選礦作業(yè)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

唐彬

摘要：選礦作業(yè)是冶金作業(yè)中極其重要的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)作業(yè)的指標(biāo)。本文以選礦作業(yè)系統(tǒng)為主要對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)代通信工程（弱電工程），對(duì)選礦控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。通過(guò)現(xiàn)代自動(dòng)化控制理論，設(shè)計(jì)新的控制系統(tǒng)。選礦控制系統(tǒng)包括選礦運(yùn)轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)控制器，感應(yīng)器和上位機(jī)對(duì)選礦機(jī)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。結(jié)合對(duì)選礦控制系統(tǒng)的研究，對(duì)其進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，主要包括控制器，感應(yīng)器，上位機(jī)，控制設(shè)備和檢測(cè)儀器的選擇及配置，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和選礦機(jī)之間的通信。

Abstract： Beneficiation operation is an important part of metallurgical operations. The quality of beneficiation operation products has a direct impact on the indicators of follow-up operations. In this paper， the ore dressing operation system is the main object， and the design and research of the mineral processing control system are carried out by using computer technology， modern network technology， automatic control technology and Modern Communication Engineering （weak current engineering）. Through modern intelligent control theory， a new control method is designed. Processing control system including operation control system and monitoring system， processing by the controller， sensors and computer for real-time monitoring and control of the processing machine and related equipment. Based on the analysis of ore control system， the hardware design， mainly includes controller， sensor， computer control， selection and configuration of equipment and testing equipment， realize the communication between PC and concentrator.

關(guān)鍵詞：選礦分級(jí)系統(tǒng)；選礦控制方案；監(jiān)控系統(tǒng)；PLC

Key words： beneficiation classification system；beneficiation control program；monitoring system；PLC

中圖分類號(hào)：TD9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0097-02

0 引言

本文的主要研究對(duì)象是選礦控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由以下部分組成。①進(jìn)給礦設(shè)備。礦石通過(guò)皮帶運(yùn)送到選礦機(jī)中。②緩慢驅(qū)動(dòng)控制。選礦機(jī)旁工作區(qū)設(shè)有柜式操作按鈕箱用來(lái)直接控制驅(qū)動(dòng)。③水力器控制。分級(jí)礦粒確保滿足接下來(lái)作業(yè)的要求。④觸摸屏顯示及監(jiān)控溫度信號(hào)，反映出接點(diǎn)信號(hào)源。⑤主軸承高低壓潤(rùn)滑油泵的相關(guān)信號(hào)的顯示及監(jiān)測(cè)，其中潤(rùn)滑油壓的大小（控制壓力防止密封泄露）、潤(rùn)滑油的油位等實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)入上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)本系統(tǒng)必須安裝配備的聲光可視化報(bào)警系統(tǒng)[1]。

1 選礦控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

選礦控制系統(tǒng)的硬件主要包括以下幾部分：選礦機(jī)瓦溫檢控，送礦膠帶控制，集散控制系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)控制，同步電機(jī)控制，離合器控制給礦設(shè)備控制以及給礦設(shè)備控制等。其中電控系統(tǒng)由電源系統(tǒng)，電機(jī)系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，電子稱重器系統(tǒng)，檢測(cè)反饋系統(tǒng)，電氣控制柜及報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)成[2]。一個(gè)電氣控制柜集成了大量PLC系統(tǒng)且能實(shí)現(xiàn)基本操控功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的選礦工藝的要求，控制系統(tǒng)通常采用分布式控制來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。

選礦控制系統(tǒng)可對(duì)調(diào)整上位機(jī)的各項(xiàng)預(yù)設(shè)值來(lái)進(jìn)行控制。系統(tǒng)本身利用聲音對(duì)選礦機(jī)的礦石裝載量進(jìn)行判斷，并以此作為判斷“脹肚”的標(biāo)志[2]。根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)聲源信號(hào)進(jìn)行接收，上位機(jī)將指令發(fā)送給變頻器，通過(guò)變頻器進(jìn)一步控制給礦機(jī)。

2 選礦控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象

選礦控制系統(tǒng)的硬件在設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，特別是監(jiān)測(cè)設(shè)備，控制設(shè)備，感應(yīng)設(shè)備及相關(guān)通訊部件的選擇，直接決定了設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.1 皮帶電子稱

