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選礦廠自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

冶金行業(yè)的選礦廠工藝流程包括給礦、破碎和磨浮幾個主要生產(chǎn)過程，生產(chǎn)環(huán)境惡劣、自動化水平較低,有的甚至采用手動給礦，人工觀察出礦礦漿粒度、濃度，根據(jù)人工判斷的磨機負荷對給礦機的運行狀況進行調(diào)節(jié)。由于調(diào)節(jié)不及時，運行不穩(wěn)定，常常使磨機出現(xiàn)“空腹”或“脹肚”的現(xiàn)象，影響整個磨浮工藝流程的質(zhì)量。因此，選礦廠自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)意義重大。
同時，由于選礦廠工藝流程的特點，大的用電設備較多，如顎式破碎機、磨機等；有的甚至是高壓設備,成為生產(chǎn)環(huán)境中的干擾源，有高壓電磁場干擾、強電信號干擾、大型用電設備啟／停信號的干擾等,合理采用有效的防干擾措施，才能使自動控制系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行。
選礦廠自動監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)應本著“簡捷、安全、實用、可靠”的原則，及時掌握和了解工藝流程中各設備的運行工況、工藝參數(shù)的變化，優(yōu)化工藝流程，保證工藝流程穩(wěn)定、安全的運行，并降低運行成本,提高管理水平，使之長期正常穩(wěn)定地運行、取得最佳效益。
結(jié)合鐵匠石選礦廠工藝流程對選礦廠自動監(jiān)控系統(tǒng)進行設計，該系統(tǒng)實現(xiàn)的要點是：可靠性和穩(wěn)定性,使整個流程安全生產(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，全中文界面和信息,結(jié)構(gòu)簡單合理，且維護方便；兼容性，系統(tǒng)是軟硬件一體化的整體，要求具有兼容性；擴展性,為系統(tǒng)的升級和技術(shù)改造的實現(xiàn)留有可擴展空間；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)顎式破碎機粗碎后由皮帶輸送機輸送到中碎和細碎進行進一步的破碎，細碎處理后的礦石由皮帶輸送至中間倉暫存，之后由振動篩進行篩分，篩下的為成品礦,由皮帶輸送機和卸料小車輸送到粉礦倉中；篩上的經(jīng)皮帶輸送機返回到中碎和細碎再次進行破碎。成品礦經(jīng)皮帶輸送機至磨機進行磨礦處理，對磨機排出的礦漿再進行浮選流程處理，完成整個的選礦生產(chǎn)過程。
在整個處理過程中，卸料小車的給礦控制和磨機的給礦、排礦、濃度控制是工藝流程的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2自動監(jiān)控系統(tǒng)設計
自動監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設計上充分考慮了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、通用性和兼容性，設計成一分散控制集中管理的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分設3級，即現(xiàn)場設備信號、控制站和中央操作站，通過DH+網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)的通信，如圖2所示。系統(tǒng)設置2臺中央操作站、互為冗余，2個控制站，DH+網(wǎng)絡的通信距離為600m，控制站之間的最遠距離450m。
2.1操作站
中央操作站選用高可靠性的工業(yè)PC機，設置在中央控制室,完成自控系統(tǒng)的操作、監(jiān)視、報警、記錄、存儲和報表生成等管理功能。其中1臺同時兼有工程師站的功能,完成對整個上位機的編程、組態(tài)等工作。2臺操作站互為冗余,在日常操作管理時可設置成1臺監(jiān)控破碎與給礦流程；另l臺監(jiān)控磨浮流程。系統(tǒng)配置兩臺打印機,分別完成生產(chǎn)報表和報警打印的功能。操作站主要技術(shù)指標:CPU為PIV≥IGHz、≥30G硬盤、2l”彩色顯示器、標準鍵盤、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)，高強度工業(yè)硬件平臺，可耐受振動、高溫以及各種惡劣工業(yè)電氣環(huán)境下的干擾，維護簡單，不僅具有先進的通信和輸入輸出能力,而且集成了多個控制功能，體現(xiàn)安全性、擴展性、開放性和系統(tǒng)的可靠性。
