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選礦廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冶金行業(yè)的選礦廠工藝流程包括給礦、破碎和磨浮幾個(gè)主要生產(chǎn)過程，生產(chǎn)環(huán)境惡劣、自動(dòng)化水平較低,有的甚至采用手動(dòng)給礦，人工觀察出礦礦漿粒度、濃度，根據(jù)人工判斷的磨機(jī)負(fù)荷對(duì)給礦機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于調(diào)節(jié)不及時(shí)，運(yùn)行不穩(wěn)定，常常使磨機(jī)出現(xiàn)“空腹”或“脹肚”的現(xiàn)象，影響整個(gè)磨浮工藝流程的質(zhì)量。因此，選礦廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)意義重大。
同時(shí)，由于選礦廠工藝流程的特點(diǎn)，大的用電設(shè)備較多，如顎式破碎機(jī)、磨機(jī)等；有的甚至是高壓設(shè)備,成為生產(chǎn)環(huán)境中的干擾源，有高壓電磁場(chǎng)干擾、強(qiáng)電信號(hào)干擾、大型用電設(shè)備啟／停信號(hào)的干擾等,合理采用有效的防干擾措施，才能使自動(dòng)控制系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行。
選礦廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)本著“簡(jiǎn)捷、安全、實(shí)用、可靠”的原則，及時(shí)掌握和了解工藝流程中各設(shè)備的運(yùn)行工況、工藝參數(shù)的變化，優(yōu)化工藝流程，保證工藝流程穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，并降低運(yùn)行成本,提高管理水平，使之長(zhǎng)期正常穩(wěn)定地運(yùn)行、取得最佳效益。
結(jié)合鐵匠石選礦廠工藝流程對(duì)選礦廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的要點(diǎn)是：可靠性和穩(wěn)定性,使整個(gè)流程安全生產(chǎn)有保障；適用性，滿足并優(yōu)化配送流程的生產(chǎn)和管理；易操作和維護(hù)，全中文界面和信息,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，且維護(hù)方便；兼容性，系統(tǒng)是軟硬件一體化的整體，要求具有兼容性；擴(kuò)展性,為系統(tǒng)的升級(jí)和技術(shù)改造的實(shí)現(xiàn)留有可擴(kuò)展空間；開放性，控制系統(tǒng)具有良好的開放性。
1工藝流程
工藝流程如圖1示。原礦經(jīng)顎式破碎機(jī)粗碎后由皮帶輸送機(jī)輸送到中碎和細(xì)碎進(jìn)行進(jìn)一步的破碎，細(xì)碎處理后的礦石由皮帶輸送至中間倉暫存，之后由振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，篩下的為成品礦,由皮帶輸送機(jī)和卸料小車輸送到粉礦倉中；篩上的經(jīng)皮帶輸送機(jī)返回到中碎和細(xì)碎再次進(jìn)行破碎。成品礦經(jīng)皮帶輸送機(jī)至磨機(jī)進(jìn)行磨礦處理，對(duì)磨機(jī)排出的礦漿再進(jìn)行浮選流程處理，完成整個(gè)的選礦生產(chǎn)過程。
在整個(gè)處理過程中，卸料小車的給礦控制和磨機(jī)的給礦、排礦、濃度控制是工藝流程的重要環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、通用性和兼容性，設(shè)計(jì)成一分散控制集中管理的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分設(shè)3級(jí)，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)、控制站和中央操作站，通過DH+網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信，如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)中央操作站、互為冗余，2個(gè)控制站，DH+網(wǎng)絡(luò)的通信距離為600m，控制站之間的最遠(yuǎn)距離450m。
2.1操作站
中央操作站選用高可靠性的工業(yè)PC機(jī)，設(shè)置在中央控制室,完成自控系統(tǒng)的操作、監(jiān)視、報(bào)警、記錄、存儲(chǔ)和報(bào)表生成等管理功能。其中1臺(tái)同時(shí)兼有工程師站的功能,完成對(duì)整個(gè)上位機(jī)的編程、組態(tài)等工作。2臺(tái)操作站互為冗余,在日常操作管理時(shí)可設(shè)置成1臺(tái)監(jiān)控破碎與給礦流程；另l臺(tái)監(jiān)控磨浮流程。系統(tǒng)配置兩臺(tái)打印機(jī),分別完成生產(chǎn)報(bào)表和報(bào)警打印的功能。操作站主要技術(shù)指標(biāo):CPU為PIV≥IGHz、≥30G硬盤、2l”彩色顯示器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、256MB內(nèi)存、3.5”1.44M軟驅(qū)、40XD-CDROM。通信卡:1784-PKTX(Rockwell)，支持DH+網(wǎng)通信。
