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摘要：针对X射线矿石分选机控制系统需求，文章中设计了一套基于PAC（可编程自动控制器）的自动控制系统，此系统可满足设备对数据的高速处理需求，同时在控制器内集成定制算法与PC上位机功能，系统数据处理能力强，运算速度快。
关键词：PAC;XRF;X射线矿石分选
中图分类号：TP311
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）03-0119-02
0引言
针对湿法选矿行业生产工艺存在的弊端，如选矿药剂、排放尾矿固废的污染，磨矿工序的高能耗等。基于X射线荧光能量色散（XRF）技术的在线式矿石预选设备成为行业热点，该设备可将矿石中的废石、低品位矿石提前筛除，有效的提高入选矿石品位，提高选矿效率，但该设备的控制系统对数据运算速度要求较高，传统的PLC控制器或嵌入式控制器难以满足需求，文中通过采用PAC可控制器作做为控制核心，设计了基于X射线矿石分选机的控制系统。
1设备工作流程及系统研究
通过对X射线检测原理的研究，利用高压发生器施加一定的高压（约50kV），X射线管靶材元素被激发，发出X射线束，当X射线束轰击样品时，被分析元素即产生特征X射线，此X射线被Si（Li）探测器记录，形成脉冲信号，
经过信号处理方法后，形成频谱，经计算机或信号处理装置处理”。
结合矿石预选的目标，选取类似色选机的多流道，振动给料重力下落的结构作为设备的机械机构，可实现矿石均匀振动给料，在矿石下落过程中，使用X射线光谱分析进行半定量分析，通过比较设定的阈值，达到阈值进行剔除动作，实现矿石的分类预选。
2控制系统硬件选型设计
控制系统处理核心为PAC可编程自动化控制器，选择研华APAX-5580作为PAC处理器，配合I/0模块，搭建完成控制系统的硬件，其I/0模块采用通用软PLC编程平台CodeSYS进行程序编写。
3数据接收组件与数据传输研究
探测器SDD（硅漂移传感器）的输出脉冲信号经过放大及滤波处理之后，首先要进行能量频段的甄别，来判断脉冲信号所处的能量范围，然后计数绘制频谱，在探测器及DSP芯片内，对两个关键参数研究[2]。
3.1道址计数器分析器（MCA）
MCA道址计数器又称为多道分析器，是由若千个隔离的弹道脉冲分析器组成，其道数越多，可甄别的脉冲电子计数越精确。在本研究中，基于处理速度与精度的要求，选用道址计数器MCA道数为256位，可在满足精度要求下，实现最快速度的数据处理。
3.2甄别域
当DSP芯片接收到一组脉冲信号时，判断其值得大小，根据依次逼近法则，将此信号归类到相应大小的甄别域中，对应的存储器计数器加1，设定一个光谱采集时间的区间TO，称为“计数时间”。在T0时间到达后，存储器当前数据写入一个长度为256的数组itemp中，itemp中原有数据通过堆栈语句，压入数组iView中，由iView数据的数据绘制光谱，同时进行数据的分析处理[3]。
4上位机软件研究设计
4.1上位机软件功能设计
上位机软件部署在PAC模块内，采用C++语言编写，通过USB接口接收X射线的波长数据，分析出该矿石的品位数据，并结合用户设置的品位极限值，判断丢弃操作或不丢弃操作。其中数据分析组件是软件的核心，相当于整台设备的大脑。数据分析软件组成结构示意如图1所示。
4.2控制系统软件算法程序设计
上位机软件的编写包含下列几部分。
（1）数据接收及转存程序
上位机通过接收、转换、转存程序，将探测器DSP芯片处理完成的数组数据进行转存，压入堆栈。数据进入堆栈后，将数组分配传输至相应功能块，如绘制光谱的交互子程序、数据处理算法、数据存储函数等。
（2）光谱绘制显示功能程序
光谱是对矿石信息观察的直观工具，在用户交互界面制作单独窗口进行显示，但本设备对矿石块处理速度要求较高，故光谱界面刷新较快。单独对每个样品显示光谱不易观察，除制作实时光谱显示功能外，需单独制作光谱历史查看功能。
（3）峰背比计算