電子皮帶秤是整個(gè)選礦設(shè)備中對(duì)礦石供應(yīng)量進(jìn)行檢測(cè)的最主要設(shè)備。其能將礦石對(duì)皮帶的壓力轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)進(jìn)行傳輸。

2.2 離合控制器

氣動(dòng)離合器是依靠氣壓來(lái)推動(dòng)組件并傳遞動(dòng)力的部分。氣動(dòng)離合器具有傳輸動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，反應(yīng)速度快，.散熱能力高等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)離合器的使用可以補(bǔ)償安裝誤差，降低機(jī)械系統(tǒng)的沖擊。

2.3 核子檢測(cè)儀

利用核子檢測(cè)儀檢測(cè)選礦的濃度，可使選礦濃度控制在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，為下一級(jí)浮選作業(yè)提供前提。

2.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)是選礦機(jī)在工作過(guò)程中必不可少的一環(huán)，其中潤(rùn)滑作用可減少機(jī)械阻力，摩擦阻力及機(jī)械磨損，提升設(shè)備的使用時(shí)間的工作效率。endprint

2.5 變頻器系統(tǒng)

當(dāng)控制系統(tǒng)接收到聲源信號(hào)并判斷出料位，由上位機(jī)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)給礦量。電機(jī)需采用符合標(biāo)準(zhǔn)的交流電機(jī)。變頻器的選擇要考慮作業(yè)的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及能否與交流電機(jī)互相配合。

變頻器的選擇應(yīng)滿足變頻器的額定電流/功率大于所驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電流/功率為準(zhǔn)。其中變頻器在選擇時(shí)應(yīng)考慮其容量和工作時(shí)的余量。[3]

2.6 水位控制

通過(guò)相應(yīng)的傳感器將水位的實(shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)底層控制向上位機(jī)反饋，再由上位機(jī)對(duì)預(yù)設(shè)水位進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出偏差值并進(jìn)行反饋來(lái)完成水位控制。

2.7 水力旋流器

水力旋流器是用分離力對(duì)礦粒進(jìn)行分級(jí)的設(shè)備，它具有礦粒處理量大（單位容積大），構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作效率高，價(jià)格優(yōu)勢(shì)大等優(yōu)勢(shì)。特別是水力旋流器的分級(jí)效率可達(dá)80%～90%并且分級(jí)粒度細(xì)。

3 PLC硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)選礦工藝的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際控制對(duì)象要選擇合適的控制模塊來(lái)構(gòu)成控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中的控制器廣泛采用SIMATIC S7-300。由于SIMATIC S7-300是模塊化結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)分布式配置。S7-300控制器的成本低，可靠性較高，是很多工業(yè)控制的首選。

SIMATIC S7-300 PLC主要由CPU，電源，通信模塊和I/O模塊組成，各部分PLC間要使用電纜連接，這樣便構(gòu)成了整個(gè)選礦機(jī)選礦控制系統(tǒng)。

各模塊的供電主要由中央機(jī)架通過(guò)CPU315-2DP來(lái)提供，其中中央機(jī)架裝配有1個(gè)IM365，1個(gè)FM335，2個(gè)SM332，3個(gè)SM322，5個(gè)SM321及5個(gè)SM331[5-7]。

4 上位機(jī)硬件的配置

整個(gè)選礦系統(tǒng)中的重要的是監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)選擇觸摸屏MP270以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。觸摸屏MP270內(nèi)部設(shè)置了24V保護(hù)電路可避免因接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致的產(chǎn)品損壞，其通信能力強(qiáng)并且可用于PROFIBUS環(huán)境和與PROFINET連接的相應(yīng)變量。工業(yè)以太網(wǎng)通訊可確保監(jiān)控設(shè)備、控制器與上位機(jī)三者間都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸；選礦分級(jí)過(guò)程可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)上位機(jī)上集成有RS422/485接口，可使控制器與上位機(jī)連接起來(lái)。

