胡馬福

（福建馬坑礦業(yè)股份有限公司）

某鐵礦山年處理量500萬t/a，因其選礦工藝流程長(zhǎng)，設(shè)備配置較復(fù)雜，技術(shù)落后，造成工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)過程不順暢，生產(chǎn)成本高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)日趨成熟，礦山自動(dòng)化應(yīng)用也越來越普及，為了提高選礦效率、降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)急需對(duì)該礦山選礦破碎系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造［1］。該破碎系統(tǒng)主要由膠帶機(jī)、破碎機(jī)等組成，膠帶機(jī)可通過簡(jiǎn)單的二次回路改造連接至PLC，而目前的破碎機(jī)也基本都帶有通信接口，通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)總線，可將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中控制。經(jīng)自動(dòng)化改造后，破碎系統(tǒng)各設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，部分給料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，由此操作崗位可以轉(zhuǎn)換成點(diǎn)巡檢工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化減人、降本增效［2］。

1 選礦廠破碎控制系統(tǒng)存在的問題

（1）破碎系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，控制方法均為本地控制、操作麻煩，人工成本較高，且膠帶機(jī)之間不能實(shí)現(xiàn)故障聯(lián)鎖，有出現(xiàn)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）皮帶機(jī)缺少防跑偏、打滑、速度檢測(cè)等傳感器，不能對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)問題不能實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。

（3）設(shè)備陳舊，線路老化、繁雜，經(jīng)常出現(xiàn)故障，維護(hù)不便且存在安全隱患。

（4）給料控制落后，破碎機(jī)效率低，能耗較高，生產(chǎn)能力差。

2 控制系統(tǒng)升級(jí)改造的整體方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

考慮到選礦廠面積大、皮帶長(zhǎng)、控制I/O點(diǎn)多等特點(diǎn)，PLC控制采用主從分站的控制模式，即1個(gè)CPU，多個(gè)從站?？刂葡到y(tǒng)通過組態(tài)設(shè)計(jì)，采用PROFINET過程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線，將控制I/O站全部掛接于PROFINET總線上，以完成控制站和從站的通信，或從站與從站的通信。I/O站配備各種標(biāo)準(zhǔn)接口完成數(shù)據(jù)擷取，如A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、PID控制、DP總線等實(shí)現(xiàn)電子秤通信、標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)料位儀的讀取，皮帶的I/O輸出控制［3］。上層操作采用基于PC機(jī)的操作員站，通過wincc界面與系統(tǒng)相連，操作員可在總調(diào)控制室通過簡(jiǎn)單的界面對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制、觀察?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D1。

2.2 PLC選型

針對(duì)上述選定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合選礦廠外設(shè)繁多的特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與先進(jìn)性，同時(shí)方便后續(xù)擴(kuò)展維護(hù)，PLC選用西門子S7-1500+ET200MP PLC系統(tǒng)，設(shè)置1個(gè)控制站，1套冗余CPU控制器作為冷備用，位于高壓輥磨配電房PLC控制室。西門子S7-1500 PLC是替代S7-300/400的新一代PLC，其具有豐富的外設(shè)資源以及豐富的定時(shí)器、位存儲(chǔ)器等。同時(shí)，該P(yáng)LC還有運(yùn)算處理速度快，AI、AO精度高等優(yōu)點(diǎn)。S7-1500PLC軟件平臺(tái)為TIA博途，是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動(dòng)化軟件。借助該全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.3 外設(shè)連接

在選礦廠的整個(gè)控制系統(tǒng)中，除了膠帶機(jī)外還有一些獨(dú)立的智能系統(tǒng)也需納入到中控的控制范圍（如高壓輥磨機(jī)、除塵器等等），以實(shí)時(shí)監(jiān)控這些設(shè)備的狀態(tài)，在出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)快速實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，切斷安全隱患，同時(shí)也方便工人遠(yuǎn)程操控。在與設(shè)備連接的設(shè)計(jì)上，根據(jù)廠商提供的現(xiàn)有接口，以及實(shí)際功能需求采用2種方式連接，一種是通信連接，另一種是硬件I/O連接。

2.3.1通信連接

通信連接具有硬件簡(jiǎn)單、易維護(hù)、獲取信息量大的優(yōu)點(diǎn)，在此次改造中應(yīng)用較多，主要接口有MODBUS-TCP/IP、PORFIBUS-DP、S7通信等，如皮帶電子秤計(jì)量獲取、布料系統(tǒng)控制、破碎機(jī)狀態(tài)獲取等。在與高壓輥磨機(jī)的連接中，考慮需要從該設(shè)備中獲取的信息較多，且該廠商已經(jīng)提供了較為成熟的接口，故采用通信讀取數(shù)據(jù)方法。中控室ET6從站PROFINET總線經(jīng)IE/PB Link PN模塊轉(zhuǎn)為PORFIBUS-DP總線與高壓輥磨機(jī)相連。