由光谱学基础知识可知，光谱中的纵轴值代表的是光子计数，其数值与元素的含量为正比关系，横坐标E代表能量频段，其数值与原子序数Z成正比，峰背比可作为探测器检测线高低的依据，同时也可作为矿物定性分析或半定量分析的判断依据。
（4）半定量分析、贫富判断函数
已知某矿石块的光谱数据与峰背比数据，峰背比与矿石块的特征元素含量成正比，根据需求，可在程序内部建立修正系数系数K，由K值来矫正矿石块大小、形状引起的含量误差，其K值与矿石块的预期品位、粒度、所含元素种类有关，经过峰背比与K的乘积得到矿石块的含量值U。
比较用户设定的分选阈值Y，若U大于分选阈值Y，则判断此矿石满足要求，搜集到精矿槽中，若U小于分选阈值Y，则判断此矿石不满足要求，搜集进入废石槽中。
（5）矿石计数功能
通过I/0传感器映射变量，结合数据分析算法中的扫描周期，創建两个显示变量，jk_num、wk_num，命名为精矿、尾矿，变量属性为64位的长整型Long，用于存放精矿、尾矿的数量。
设备工作期间，通过I/0传感器计数，动态调节震动放料器，使物料均匀释放，当在X射线辐射完成一块矿石扫描后，为相应的变量区域递增计数，实现矿石精矿、尾矿的计数功能。计数功能可提供当班产量计数、单日累计计数及总产量计数，实现产量计算功能。
（6）与I/0模块通讯，实现设备机械执行机构工作控制系统的PAC硬件通过CodeSYS软件，进行硬件模块的组态与逻辑程序的编写，上位机软件通过内置的0DBC协议，硬件控制子程序与逻辑处理子程序连接，实现执行机构的快速响应。
5结束语
文中通过对X射线发射与检测机理的研究，对基于XRF原理的X射线矿石分选机设备进行了控制系统的设计，包括对设备的控制系统需求分析、机械原理，控制系统，上位机软件进行了研究，研究表明，此设计具有可行性，可满足在线式矿石预选设备的控制需求。
参考文献
[1]王雪莹，王飞飞.钛矿石与钛精矿X射线荧光光谱分析与化学分析用标准样品的研制[J].中国无机分析化学，2018（1）：21-28.
[2]张卫卫.X射线荧光光谱分析法在有色金属矿石化学成分鉴定中的应用[J].世界有色金属，2016（22）：93-94.
[3]张鑫，柳金良.用X射线荧光光谱法同时测定矿石中铀、钼、汞[J].铀矿冶，2016（2）：132-137.
关键词：PAC;XRF;X射线矿石分选
中图分类号：TP311
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）03-0119-02
0引言
针对湿法选矿行业生产工艺存在的弊端，如选矿药剂、排放尾矿固废的污染，磨矿工序的高能耗等。基于X射线荧光能量色散（XRF）技术的在线式矿石预选设备成为行业热点，该设备可将矿石中的废石、低品位矿石提前筛除，有效的提高入选矿石品位，提高选矿效率，但该设备的控制系统对数据运算速度要求较高，传统的PLC控制器或嵌入式控制器难以满足需求，文中通过采用PAC可控制器作做为控制核心，设计了基于X射线矿石分选机的控制系统。
1设备工作流程及系统研究
通过对X射线检测原理的研究，利用高压发生器施加一定的高压（约50kV），X射线管靶材元素被激发，发出X射线束，当X射线束轰击样品时，被分析元素即产生特征X射线，此X射线被Si（Li）探测器记录，形成脉冲信号，
经过信号处理方法后，形成频谱，经计算机或信号处理装置处理”。
结合矿石预选的目标，选取类似色选机的多流道，振动给料重力下落的结构作为设备的机械机构，可实现矿石均匀振动给料，在矿石下落过程中，使用X射线光谱分析进行半定量分析，通过比较设定的阈值，达到阈值进行剔除动作，实现矿石的分类预选。
2控制系统硬件选型设计
控制系统处理核心为PAC可编程自动化控制器，选择研华APAX-5580作为PAC处理器，配合I/0模块，搭建完成控制系统的硬件，其I/0模块采用通用软PLC编程平台CodeSYS进行程序编写。
3数据接收组件与数据传输研究
探测器SDD（硅漂移传感器）的输出脉冲信号经过放大及滤波处理之后，首先要进行能量频段的甄别，来判断脉冲信号所处的能量范围，然后计数绘制频谱，在探测器及DSP芯片内，对两个关键参数研究[2]。