2.2控制站
選用美國(guó)Rockwell公司的SLC500系列PLC系統(tǒng)，該系列產(chǎn)品采用框架式結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度工業(yè)硬件平臺(tái)，可耐受振動(dòng)、高溫以及各種惡劣工業(yè)電氣環(huán)境下的干擾，維護(hù)簡(jiǎn)單，不僅具有先進(jìn)的通信和輸入輸出能力,而且集成了多個(gè)控制功能，體現(xiàn)安全性、擴(kuò)展性、開放性和系統(tǒng)的可靠性。
系統(tǒng)共設(shè)置2個(gè)控制站。PLCl站主要處理破碎和給礦工藝流程段的設(shè)備信號(hào)和工藝參數(shù)，設(shè)置在1個(gè)控制柜內(nèi)，安放于車間低壓配電室內(nèi)；PLC2站主要處理磨浮工藝段的設(shè)備信號(hào)和工藝參數(shù),設(shè)置在1個(gè)控制柜內(nèi),安放于車間低壓配電室內(nèi)。以1個(gè)控制站(PLC2)為例，基本配置如下：
(1)CPU模塊：SLC5／04，提供DH+網(wǎng)絡(luò)通信功能．1塊。
(2)I／O模塊：1746系列,選用1746-IBl6(16點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊，6個(gè))、1746-OWl6(16點(diǎn)開關(guān)量輸出模塊,2個(gè))、1746-N18(8點(diǎn)模擬量輸入模塊，3個(gè))、1746-NIO4(4點(diǎn)模擬量輸出模塊，2個(gè))4類，各類模塊的數(shù)量根據(jù)各控制站實(shí)際的I／O點(diǎn)數(shù)而定，并預(yù)留10％的余量。
(3)電源模塊：1746-P3，19．2～28．8VDC，1塊。
(4)機(jī)架：1746-A13，13槽機(jī)架，1個(gè)。
(5)其它：DH+專用通信電纜6001TI、75Ω終端電阻、DH+網(wǎng)分支器等。
2.3系統(tǒng)軟件
操作站的自動(dòng)化組態(tài)軟件選用Wonderware公司的InTouch7.11，它包含大量的圖形化工具，允許用戶能快速直觀地建立監(jiān)控過程的實(shí)時(shí)窗口.升級(jí)和維護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)更快、更方便，具有在線組態(tài)、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)、數(shù)據(jù)采集和處理、靈活的用戶定義報(bào)表、報(bào)警和管理、可擴(kuò)展的組態(tài)向?qū)У?。SLC500系列PLC的軟件環(huán)境為L(zhǎng)oixg500，對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行配置、數(shù)據(jù)采集、控制、通信、測(cè)試等功能的編程。操作系統(tǒng)軟件采用美國(guó)微軟Windows2000，工具軟件為MicrosoftExcel2000。
3給礦過程自動(dòng)控制
在卸料小車給礦自動(dòng)控制過程中實(shí)現(xiàn)兩種給礦方式：定時(shí)給礦和隨時(shí)給礦，根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行狀況和生產(chǎn)管理的需要由操作人員選定一種方式。同時(shí)對(duì)整個(gè)破碎和給料過程實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，如圖3所示。
在每個(gè)礦倉上裝有限位開關(guān)，用以判斷卸料小車在運(yùn)行過程中的位置，在礦倉兩端裝有限位開關(guān),用以控制卸料小車不致運(yùn)行出邊界。
(1)定時(shí)給礦。每間隔一定時(shí)間分別按順序給1#～5#礦倉給礦一定時(shí)間,其間收到料倉上限信號(hào)立即停止本料倉的給料，轉(zhuǎn)向下1個(gè)料倉。給料的間隔時(shí)間和每個(gè)倉的給礦時(shí)間是可人為設(shè)定并修改的。
(2)隨時(shí)給礦。隨時(shí)給各礦倉料，以料倉下限信號(hào)為給料信號(hào)。當(dāng)?shù)V倉下限信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，小車運(yùn)行到該礦倉進(jìn)行給料，直到料倉達(dá)到上限才停止給料。若同時(shí)有2個(gè)以上的料倉產(chǎn)生下限信號(hào)，則按1#～5#的順序進(jìn)行給礦。