系統(tǒng)共設置2個控制站。PLCl站主要處理破碎和給礦工藝流程段的設備信號和工藝參數(shù)，設置在1個控制柜內(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備信號和工藝參數(shù),設置在1個控制柜內(nèi),安放于車間低壓配電室內(nèi)。以1個控制站(PLC2)為例，基本配置如下：
(1)CPU模塊：SLC5／04，提供DH+網(wǎng)絡通信功能．1塊。
(2)I／O模塊：1746系列,選用1746-IBl6(16點開關(guān)量輸入模塊，6個)、1746-OWl6(16點開關(guān)量輸出模塊,2個)、1746-N18(8點模擬量輸入模塊，3個)、1746-NIO4(4點模擬量輸出模塊，2個)4類，各類模塊的數(shù)量根據(jù)各控制站實際的I／O點數(shù)而定，并預留10％的余量。
(3)電源模塊：1746-P3，19．2～28．8VDC，1塊。
(4)機架：1746-A13，13槽機架，1個。
(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)控過程的實時窗口.升級和維護應用系統(tǒng)更快、更方便，具有在線組態(tài)、實時和歷史趨勢、數(shù)據(jù)采集和處理、靈活的用戶定義報表、報警和管理、可擴展的組態(tài)向?qū)У?。SLC500系列PLC的軟件環(huán)境為Loixg500，對PLC系統(tǒng)進行配置、數(shù)據(jù)采集、控制、通信、測試等功能的編程。操作系統(tǒng)軟件采用美國微軟Windows2000，工具軟件為MicrosoftExcel2000。
3給礦過程自動控制
在卸料小車給礦自動控制過程中實現(xiàn)兩種給礦方式：定時給礦和隨時給礦，根據(jù)生產(chǎn)運行狀況和生產(chǎn)管理的需要由操作人員選定一種方式。同時對整個破碎和給料過程實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，如圖3所示。
在每個礦倉上裝有限位開關(guān)，用以判斷卸料小車在運行過程中的位置，在礦倉兩端裝有限位開關(guān),用以控制卸料小車不致運行出邊界。
(1)定時給礦。每間隔一定時間分別按順序給1#～5#礦倉給礦一定時間,其間收到料倉上限信號立即停止本料倉的給料，轉(zhuǎn)向下1個料倉。給料的間隔時間和每個倉的給礦時間是可人為設定并修改的。
(2)隨時給礦。隨時給各礦倉料，以料倉下限信號為給料信號。當?shù)V倉下限信號產(chǎn)生時，小車運行到該礦倉進行給料，直到料倉達到上限才停止給料。若同時有2個以上的料倉產(chǎn)生下限信號，則按1#～5#的順序進行給礦。
(3)給料聯(lián)鎖控制。系統(tǒng)按工藝流程順序啟動破碎和給料流程中的各臺設備(即卸料小車→卸料皮帶→運料皮帶→篩下皮帶→反料皮帶→振動篩→皮帶輸送機→細碎→中碎→皮帶輸送機→顎式破碎機)，每臺設備之間延時啟動，延時時間可人為設定和修改，使大的用電設備不致同時啟動，減少供配電的壓力；停止給料按反流程順序，同樣每臺設備之間延時停，延時時間可人為設定和修改，使料走完全，又不浪費能源。在聯(lián)鎖控制過程中同時實現(xiàn)故障聯(lián)鎖控制，當某臺設備故障時，立即急停來料流程中的所有設備，順序停后續(xù)流程中的設備，使不發(fā)生堵料的現(xiàn)象。為使系統(tǒng)控制穩(wěn)定，料倉上、下限信號和設備故障信號產(chǎn)生并保持10s后，系統(tǒng)才認為此信號有效，才執(zhí)行給礦或停機的命令，以免執(zhí)行誤動作信號的命令。
4磨礦過程自動控制
磨礦過程有2套設備，給礦系統(tǒng)含有2臺給礦機,分別下礦到給礦皮帶,由給礦皮帶送到2臺磨機進行處理。2套給礦設備和磨機工作原理完全相同。
4.1磨礦過程給礦控制
磨礦給礦系統(tǒng)實現(xiàn)恒定給礦，給礦實現(xiàn)如圖4。對每臺給礦機進行變頻調(diào)節(jié)，根據(jù)安裝于給礦皮帶上的皮帶秤反饋礦量進行頻率調(diào)節(jié)，保持礦量穩(wěn)定在給定值。
根據(jù)現(xiàn)場測試，本系統(tǒng)從開始調(diào)節(jié)頻率到皮帶秤檢測到礦量變化需1．0～1．5min，滯后時間較長，若采用常規(guī)的PID算法，對被控參數(shù)偏差的控制不能及時的實時反映出來，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，按偏差進行周期性斷續(xù)控制。
控制原理：當調(diào)節(jié)輸出一個值后，保持該值不變，直到滯后時間到后控制作用才在被控變化中起作用,并根據(jù)偏差大小進行下一步的動作。在此控制過程中，控制周期T≥滯后時間t。
為實現(xiàn)無靜差，使用PI算法。為減小超調(diào)量，縮短調(diào)整時間，采用積分分離對PI算法進行優(yōu)化，使誤差減小到一定范圍時積分項才起作用。
