張 衛(wèi) 萬正道 賀祥紅

（安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽霍邱237400）

目前地下金屬礦山顎式破碎系統(tǒng)大多僅實現(xiàn)遠程控制，隨著智慧礦山大力推進，實現(xiàn)地下金屬礦山顎式破碎系統(tǒng)自動化、無人化是未來發(fā)展的趨勢［1］。本研究通過設計顎式破碎機破碎腔實時料位檢測裝置，將破碎腔實時料位數(shù)據(jù)和破碎機運行電流進行自適應算法分析，控制重板給礦機的啟停，實現(xiàn)了顎式破碎系統(tǒng)自動化、無人化運行。該系統(tǒng)在安徽某地下大型金屬礦山運行，效果良好，作為該礦的智慧化礦山推進項目，具有很好的推廣價值。

1 系統(tǒng)組成及工藝流程簡介

如圖1，美卓C140顎式破碎機自動控制系統(tǒng)由上部大溜井料位檢測、重型板式給礦機、顎式破碎機、控制柜、操作臺、下部礦倉料位檢測組成。生產(chǎn)流程：顎式破碎機首先啟動，待電流、轉速穩(wěn)定后，重型板式給礦機啟動將上部大溜井中的礦石給入顎式破碎機破碎腔中，礦石經(jīng)過破碎機破碎后進入下部礦倉，下部礦倉中的礦石通過皮帶機輸送至提升機裝載系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

美卓C140顎式破碎機自動控制系統(tǒng)選用西門子S7-300系列PLC作為核心控制單元，使用上位機HIM軟件完成系統(tǒng)組態(tài)，重型板式給礦機采用變頻器控制，顎式破碎機采用軟啟動器控制［2］。上部大溜井料位檢測信號，下部礦倉料位檢測信號，重型板式給礦機運行參數(shù)電壓、電流、運行頻率信號，顎式破碎機運行參數(shù)電壓、電流、溫度信號，通過通訊模塊和模擬量輸入模塊接入控制系統(tǒng)。

井下現(xiàn)場配置破碎機控制柜、破碎機操作臺，井上集中控制室配置破碎機遠程操作臺。以西門子CPU模塊315-2DP作為主站，位于破碎機控制柜。以西門子IM153-1作為分站，位于破碎機遠程操作臺，硬件通訊網(wǎng)絡見圖2。

主站和分站后掛接相應的AI、AO、DI、DO模塊完成模擬信號的輸入輸出、數(shù)字信號輸入輸出。主站和分站之間的通訊通過光纖傳輸實現(xiàn)，CPU模塊315-2DP信號通過PROFIBUS轉光纖模塊轉換成光纖信號，經(jīng)過光纜傳輸至井上破碎機遠程操作臺，再通過光纖轉PROFIBUS模塊接入西門子IM153-1模塊。各種傳感器的檢測信號通過模擬量輸入模塊接入系統(tǒng)，I/O地址分配見表1。

2.1 大溜井料位檢測

大溜井深度140 m左右，上部位于-425 m水平為卸礦位置，下部位于-571 m水平，重板給礦機和破碎機安裝在大溜井下部。礦石經(jīng)過大溜井，通過重板給礦機給入破碎機，經(jīng)過破碎機破碎作業(yè)，礦石的尺寸≤200 mm。破碎作業(yè)后的礦石進入下部礦倉。下部礦倉深度30 m，上部位于-571 m水平，下部位于-606 m水平。到達下部礦倉底部的礦石通過振動放礦機給入帶式輸送機運送至計量斗，通過計量斗每次將額定重量的礦石裝入箕斗，通過提升系統(tǒng)運送至地表。

常見的物位計有激光物位計和雷達、超聲波物位計，雷達、超聲波物位計的一般檢測范圍只有幾十米，適合在封閉的、規(guī)則的圓柱形或者箱型空間內使用。激光物位計測量范圍廣，從幾米至上百米的距離均可實現(xiàn)高精度測量，同時具有較強的抗干擾能力，能夠有效消除粉塵對測量精度的干擾［3］。由于大溜井深度達140 m，而且粉塵大，選用激光物位計能實現(xiàn)大溜井料位的實時高精度檢測。通過現(xiàn)場勘查，Optech YKW3100-LR-DCP型激光物位計能夠滿足測量范圍和精度的需要，該型號激光物位計量程為300 m，同時能夠適應井下的惡劣環(huán)境。