5 各級(jí)設(shè)備、控制器與上位機(jī)之間的通訊

相應(yīng)的通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)各級(jí)設(shè)備，控制器與上位機(jī)之間正常通訊的必要保障。工廠管理層監(jiān)管由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備、上位機(jī)和控制器所組成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)。

①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是使現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備相連的中級(jí)層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層將傳感器、各級(jí)驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制器連接以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要控制功能。同時(shí)通過(guò)主站對(duì)選礦系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信進(jìn)行管理。主站和從站之間的信息傳輸要通過(guò)通訊協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳輸。

②單元層是由生產(chǎn)車間的各設(shè)備的連接組成的，具有生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度及實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警和故障的維修等，是生產(chǎn)車間中極為重要的環(huán)節(jié)。其優(yōu)先級(jí)為：傳送容量大>傳輸速度。

③通過(guò)集線器與車間管理網(wǎng)連接來(lái)形成工廠管理層，可以將各級(jí)車間操作工作站連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)向管理層的傳輸，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。同時(shí)工廠管理層通過(guò)接收車間管理網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠的自動(dòng)化控制和實(shí)時(shí)反饋。

在工廠級(jí)自動(dòng)化控制中，常用的工業(yè)通訊方式有：MPI通信，PROFIBUS通信，工業(yè)以太網(wǎng)通信，PROFIBUS總線擴(kuò)展和AS-I總線等。

MPI通信是SIMATIC S7-300默認(rèn)的一種通信方式，其網(wǎng)絡(luò)通信的速率是199.2kbit/s-12Mbit/s，是一種比較常用的通信方式。當(dāng)通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時(shí)，可以采用MPI作為一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的通訊方式。

PROFIBUS通信是一種過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，PROFIBUS傳輸速度可在9.6kbaud～12Mbaud范圍內(nèi)選擇，其傳輸速率與總線長(zhǎng)度有關(guān)，是PLC與分散的I/O設(shè)備之間通信的首選[8]。

工業(yè)以太網(wǎng)符合IEEE802.3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的局域和單元網(wǎng)絡(luò)用來(lái)鏈接工廠自動(dòng)化設(shè)備及操作柜之間的網(wǎng)絡(luò)，可及時(shí)反饋各設(shè)備、操作柜與各級(jí)工作站之間的信號(hào)，常用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的工業(yè)環(huán)境。

AS-I是整個(gè)工業(yè)通訊中最底層的總線，能夠直接與現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器等連接，只負(fù)責(zé)基本的數(shù)據(jù)采集與傳輸，其的實(shí)時(shí)性和成本優(yōu)勢(shì)很高。構(gòu)建一個(gè)AS-I網(wǎng)絡(luò)，須具備四個(gè)單元：AS-I 主站，從站模塊，供電單元及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)部件[9]。

通信距離可以通過(guò)中間繼電器進(jìn)行擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通?？梢話霺IMATIC S7-300，人機(jī)界面，編程設(shè)備。在選礦機(jī)系統(tǒng)中，控制器采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信，與上位機(jī)連接，并從站上讀取信息。（在選礦機(jī)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信及PROFIBUS通信讀取從站的信息，并依據(jù)從站的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的控制要求標(biāo)準(zhǔn)，一般選用SIMATIC S7-300，SIMATIC S7-300系列PLC的CPU315-DP帶有PROFIBUS-DP接口，這可使S7-300進(jìn)行直接通信。同時(shí)應(yīng)使用STEP7（SIMATIC S7-300編程軟件）軟件中的硬件組態(tài)進(jìn)行實(shí)際構(gòu)建，變頻器參數(shù)的設(shè)定應(yīng)與控制器相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置保持一致以實(shí)現(xiàn)變頻器網(wǎng)絡(luò)地址的分配。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)選礦機(jī)選礦控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，完成整個(gè)選礦控制系統(tǒng)的硬件搭設(shè)。由于選礦控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及條件的限制，選礦控制系統(tǒng)的研究還可以更加完善。在檢測(cè)選礦機(jī)的載荷時(shí)，不僅要利用聲源來(lái)診斷載荷，而且應(yīng)采用多種檢測(cè)方法來(lái)判斷礦物材料的位置，從而使檢測(cè)到的載荷的可靠性更高。

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