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為給礦量與實際礦量的偏差；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間。
系統(tǒng)設計的給礦能力>磨礦能力，變頻器的工作頻率在正常情況下一般為25～35Hz。當給礦頻率達到50Hz而礦量仍不足目標礦量的80％時，認為系統(tǒng)故障，操作站進行報警處理。此狀態(tài)維持2min后，系統(tǒng)停機，即發(fā)生了斷礦現(xiàn)象。
4.2磨礦濃度控制
磨機中的給水量直接影響著磨礦效率和質(zhì)量，由于在磨機內(nèi)直接測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前加水的控制方案。如圖5所示，采用串級控制方式，磨機內(nèi)礦漿濃度的控制對象主要取決于向磨機內(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行控制。
4.3磨機排礦濃度控制
系統(tǒng)根據(jù)總給礦量及前加水量綜合發(fā)出相應的控制信號來改變磨機排礦給水調(diào)節(jié)閥的給水量，使排礦給水成比例地跟蹤磨機總給礦量，達到排礦濃度始終穩(wěn)定，保證重選工藝流程對礦漿濃度的要求,同時也滿足了浮選工藝流程對礦漿濃度的要求，如圖6。
5系統(tǒng)監(jiān)控功能、
系統(tǒng)通過控制網(wǎng)實現(xiàn)對數(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)字量信號有電氣設備的手/自動信號、運行信號、各種故障信號、電源信號和設備啟/停控制信號及工藝流程狀態(tài)信號等；模擬量信號主要有礦倉料位、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、磨機電流、供電電壓、供電有功功率等。
(2)控制功能。實現(xiàn)現(xiàn)場手動控制、單臺遙控和自動控制三種控制方式?，F(xiàn)場手動控制用于在自動系統(tǒng)停機或故障、電氣設備現(xiàn)場維護、現(xiàn)場處理緊急事故時。對每臺電氣設備均設計單臺遙控功能,單臺設備的啟/停,不影響其它任何設備的狀態(tài)，多用于單臺設備運行、試車、維修等工況，滿足生產(chǎn)及安全要求，在操作站上實現(xiàn)。自動控制，按工藝要求自動實現(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，同時均有誤操作保護功能，在操作站上實現(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個工藝流程畫面實時顯示和監(jiān)視各流程的運行工況，通過動態(tài)、變色、閃爍、數(shù)字、棒圖及曲線的方式實時監(jiān)視各電氣設備、工藝參數(shù)的工況，全中文界面。同時可調(diào)出以分畫面或彈出窗口的形式顯示的各設備聯(lián)鎖關(guān)系信號狀態(tài)圖。
(5)趨勢功能。對各流程被測工藝參數(shù)設有實時／歷史趨勢功能，在操作站上可調(diào)出工藝參數(shù)的實時／歷史趨勢曲線。
(6)記錄功能。對重要電氣設備的啟／停、重要操作、故障、緊急停機、參數(shù)超限等設有記錄功能。
(7)報警功能。系統(tǒng)具有各電氣設備故障、參數(shù)超限、緊急停機、系統(tǒng)故障、系統(tǒng)軟件故障等各種報警，中文提示，并配合聲音報警。
(8)歷史儲存。對數(shù)據(jù)趨勢、報警、記錄等歷史儲存3個月。
(9)報表功能。有報警報表、班／日／月生產(chǎn)報表、趨勢記錄報表、歷史記錄報表等，實現(xiàn)定時、隨時和實時打印的功能。
6系統(tǒng)防干擾措施
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)采用樹型的總線結(jié)構(gòu)，一個分支上的干擾不會影響到其它分支上。操作站和控制站的各類設備和功能板卡選用具有高抗干擾特性的工業(yè)級產(chǎn)品。
(2)供電電源。由于選礦廠大負荷、高壓等設備較多，這類設備的啟／停往往引起供電網(wǎng)絡線路負載突變，引起的電壓波動對白控系統(tǒng)的設備威脅很大。采用由變壓器副邊一個供電支路對自控系統(tǒng)進行單獨供電，并同時在供電支路上配置在線式UPS電源，是很有效的措施：
(3)信號線路。采用信號線不與動力線平行敷設，使信號線免于強磁場的干擾；采用屏蔽電線(纜)、結(jié)合絞合敷設的方式；對橋架式敷設的現(xiàn)場，應使用雙絞線或幾何中心重合的四芯線(纜)；對采用穿管敷設的方式,盡量避開上下水、通風及工藝金屬管道。