為了準確檢測大溜井料位，激光物位計安裝位置至關重要，必須安裝于大溜井正上方，同時必須垂直找正，一旦激光打偏到溜井側幫上，將不能正確反映大溜井的實際料位，易造成溜井放空事故。

通過設定激光物位計輸出4～20 mA信號對應0～140 m料位，4～20 mA模擬信號通過模擬轉光纖模塊轉換成光信號，光纜從-425 m水平敷設至-571 m水平破碎控制室，光信號通過光纖轉模擬模塊轉換為4～20 mA模擬信號，4～20 mA模擬信號接入控制PLC。通過觸摸屏可實現(xiàn)現(xiàn)場料位顯示；通過網(wǎng)線轉光纖模塊、光纜、光纖轉網(wǎng)線模塊實現(xiàn)控制PLC信號傳輸至地表集中控制室上位機，具體見圖3。

2.2 下部礦倉料位檢測

礦倉結構見圖1，下部礦倉位于破碎機破碎腔下方，下部礦倉料位的高低是破碎機運行的重要參考依據(jù)。如果在破碎機下方安裝一個物位計對下部礦倉料位進行檢測，破碎機破礦過程中，破碎后的飛濺礦石可直接將物位計砸壞，所以不能將物位計安裝在破碎機的下方檢測料位。將物位計安裝于破碎機破碎腔的上方，方向垂直向下，同時需要穿過動顎板和靜顎板之間的破碎機排料口才能檢測到下部礦倉料位。

破碎機破礦時下落的礦石和破碎腔中正在破碎的礦石直接阻擋物位計的料位檢測，無法檢測下部礦倉的料位。超聲波物位計無法透過動顎板和靜顎板對下部礦倉進行料位檢測。激光物位計安裝于破碎機破碎腔的上方，具體安裝位置見后文圖5中激光物位計1，激光可穿過動顎板和靜顎板之間的破碎機排料口檢測到下部礦倉料位，下部礦倉深度約30 m，選用YKSSR-DV-DC-C-D型激光物位計，量程為50 m。重板給礦機每運行5 min，停止運行20 s，激光物位計利用這個時間即可完成對下部礦倉的料位檢測，具體見圖4。

通過設定激光物位計輸出4～20 mA信號對應0～30 m料位，4～20 mA模擬信號接入控制PLC。通過觸摸屏可實現(xiàn)現(xiàn)場料位顯示；通過網(wǎng)線轉光纖模塊、光纜、光纖轉網(wǎng)線模塊實現(xiàn)控制PLC信號傳輸至地表集中控制室上位機。

2.3 破碎腔料位檢測

重型板式給礦機給礦速度調整的依據(jù)是破碎腔中料位的高低。重型板式給礦機給礦的過程對破碎腔中礦石料位檢測造成嚴重干擾，不利于檢測破碎腔中實際料位。

在破碎機的破碎腔中安裝機械限位開關，破碎腔中的礦石堆積到一定程度后碰觸機械限位開關導致其動作，實現(xiàn)對破碎腔的料位檢測。但是機械限位開關在破碎腔中安裝，重板給礦機給礦過程中礦石容易砸到機械限位開關，造成開關誤動作或損壞。該方法不能采用。

在破碎腔的上方安裝一個物位計對破碎腔料位進行檢測。破碎腔不是一個封閉空間，超聲波物位計不適用該環(huán)境。破碎機破礦過程中會產(chǎn)生大量粉塵，會對料位檢測帶來干擾，使用激光物位計可滿足檢測精度。重板給礦機給礦過程中下落的礦石會阻擋激光照射，造成激光物位計一直顯示破碎腔處于高料位，不能正常反映破碎腔的實際料位。在破碎腔上方合適位置安裝一個激光物位計對破碎腔料位進行檢測，具體安裝位置見圖5中的激光物位計2，檢測位置在礦石落料軌跡以外，避免給礦過程中下落的礦石對物位計的影響，實現(xiàn)對破碎腔料位的檢測。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)字攝像頭、數(shù)字硬盤錄像機、網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡轉光纖模塊、通訊光纖、顯示屏等，具體見圖6。通過數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)在井上集中控制室可實時查看破碎機的運行狀態(tài)。

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，-571 m水平破碎值班室和地表集中控制室值班人員可隨時查看重板給礦機、破碎機的運行情況，在設備出現(xiàn)異常情況時，可及時采取人工干預，提高系統(tǒng)的安全可靠性，實際效果見圖7。

