动加药系统在会宝岭铁矿的工程应用取得了较好的效果，减少了工作量，在同比充填量下，絮凝剂使用节约生产成本约１４．６万元／ａ，可供同类型矿山企业参考借鉴。量减少３％，

关键词：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　充填尾砂沉淀；西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ；自动加药；加药配比；搅拌；输送；人机交互

中图分类号：ＴＤ８５３．３４　ＴＤ６７　　　　　　　　　文献标志码：Ａ

文章编号：１００１－１２７７（２０１９）０３－００５０－０３ｄｏｉ：１０．１１７９２／ｈｊ２０１９０３１１

引言

近年来，充填采矿技术发展迅速，在矿山企业已

经得到了广泛的应用。矿山企业采用井下充填可以

１］

消化５０％左右的尾矿［。目前，中国矿山企业的很

图１　恒液位控制逻辑图

多充填站，在尾砂沉淀过程中都要添加絮凝剂，添加絮凝剂有助于加快尾砂及尾砂中悬浮物的沉降，加快尾砂中水砂分离，为选矿提供循环可靠清水，同时保证尾砂充填处理量，减少尾矿库中尾砂的排放量，保护环境。大部分充填站根据经验进行人工添加絮凝剂，采用人工添加的方式很容易造成絮凝剂的浪费，也会造成现场被动加药，影响最佳沉降效果控制提供有力支持

［３］

［２］

通过雷达液位计实时监测药箱的液位值，根据液位差，采用西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ进行模糊控制，调节进水调节阀门开度控制补水量。当药箱液位达到高线设定值时，关闭进水调节阀门。当目标液位与实际液位差增大时，增大进水调节阀门的开度。药箱内液位与进水调节阀门形成一个闭环，保证药箱溶液保持在相对理想的稳定范围内。在药箱补水时，流量计监测进水流量，系统以进水流量大小及补水量为依据，控制絮凝剂添加量，进行絮凝剂的投放。絮凝剂在投放过程中，依据补水量按比例进行添加，进水量与加药量的比例保持在５∶１。为保证药箱药剂浓度在理想范围内，药剂投料机时刻根据进水流量值调整投料电动机频率。当补水流量大时，系统将增大投料电动机频率，加大絮凝剂投放量。依据现场管道及实际运行情况，投料电动机的频率最大不能超过３０Ｈｚ；当停止补水时，投料电动机停止加药，始终保证药箱絮凝剂在合理的浓度范围内。自动加药系统药箱控制流程见图２。１．２　搅拌混合

４］

自动加药机的外形结构采用三箱式结构［（见５］

图３）。该结构由投料、搅拌、存药３部分组成［。自

。

自动化控制与检测技术的不断发展，为工业智能

。为实现尾砂沉淀工艺更加可

靠有效，节省絮凝剂，减轻现场工人劳动强度，开发了基于西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ的矿山井下充填自动加药系统。该自动加药系统是以西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ为控制核心，以相关检测传感器为辅的控制架构系统。该系统的工程应用取得较好的效果，减少了絮凝剂的使用量，达到了降本增效的目的。

１　自动加药系统

基于西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ的矿山井下充填自动加药系统包括加药配比、搅拌混合、输送沉淀和人机交互。１．１　加药配比

加药配比分为手动和自动２种模式。药箱液位保持根据自动化模糊控制（见图１）。

收稿日期：２０１８－０７－１４；修回日期：２０１８－１２－１１

动加药的工作流程为：通过加药漏斗进行加药，搅拌区搅拌使药剂混合，采用３个箱体进行分级混合，混合后药剂存放在第三个箱体，最后泵送至加药点。

作者简介：栾松义（１９７１—），男，山东招远人，高级工程师，从事矿山智能控制技术研究工作；济南市高新区新泺大街３００３号宝威科技园Ｃ座１楼，

山东工大中能科技有限公司，２５０１０１；Ｅｍａｉｌ：ｌｓｙ．ｚｎ＠１６３．ｃｏｍ

机电与自动控制业时，砂仓溢流水开始变浑，可利用增加加药量来调节；这样可以保证砂仓尾砂正常沉淀，溢流水保持清澈。为实现正常生产，输砂渣浆泵须在合理频率范围内进行调节，保证进砂流量均衡。根据西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ的ＰＩＤ控制逻辑来控制砂仓输砂流量与渣浆泵频率之间关系，保证渣浆泵输砂流量在相对稳定范围内，实现通过增加、减少加药量来确保砂仓内尾砂的正常快速沉淀。

２）加药泵加药及流量检测。输砂流量与加药泵

图２　自动加药系统药箱控制流程图

出口流量利用比例控制模型，依据加药泵频率改变控制加药量。为保证输砂流量与加药泵出口流量呈线性关系，系统读取输砂流量实时数据，反推加药泵出口流量，控制加药泵频率，实现药剂在合理配比范围内。当砂仓溢流水变浑时，减小输砂渣浆泵频率，加大加药泵频率，进而增加砂仓内药剂浓度，使砂仓内尾砂能够快速沉淀，进而保证溢流水在正常范围内。当砂仓尾砂溢流水达到控制要求时，减小加药泵频率，适量调整输砂渣浆泵频率，保证输砂量在最优范围内工作。１．４人机交互