通過總線能夠方便快速地通過地址表讀取設(shè)備狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)作為顯示和上、下限報(bào)警，或聯(lián)鎖跳閘。表1為部分通信地址，即模擬量的輸出，通過該表可以輕松獲取輥磨機(jī)的各種狀態(tài)。

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2.3.2硬件連接

硬件I/O連接具有實(shí)時(shí)性高、穩(wěn)定、安全的特點(diǎn)，其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)眾多皮帶機(jī)、除塵器等設(shè)備的啟停控制、拉繩狀態(tài)監(jiān)控以及變頻設(shè)備頻率控制都有不可獲缺的作用。硬件連接主要有I/O連接、4～20mA模擬信號(hào)連接、0～10V電壓連接等。變頻膠帶機(jī)硬件端子連接見圖2。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證生產(chǎn)的安全、可靠、方便，監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。目前，新增廠房和設(shè)備較多，將原有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一升級(jí)改造，并使用一個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)。為提高監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力，各區(qū)域內(nèi)部的監(jiān)控點(diǎn)通過光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)接入?yún)R總交換機(jī)，后統(tǒng)一將視頻信號(hào)傳送到中央控制室。系統(tǒng)設(shè)備包括攝像機(jī)、工作站、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等設(shè)備，均統(tǒng)一采用以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上，將所有攝像機(jī)按照分區(qū)接入，區(qū)域集中匯聚的方式進(jìn)行組網(wǎng)，包括分布于高壓輥廠房、圓筒倉、篩分預(yù)選廠房、尾砂篩分脫水廠房、皮帶通廊、轉(zhuǎn)運(yùn)站等各個(gè)區(qū)域的攝像機(jī)，均按照就近接入?yún)^(qū)域交換機(jī)的原則，采用百兆網(wǎng)絡(luò)將攝像機(jī)連接到附近的接入交換機(jī)；網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)對(duì)所屬區(qū)域的攝像機(jī)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。同時(shí)，此次改造新增的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備接入公司監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能。

系統(tǒng)采用基于IP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)作為視頻及數(shù)據(jù)的傳輸手段，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可到達(dá)任意監(jiān)控點(diǎn)及存儲(chǔ)視頻，同時(shí)具備高度可擴(kuò)展性，容易新增監(jiān)控點(diǎn)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)造成影響。選用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)保證圖像質(zhì)量，由于通信距離較長(zhǎng)，采用光纖傳輸通道，抗干擾能力強(qiáng)。

4 自動(dòng)化功能

4.1 順序控制

設(shè)備啟動(dòng)順序原則上按照物料走向的逆向順序依次啟動(dòng)，正常停機(jī)順序按照物料走向的正向順序依次延時(shí)停車，延時(shí)時(shí)間間隔應(yīng)能保證處理該設(shè)備上的剩余物料。遠(yuǎn)程系統(tǒng)開停機(jī)前應(yīng)發(fā)預(yù)告信號(hào)，警示現(xiàn)場(chǎng)工作人員離開。對(duì)于有緩沖設(shè)備的工藝流程，實(shí)行分段控制，實(shí)現(xiàn)不積料、不滿倉的控制效果，生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，使一線操作人員由手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)檠惨暈橹鳌?/p>

為了保證控制系統(tǒng)能夠正常起動(dòng)，首先應(yīng)當(dāng)在起動(dòng)前對(duì)該系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中檢查，確認(rèn)流程系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備就緒后系統(tǒng)開始起動(dòng)，當(dāng)中間某個(gè)膠帶由于某種原因異常停機(jī)后，上流程系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)。

4.2 安全保護(hù)控制

根據(jù)工藝要求對(duì)物料輸送機(jī)和破碎等設(shè)備實(shí)施設(shè)備運(yùn)行檢測(cè)、啟?？刂啤㈤_車?guó)Q鈴和連鎖保護(hù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視和集中管理。實(shí)現(xiàn)破碎系統(tǒng)所有膠帶機(jī)、破碎機(jī)、除塵器等設(shè)備的集中監(jiān)視和集中管理。針對(duì)膠帶機(jī)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題，需對(duì)膠帶機(jī)跑偏、打滑、拉繩、防撕裂等進(jìn)行檢測(cè)，安裝對(duì)應(yīng)的傳感器。對(duì)于破碎機(jī)應(yīng)對(duì)其液壓壓力、潤(rùn)滑油溫度、排礦口、功率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)對(duì)礦倉進(jìn)行料位檢測(cè)，及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，根據(jù)各礦倉料位和生產(chǎn)的需要組織破碎系統(tǒng)設(shè)備開停車，減少無謂的空車運(yùn)行能耗，以降低碎礦生產(chǎn)成本［4］。