4 系統(tǒng)軟件設計

Tia Portal V12的中文名為博途V12，它是由西門子開發(fā)的一款自動化軟件，它可以有效地完成工程領域中幾乎所有自動化的任務，擁有快速、直觀的特點，大大降低了開發(fā)、調試的成本，Tia Portal 12是11的升級版本，包含了STEP7、wincc等組件。

4.1 功能分析

本破碎機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)4種操作方式：就地手動操作方式、就地自動操作方式、遠程手動操作方式、遠程自動操作方式。

就地手動操作方式：在井下破碎機就近的操作室，破碎工人工操作破碎機的啟停及重板給礦機的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

就地自動操作方式：在井下破碎機就近的操作室選擇該操作方式后，控制系統(tǒng)自動完成破碎機的啟停及重板給礦機的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

遠程手動操作方式：在地表破碎機遠程操作室，破碎工人工操作破碎機的啟停及重板給礦機的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

遠程自動操作方式：在地表破碎機遠程操作室選擇該操作方式后，控制系統(tǒng)自動完成破碎機的啟停及重板給礦機的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

4.2 美卓C140顎式破碎機自動控制流程

破碎機全自動啟動前，系統(tǒng)進行自檢，檢查破碎機啟動的前提條件是否滿足：上部大溜井處于高料位，料位未低于料位限制105 m，上部大溜井高料位運行是為了減少倒礦過程中礦石對上部大溜井的沖擊，保障上部大溜井的安全運行；下部礦倉總高度35 m，下部礦倉料位應低于25 m；破碎機動顎體軸承溫度不超過設定的報警值；潤滑系統(tǒng)、除塵風機正常啟動。如果存在不滿足的情況，系統(tǒng)會自動提示故障報警。操作人員可通過上位機提示的故障報警進行相應處理。所有前提條件滿足，系統(tǒng)未提示故障報警，操作人員按下啟動確認，破碎機啟動運行，破碎機的運行電壓、電流穩(wěn)定后，系統(tǒng)給出重板給礦機啟動命令，重板給礦機啟動運行，向破碎機破碎腔給礦。物位計實時監(jiān)測破碎腔中的料位，系統(tǒng)分析破碎機運行電流和破碎腔中的料位，通過自適應控制算法，去調節(jié)重板給礦機運行速度和啟動、停止，實現(xiàn)破碎機自動運行，具體實現(xiàn)流程見圖8～圖10。

重板給礦機自動運行條件：破碎機處于正常啟動狀態(tài)，檢測大溜井料位不低于105 m，小溜井料位不高于25 m，破碎腔中的料位不高于2 m，同時無其他故障報警。

4.3 大溜井料位檢測設計

在大溜井放礦時，揚起的大量粉塵會對激光物位計產(chǎn)生干擾，會造成檢測料位失真，通過增加濾波功能，可有效解決這個問題。

通過程序段中功能塊FC1將物位計輸出的4～20 mA信號轉化成大溜井料位，模擬量信號IW96接入輸入通道I_IN，上限輸入通道I_MAX設值為140，下限輸入通道I_MIN設值為0，輸出通道O_OUT_1輸出大溜井料位值，具體見圖11。

4.4 下部礦倉料位檢測設計

通過程序段中功能塊FC2將物位計輸出的4～20 mA信號轉化成下部礦倉料位，模擬量信號IW24接入輸入通道I_IN，上限輸入通道I_MAX設值為30，下限輸入通道I_MIN設值為0，輸出通道O_OUT_1輸出小溜井料位值，具體見圖12。

4.5 自適應控制分析與研究

實現(xiàn)重板給礦機給礦的自動控制是破碎機自動運行的關鍵。手動操作方式下重板給礦機的啟停和運行速度控制，全憑破碎機操作工通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察破碎機破碎腔中的實際料位，作出判斷，調節(jié)重板給礦機運行速度或者啟動、停止。自動操作方式下由控制系統(tǒng)實現(xiàn)重板給礦機的啟停和運行速度控制。破碎機控制系統(tǒng)對破碎腔中的實際料位、破碎機的運行電流這兩個重要參數(shù)進行自適應控制算法分析計算，最終做出重板給礦機運行速度調節(jié)或者啟動、停止的命令。

自適應控制方法:依據(jù)確定性等價原理和分離設計原則，設計時變系統(tǒng)的控制器分為兩步。第一步，將被控對象的參數(shù)設為已知參數(shù)，按照要求的性能指標設計控制器。第二步，使用參數(shù)辨識對被控對象進行估值，最后使用估值參數(shù)對系統(tǒng)進行控制［4］。