人机交互是操作人员与控制系统互相沟通的桥梁。操作人员可以通过人机交互界面清楚地了解被控对象的状态和执行结果，也可以通过人机交互界面下达操作指令，指导控制系统按工艺要求完成下一步动作。控制系统经过组态后，操作人员通过触摸屏或上位组态界面，就能实现对整个自动加药系统的控制。当自动加药系统出现故障或絮凝剂投料箱无料时，将第一时间在触摸屏和上位组态界面弹出报警界面，且伴有语音报警，工人能够在最短的时间内发现并处理出现的问题。工人可以利用上位组态界面，对整个自动加药系统进行操作，不需要再去现场操作加药系统中的每台设备。每台设备的运行状态，都在上位组态界面中显示，方便工人了解现场情况。可以通过历史报警，查找当天或前一个月的报警记录，时刻掌握系统出现的问题。利用上位组态界面历史数据，可以了解自动加药系统近一个月的状态，以及现场药剂使用量，为充填工艺提供相关数据，方便工作人员调整工艺，完善整个充填过程，实现必要的充填任务，减少不必要的材料与人员浪费。自动加药系统上位控制见图４。

图３　自动加药机三箱式结构

在絮凝剂补加过程中，搅拌电动机始终运行，最大限度保证絮凝剂与水融合，达到最佳效果。絮凝剂与水融合过程中，通过第一个搅拌槽内搅拌电动机搅拌后，由第一个搅拌槽的出料口进入第二个搅拌槽，第二台搅拌电动机进行搅拌混合，依次进行，最后将混合后药剂存放在第三个搅拌槽内，第三个搅拌槽内的搅拌电动机持续对药剂进行搅拌，防止药剂沉淀，最终通过加药泵送至加药点。１．３　输送沉淀

自动加药系统的输送沉淀系统由渣浆泵输砂及流量检测、加药泵加药及流量检测和砂仓溢流水检测组成。

选矿厂尾砂来砂先在存砂池经过一次沉淀，再通过存砂池与之对应的渣浆泵输送到对应砂仓内进行沉淀。尾砂沉淀是井下充填作业的先决条件，为使尾砂以最优的速度进行沉淀，需要添加配制好的絮凝剂，保证砂仓内尾砂达到最佳沉淀效果。通过检测砂仓溢流水的浑浊度，调整加药泵的频率，改变加药量。输砂渣浆泵频率是决定砂仓溢流水浑浊度的主要因素，根据输砂渣浆泵频率与流量试验，统计相关数据，得到输砂频率、流量与加药浓度之间的最佳配比。

１）渣浆泵输砂及流量检测。依据现场实践经验与试验数据，要求输砂渣浆泵在相对稳定频率下进行输砂作业。试验证明：输砂渣浆泵频率过大时，砂仓进砂流量过大，此情况通过增加加药量无法实现尾砂的正常沉淀。当在合理输砂流量范围内进行输砂作

２工程实例

临沂会宝岭铁矿有限公司（下称“会宝岭铁矿”）选矿厂处理量大，尾矿产量高，但尾矿库库容不足，为响应国家绿色矿山政策，做绿色矿山，采用尾矿回填技术，减少尾矿外排，保护环境。会宝岭铁矿每天铁

黄　金

图４　自动加药系统上位控制图

矿石处理量大，导致每天充填任务量大，为了能够完成充填任务，必须通过增加絮凝剂来加快尾砂的沉淀。充填站使用絮凝剂量大且采用人工添加，存在一定的浪费，导致充填生产成本增加，为减少充填成本０１７年１１月对充填及工人劳动强度，会宝岭铁矿于２加药系统进行改造，２０１８年１月改造完成并投入使用，至今使用效果很好。

３

会宝岭铁矿充填站目前生产规模约为２８００ｍ／ｄ，

５％左右，完全能够满足现场工艺要求。

２）自动加药系统配药及投加过程严格遵循现场工艺要求，杜绝了人工添加药剂的不准确性和药剂的浪费。

３）自动加药系统通过人机交互界面，使得现场工人时刻了解加药量与设备运行情况，更加人性化合理化。通过报警记录与报表记录，能够更好地了解生产过程，为优化工艺提供合理有效数据。

４）自动加药系统的投入使用，不仅减轻了现场工人工作量，而且控制投药量更加合理。经过近半年的正常生产，在同比充填量下，絮凝剂使用量减少３．０％。

［参考文献］

［１］　谭向杰．尾矿井下充填是黄金行业现阶段的可行选择［ＥＢ／

ＯＬ］．（２０１７－０４－２６）［２０１８－０７－１４］．ｈｔｔｐ：ｏｌｄ．ｊｒｊ．ｃｏｍ．∥ｇｃｎ／２０１７／０４／２６０８１３２２３８５１３１．ｓｈｔｍｌ．［２］　王洪武，吴爱祥，刘超，等．五道岭钼矿全尾砂絮凝沉降试验研

究［Ｊ］．昆明理工大学学报（理工版），２０１０，３５（２）：５－７．［３］　孙云东，杨金艳．国内选矿自动化技术应用及进展［Ｊ］．黄金，

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（６）：８４，８６．［５］　贺虎成．矿物加工电气设备及自动化［Ｍ］．徐州：中国矿业大学

２０１２．出版社，

改造前平均每天使用絮凝剂６５０ｋｇ，改造后平均每天使用絮凝剂６２５ｋｇ，每天大约节省絮凝剂２５ｋｇ。按照絮凝剂价格８０００元／ｔ，一年按２５０ｄ生产计算，可节约成本５万元／ａ。

会宝岭铁矿自动加药系统改造后，加药机操作岗位工减少２人。因此，由岗位值守改为无人值守的生产区域巡检后，人工成本节约约９．６万元／ａ。

通过此次加药系统自动化改造，会宝岭铁矿充填站一年大约节约生产成本１４．６万元。

３结论

１）自动加药系统通过改变投料电动机的频率来调整投料量，采用最优的比例和模糊控制的数学模型。自动投料准确可靠，按正常投加比例投加误差在

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