3.1道址计数器分析器（MCA）
MCA道址计数器又称为多道分析器，是由若千个隔离的弹道脉冲分析器组成，其道数越多，可甄别的脉冲电子计数越精确。在本研究中，基于处理速度与精度的要求，选用道址计数器MCA道数为256位，可在满足精度要求下，实现最快速度的数据处理。
3.2甄别域
当DSP芯片接收到一组脉冲信号时，判断其值得大小，根据依次逼近法则，将此信号归类到相应大小的甄别域中，对应的存储器计数器加1，设定一个光谱采集时间的区间TO，称为“计数时间”。在T0时间到达后，存储器当前数据写入一个长度为256的数组itemp中，itemp中原有数据通过堆栈语句，压入数组iView中，由iView数据的数据绘制光谱，同时进行数据的分析处理[3]。
4上位机软件研究设计
4.1上位机软件功能设计
上位机软件部署在PAC模块内，采用C++语言编写，通过USB接口接收X射线的波长数据，分析出该矿石的品位数据，并结合用户设置的品位极限值，判断丢弃操作或不丢弃操作。其中数据分析组件是软件的核心，相当于整台设备的大脑。数据分析软件组成结构示意如图1所示。
4.2控制系统软件算法程序设计
上位机软件的编写包含下列几部分。
（1）数据接收及转存程序
上位机通过接收、转换、转存程序，将探测器DSP芯片处理完成的数组数据进行转存，压入堆栈。数据进入堆栈后，将数组分配传输至相应功能块，如绘制光谱的交互子程序、数据处理算法、数据存储函数等。
（2）光谱绘制显示功能程序
光谱是对矿石信息观察的直观工具，在用户交互界面制作单独窗口进行显示，但本设备对矿石块处理速度要求较高，故光谱界面刷新较快。单独对每个样品显示光谱不易观察，除制作实时光谱显示功能外，需单独制作光谱历史查看功能。
（3）峰背比计算
由光谱学基础知识可知，光谱中的纵轴值代表的是光子计数，其数值与元素的含量为正比关系，横坐标E代表能量频段，其数值与原子序数Z成正比，峰背比可作为探测器检测线高低的依据，同时也可作为矿物定性分析或半定量分析的判断依据。
（4）半定量分析、贫富判断函数
已知某矿石块的光谱数据与峰背比数据，峰背比与矿石块的特征元素含量成正比，根据需求，可在程序内部建立修正系数系数K，由K值来矫正矿石块大小、形状引起的含量误差，其K值与矿石块的预期品位、粒度、所含元素种类有关，经过峰背比与K的乘积得到矿石块的含量值U。
比较用户设定的分选阈值Y，若U大于分选阈值Y，则判断此矿石满足要求，搜集到精矿槽中，若U小于分选阈值Y，则判断此矿石不满足要求，搜集进入废石槽中。
（5）矿石计数功能
通过I/0传感器映射变量，结合数据分析算法中的扫描周期，創建两个显示变量，jk_num、wk_num，命名为精矿、尾矿，变量属性为64位的长整型Long，用于存放精矿、尾矿的数量。
设备工作期间，通过I/0传感器计数，动态调节震动放料器，使物料均匀释放，当在X射线辐射完成一块矿石扫描后，为相应的变量区域递增计数，实现矿石精矿、尾矿的计数功能。计数功能可提供当班产量计数、单日累计计数及总产量计数，实现产量计算功能。
（6）与I/0模块通讯，实现设备机械执行机构工作控制系统的PAC硬件通过CodeSYS软件，进行硬件模块的组态与逻辑程序的编写，上位机软件通过内置的0DBC协议，硬件控制子程序与逻辑处理子程序连接，实现执行机构的快速响应。
5结束语
文中通过对X射线发射与检测机理的研究，对基于XRF原理的X射线矿石分选机设备进行了控制系统的设计，包括对设备的控制系统需求分析、机械原理，控制系统，上位机软件进行了研究，研究表明，此设计具有可行性，可满足在线式矿石预选设备的控制需求。
参考文献
[1]王雪莹，王飞飞.钛矿石与钛精矿X射线荧光光谱分析与化学分析用标准样品的研制[J].中国无机分析化学，2018（1）：21-28.
[2]张卫卫.X射线荧光光谱分析法在有色金属矿石化学成分鉴定中的应用[J].世界有色金属，2016（22）：93-94.
[3]张鑫，柳金良.用X射线荧光光谱法同时测定矿石中铀、钼、汞[J].铀矿冶，2016（2）：132-137.