本系統(tǒng)采用模型參考自適應控制（MRAC）［5］，主要采用一個模型參考的可調的輔助系統(tǒng)。用要求的性能指標設計參考模型的輸出。將系統(tǒng)實際輸出的誤差進行對比，通過系統(tǒng)調整，將誤差消除至合理范圍，系統(tǒng)結構見圖13。

該控制系統(tǒng)數(shù)學模型為

式中，xp、up、yp分別是破碎機電流的狀態(tài)向量、破碎機破碎腔料位控制向量和重板給礦機運行速度輸出向量；Ap、Bp、C分別是具有相應維數(shù)的矩陣。

使選定參考模型與被控對象的結構形式一樣，根據(jù)系統(tǒng)要求選定參數(shù)。因此參考模型可設為

式中，rm、ym、xm分別是參考模型的輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量；Am、Bm是具有相應維數(shù)的代表期望性能的矩陣。

系統(tǒng)廣義輸出誤差方程：

式中，ym為模型的輸出，yp為可調系統(tǒng)的輸出。

系統(tǒng)的廣義狀態(tài)誤差方程：

式中，xm為模型的狀態(tài)向量，xp為可調系統(tǒng)狀態(tài)向量。

由上式可得廣義誤差運動方程為

通過模型參考自適應控制算法，在Simulink中構建模型參考自適應（MRAC）仿真模塊結構，如圖14所示。

系統(tǒng)運行曲線圖15中上方曲線為破碎機電機電流曲線，中曲線為重板給礦機電機電流曲線，下方曲線為破碎腔料位曲線。通過曲線可知當破碎腔料位高于設定值時，重板給礦機停止運行；當破碎腔料位低于限定值后，重板給礦機啟動運行。

通過自適應控制算法，實現(xiàn)了在無人工干預的情況下，根據(jù)破碎機破碎腔中的料位和破碎機運行電流，重板給礦機自動調節(jié)給礦啟動、停止，達到了設計要求。

5 組態(tài)畫面

組態(tài)軟件選用iFiX軟件。

5.1 組態(tài)軟件設計設置

系統(tǒng)配置:生成*.SCU文件，文件名默認為節(jié)點名，將其保存在系統(tǒng)默認的LOCAL文件夾里。系統(tǒng)配置包括SCADA系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡配置、任務配置等［6］。驅動器通過現(xiàn)場PLC采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存儲至iFIX過程數(shù)據(jù)庫。安裝有iFIX軟件的計算機作為節(jié)點，負責從SCADA系統(tǒng)服務器讀取數(shù)據(jù)。

5.2 主畫面

圖16主畫面描述系統(tǒng)的整體概況，顯示系統(tǒng)的狀態(tài)以及相關設備、設施的主要參數(shù)。

5.3 故障界面

圖17存儲和顯示報警及故障信息，便于操作人員及時排查故障原因。

6 應用效果

安徽某地下大型金屬礦山3條顎式破碎系統(tǒng)通過自動化改造后，將職工從繁重枯燥的機械重復式工作中解放出來。操作人員數(shù)量由原來的14人減少至5人，3條顎式破碎系統(tǒng)原來每班配3名破碎機操作工，改造后由1名工作人員即可完成3條顎式破碎系統(tǒng)的操作，操作內容也由原來機械重復式操作改為簡單的定時巡檢。該項目符合智慧礦山的理念，減少了勞動強度，優(yōu)化了人員數(shù)量。顎式破碎系統(tǒng)實現(xiàn)全自動控制，減少了人工干預，大大降低了因人員操作失誤造成系統(tǒng)故障停機的概率，體現(xiàn)了“人少則安，無人則安”的理念，具有重要推廣意義。

7 存在的問題及改進措施

由于上游采礦場不能控制好出礦粒度，造成大量尺寸超標礦石進入破碎機，尺寸超標礦石會卡在破碎腔上方，系統(tǒng)會檢測到破碎腔料位過高，停止重板給礦，但破碎機無法將卡在破碎腔上方的礦石破碎，如果不采取人工干預，破碎機將一直運轉下去。據(jù)統(tǒng)計7 d時間內出現(xiàn)的超尺寸礦石多達42塊。

需要加強上游采礦系統(tǒng)的管理，減少大塊數(shù)量，同時避免硬度過大的工業(yè)雜物進入大溜井，給破碎機造成損壞，以保證3條顎式破碎系統(tǒng)全自動模式正常運行。