設(shè)備控制方式分為機(jī)旁起動(dòng)和集中聯(lián)動(dòng)控制2種。當(dāng)設(shè)備處于機(jī)旁啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，不參與系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)鎖，適用于單個(gè)設(shè)備檢修及調(diào)試時(shí)使用；當(dāng)處于“聯(lián)動(dòng)”位置時(shí)，設(shè)備參與系統(tǒng)流程聯(lián)動(dòng)控制，具備聯(lián)鎖保護(hù)功能。

4.3 過程控制

在高壓輥磨機(jī)破碎系統(tǒng)和預(yù)選篩分的給料控制中，具有閉環(huán)的自動(dòng)控制功能。輥磨系統(tǒng)根據(jù)中控室設(shè)定倉重，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)給料速度，然后結(jié)合流量調(diào)節(jié)板實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的擠滿給料。在預(yù)選篩分給料控制中，系統(tǒng)根據(jù)中控員設(shè)定的流量，結(jié)合核子秤自動(dòng)調(diào)節(jié)給料皮帶速度，預(yù)選篩分自動(dòng)給料閉環(huán)控制系統(tǒng)見圖3。

5 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用博圖V15.1進(jìn)行梯形圖編寫，結(jié)合組態(tài)界面使用。考慮到選礦廠控制的膠帶較多，且控制方式相同，為了維護(hù)方便，精簡(jiǎn)程序，采用FB結(jié)構(gòu)化編程。該FB結(jié)構(gòu)塊具有DB多重的背景數(shù)據(jù)塊，含眾多輸入引腳，如啟停輸入、跑偏輸入、拉繩輸入、保護(hù)延時(shí)、報(bào)警類型、模擬量輸入、連鎖關(guān)系輸入等［5］。程序員可根據(jù)不同設(shè)備，選擇使用不同輸入口，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備調(diào)用1個(gè)塊的功能，這樣既能提高程序的可閱讀性，也大大方便了后期的維護(hù)。同時(shí)，所有設(shè)備采用彈窗模式，使得界面易操作。

6 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

6.1 抗干擾能力設(shè)計(jì)

自動(dòng)化系統(tǒng)在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上要求能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并具有各種抗干擾能力，滿足電磁兼容性和安全性要求。在施工過程中要求強(qiáng)電、弱電、信號(hào)線分開布線，開關(guān)量輸出模塊要配置繼電器隔離，以提高抗干擾能力。來自電氣設(shè)備的模擬量信號(hào)均為4～20 mA，并全部配置隔離器，所有來自電氣設(shè)備的開關(guān)量信號(hào)及系統(tǒng)輸出的開關(guān)量信號(hào)均應(yīng)為無源干接點(diǎn)信號(hào)，所有開關(guān)量輸入模件都應(yīng)有防抖動(dòng)濾波處理。如果輸入接點(diǎn)信號(hào)在4 ms之后仍抖動(dòng)，模塊不應(yīng)接受該接點(diǎn)信號(hào)。

6.2 風(fēng)險(xiǎn)控制

為將自動(dòng)化系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，中控室PLC采取1用1備方案，當(dāng)1個(gè)PLC出現(xiàn)問題時(shí)自動(dòng)切換到另1個(gè)PLC運(yùn)行。同時(shí)為分散控制風(fēng)險(xiǎn)，模擬量輸入、輸出模塊每個(gè)模塊上通道數(shù)量最多8個(gè)，數(shù)字量輸入模塊每個(gè)模塊上通道數(shù)最多16個(gè)，輸入信號(hào)AC220V，要求每個(gè)數(shù)字量輸出模塊上通道數(shù)最多32個(gè)。各類I/O點(diǎn)數(shù)必須按實(shí)際所需I/O數(shù)量再加上20%的裕量進(jìn)行配置，同時(shí)要求本機(jī)站、遠(yuǎn)程I/O均有20%的裕量，并要求柜內(nèi)預(yù)留20%的I/O卡槽空間。

7 結(jié) 語

某鐵礦選礦廠破碎系統(tǒng)基于先進(jìn)性、易維護(hù)、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)原則，通過自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)改造，解決了生產(chǎn)過程中膠帶機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、打滑、溜槽堵塞等問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，滿足了企業(yè)500萬t/a的采選規(guī)模，減少了工人工作量、降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了滿意的改造效果。