(3)給料聯(lián)鎖控制。系統(tǒng)按工藝流程順序啟動(dòng)破碎和給料流程中的各臺(tái)設(shè)備(即卸料小車→卸料皮帶→運(yùn)料皮帶→篩下皮帶→反料皮帶→振動(dòng)篩→皮帶輸送機(jī)→細(xì)碎→中碎→皮帶輸送機(jī)→顎式破碎機(jī))，每臺(tái)設(shè)備之間延時(shí)啟動(dòng)，延時(shí)時(shí)間可人為設(shè)定和修改，使大的用電設(shè)備不致同時(shí)啟動(dòng)，減少供配電的壓力；停止給料按反流程順序，同樣每臺(tái)設(shè)備之間延時(shí)停，延時(shí)時(shí)間可人為設(shè)定和修改，使料走完全，又不浪費(fèi)能源。在聯(lián)鎖控制過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障聯(lián)鎖控制，當(dāng)某臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，立即急停來料流程中的所有設(shè)備，順序停后續(xù)流程中的設(shè)備，使不發(fā)生堵料的現(xiàn)象。為使系統(tǒng)控制穩(wěn)定，料倉上、下限信號(hào)和設(shè)備故障信號(hào)產(chǎn)生并保持10s后，系統(tǒng)才認(rèn)為此信號(hào)有效，才執(zhí)行給礦或停機(jī)的命令，以免執(zhí)行誤動(dòng)作信號(hào)的命令。
4磨礦過程自動(dòng)控制
磨礦過程有2套設(shè)備，給礦系統(tǒng)含有2臺(tái)給礦機(jī),分別下礦到給礦皮帶,由給礦皮帶送到2臺(tái)磨機(jī)進(jìn)行處理。2套給礦設(shè)備和磨機(jī)工作原理完全相同。
4.1磨礦過程給礦控制
磨礦給礦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒定給礦，給礦實(shí)現(xiàn)如圖4。對(duì)每臺(tái)給礦機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，根據(jù)安裝于給礦皮帶上的皮帶秤反饋礦量進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，保持礦量穩(wěn)定在給定值。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，本系統(tǒng)從開始調(diào)節(jié)頻率到皮帶秤檢測(cè)到礦量變化需1．0～1．5min，滯后時(shí)間較長(zhǎng)，若采用常規(guī)的PID算法，對(duì)被控參數(shù)偏差的控制不能及時(shí)的實(shí)時(shí)反映出來，造成控制超調(diào)、甚至發(fā)生振蕩。本系統(tǒng)采用采樣控制方式，按偏差進(jìn)行周期性斷續(xù)控制。
控制原理：當(dāng)調(diào)節(jié)輸出一個(gè)值后，保持該值不變，直到滯后時(shí)間到后控制作用才在被控變化中起作用,并根據(jù)偏差大小進(jìn)行下一步的動(dòng)作。在此控制過程中，控制周期T≥滯后時(shí)間t。
為實(shí)現(xiàn)無靜差，使用PI算法。為減小超調(diào)量，縮短調(diào)整時(shí)間，采用積分分離對(duì)PI算法進(jìn)行優(yōu)化，使誤差減小到一定范圍時(shí)積分項(xiàng)才起作用。
算法公式如下：
式中，K為分離系數(shù)；ε為積分分離的I臨界偏差；ei、ej為給礦量與實(shí)際礦量的偏差；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的給礦能力>磨礦能力，變頻器的工作頻率在正常情況下一般為25～35Hz。當(dāng)給礦頻率達(dá)到50Hz而礦量仍不足目標(biāo)礦量的80％時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)故障，操作站進(jìn)行報(bào)警處理。此狀態(tài)維持2min后，系統(tǒng)停機(jī)，即發(fā)生了斷礦現(xiàn)象。
4.2磨礦濃度控制
磨機(jī)中的給水量直接影響著磨礦效率和質(zhì)量，由于在磨機(jī)內(nèi)直接測(cè)量礦漿濃度比較困難，本系統(tǒng)采用與總給礦量成一定比例地控制磨機(jī)前加水的控制方案。如圖5所示，采用串級(jí)控制方式，磨機(jī)內(nèi)礦漿濃度的控制對(duì)象主要取決于向磨機(jī)內(nèi)添加的總給礦量(新給礦量+返砂量)和新加水量，系統(tǒng)根據(jù)總給礦量按一定的固液比進(jìn)行控制。
4.3磨機(jī)排礦濃度控制
系統(tǒng)根據(jù)總給礦量及前加水量綜合發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)來改變磨機(jī)排礦給水調(diào)節(jié)閥的給水量，使排礦給水成比例地跟蹤磨機(jī)總給礦量，達(dá)到排礦濃度始終穩(wěn)定，保證重選工藝流程對(duì)礦漿濃度的要求,同時(shí)也滿足了浮選工藝流程對(duì)礦漿濃度的要求，如圖6。
5系統(tǒng)監(jiān)控功能、
系統(tǒng)通過控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集／處理功能、控制功能和管理功能，系統(tǒng)監(jiān)控功能通過軟件體系實(shí)現(xiàn),如圖7所示。
(1)數(shù)據(jù)采集/處理功能。系統(tǒng)采集的數(shù)字量信號(hào)有電氣設(shè)備的手/自動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、各種故障信號(hào)、電源信號(hào)和設(shè)備啟/停控制信號(hào)及工藝流程狀態(tài)信號(hào)等；模擬量信號(hào)主要有礦倉料位、皮帶秤的給礦量、礦漿流量、礦漿濃度、礦漿粒度、礦漿pH值、給水流量、磨機(jī)電流、供電電壓、供電有功功率等。
(2)控制功能。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、單臺(tái)遙控和自動(dòng)控制三種控制方式。現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制用于在自動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)或故障、電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)處理緊急事故時(shí)。對(duì)每臺(tái)電氣設(shè)備均設(shè)計(jì)單臺(tái)遙控功能,單臺(tái)設(shè)備的啟/停,不影響其它任何設(shè)備的狀態(tài)，多用于單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行、試車、維修等工況，滿足生產(chǎn)及安全要求，在操作站上實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制，按工藝要求自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
(3)操作功能。具有操作方式切換、選擇操作、操作員登錄、“權(quán)限”操作和其它常規(guī)操作等，同時(shí)均有誤操作保護(hù)功能，在操作站上實(shí)現(xiàn)。
(4)監(jiān)視功能。系統(tǒng)按工藝流程分給料流程、小車給礦流程、磨礦流程、浮選流程4個(gè)工藝流程畫面實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)視各流程的運(yùn)行工況，通過動(dòng)態(tài)、變色、閃爍、數(shù)字、棒圖及曲線的方式實(shí)時(shí)監(jiān)視各電氣設(shè)備、工藝參數(shù)的工況，全中文界面。同時(shí)可調(diào)出以分畫面或彈出窗口的形式顯示的各設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系信號(hào)狀態(tài)圖。
(5)趨勢(shì)功能。對(duì)各流程被測(cè)工藝參數(shù)設(shè)有實(shí)時(shí)／歷史趨勢(shì)功能，在操作站上可調(diào)出工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)／歷史趨勢(shì)曲線。
(6)記錄功能。對(duì)重要電氣設(shè)備的啟／停、重要操作、故障、緊急停機(jī)、參數(shù)超限等設(shè)有記錄功能。
(7)報(bào)警功能。系統(tǒng)具有各電氣設(shè)備故障、參數(shù)超限、緊急停機(jī)、系統(tǒng)故障、系統(tǒng)軟件故障等各種報(bào)警，中文提示，并配合聲音報(bào)警。
(8)歷史儲(chǔ)存。對(duì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)、報(bào)警、記錄等歷史儲(chǔ)存3個(gè)月。
(9)報(bào)表功能。有報(bào)警報(bào)表、班／日／月生產(chǎn)報(bào)表、趨勢(shì)記錄報(bào)表、歷史記錄報(bào)表等，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、隨時(shí)和實(shí)時(shí)打印的功能。
6系統(tǒng)防干擾措施
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用樹型的總線結(jié)構(gòu)，一個(gè)分支上的干擾不會(huì)影響到其它分支上。操作站和控制站的各類設(shè)備和功能板卡選用具有高抗干擾特性的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。
(2)供電電源。由于選礦廠大負(fù)荷、高壓等設(shè)備較多，這類設(shè)備的啟／停往往引起供電網(wǎng)絡(luò)線路負(fù)載突變，引起的電壓波動(dòng)對(duì)白控系統(tǒng)的設(shè)備威脅很大。采用由變壓器副邊一個(gè)供電支路對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)供電，并同時(shí)在供電支路上配置在線式UPS電源，是很有效的措施：
(3)信號(hào)線路。采用信號(hào)線不與動(dòng)力線平行敷設(shè)，使信號(hào)線免于強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾；采用屏蔽電線(纜)、結(jié)合絞合敷設(shè)的方式；對(duì)橋架式敷設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)使用雙絞線或幾何中心重合的四芯線(纜)；對(duì)采用穿管敷設(shè)的方式,盡量避開上下水、通風(fēng)及工藝金屬管道。