破碎作業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能升級(jí)改造

喬 嬌

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441）

1 焦家金礦破碎自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

焦家金礦選礦車(chē)間破碎作業(yè)采用三段一閉路+洗礦工藝流程，小時(shí)處理能力為600噸左右。破碎作業(yè)所有設(shè)備都已納入自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用“3+2”工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，“3+2”指的是三層設(shè)備和兩層網(wǎng)絡(luò)。

三層設(shè)備包括：管理層設(shè)備、控制層設(shè)備、執(zhí)行層設(shè)備。

管理層設(shè)備：采用CS結(jié)構(gòu)搭建的計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備層，即控制中心[1]?？刂茖釉O(shè)備：采用PLC技術(shù)搭建的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制的控制層。破碎作業(yè)控制單元CPU為RX3i310一臺(tái)，無(wú)備用設(shè)備。其洗篩遠(yuǎn)程I/O站NIU配置為一臺(tái)IC695NKT001。執(zhí)行層設(shè)備：儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣和復(fù)雜設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)[2]。

兩層網(wǎng)絡(luò)包括：控制網(wǎng)與監(jiān)控網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)：執(zhí)行層與控制層之間通信網(wǎng)絡(luò)，包括ROFIBUS-DP；PROFIBUSPA；MODBUS RTU等協(xié)議。監(jiān)控網(wǎng)：控制層與管理層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

2 破碎自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

勒索病毒等問(wèn)題的爆發(fā)，這類(lèi)病毒容易通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行傳播，擴(kuò)散到選礦車(chē)間工業(yè)網(wǎng)。工業(yè)網(wǎng)一旦遇到服務(wù)器死機(jī)等故障，將造成操作員站控制失靈而導(dǎo)致的皮帶壓礦、球磨機(jī)不能正常供料、停料等事故的發(fā)生。

破碎自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心就是CPU柜，破碎段自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)在只有一個(gè)CPU柜，只安裝有一臺(tái)RX3i310，既無(wú)熱備也無(wú)冷備，一旦此CPU柜的模塊、電源或者其他組件出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致破碎段整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈。

執(zhí)行層設(shè)備（儀表與設(shè)備）存在的問(wèn)題：①粉礦倉(cāng)布料小車(chē)激光測(cè)距定位系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重、定位失靈。②選礦車(chē)間破碎篩分流程缺少有效的篩網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，一旦篩網(wǎng)出現(xiàn)破損，大塊礦石直接進(jìn)入磨礦流程，影響磨礦效率。

Profibus DP：因DC24V供電不穩(wěn)、信號(hào)干擾等問(wèn)題，ABB軟啟DP通訊經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備失聯(lián)等故障。因料倉(cāng)進(jìn)料時(shí)，粉塵大、濕度大，造成料位計(jì)的數(shù)據(jù)誤判斷。線路敷設(shè)對(duì)PA通訊存在一定的電磁干擾，造成料位計(jì)的通訊異常。

監(jiān)控網(wǎng)（PLC與服務(wù)器之間的通訊）：

破碎PLC與服務(wù)器之間采用以太網(wǎng)通訊，網(wǎng)線為普通超五類(lèi)雙絞線，無(wú)屏蔽層，抗干擾性能差，通信速度慢。并且已敷設(shè)10年，部分網(wǎng)線出現(xiàn)彎折、破損，影響了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，今年來(lái)通訊問(wèn)題頻發(fā)。

3 自動(dòng)化提升方案措施

管理層設(shè)備——進(jìn)行選礦車(chē)間工業(yè)網(wǎng)優(yōu)化改造。與選礦車(chē)間各工段溝通，利用分段停車(chē)時(shí)間，對(duì)選礦車(chē)間的服務(wù)器、交換機(jī)、光纖以及供電線路進(jìn)行改造。將四臺(tái)服務(wù)器有步驟、按順序地撤離，并安裝在工業(yè)網(wǎng)新柜內(nèi)。對(duì)交換機(jī)進(jìn)行提速擴(kuò)容，將其升級(jí)為光纜交換機(jī)。對(duì)接入選礦工業(yè)網(wǎng)的所有網(wǎng)線進(jìn)行制作更換，并進(jìn)行有效防護(hù)。為避免各種網(wǎng)絡(luò)病毒的侵襲，專(zhuān)門(mén)制定了信息安全防范方案，并聯(lián)合北京礦業(yè)研究總院人員對(duì)選礦車(chē)間服務(wù)器、工程師站以及操作員站進(jìn)行深度病毒查殺，以此徹底杜絕網(wǎng)絡(luò)病毒的侵害。

控制層設(shè)備——增加CPU控制柜，進(jìn)行CPU柜冗余（雙機(jī)熱備）設(shè)計(jì)，新增一套CPU柜，完成此CPU柜的設(shè)計(jì)、組態(tài)、安裝(包括控制柜1臺(tái)，I/O機(jī)架電源2個(gè)，I/O架16槽1個(gè)，CPE330兩臺(tái)，以太網(wǎng)模塊，32DI，32DO，8AI，前連接器，Profibus-DP主通訊模塊，空槽模塊，24VDC電源，交換機(jī)EDS-405A，modbus主站以及其他柜內(nèi)附件等)，完成此CPU柜的電氣接線、程序遷移，系統(tǒng)調(diào)試。

執(zhí)行層設(shè)備，在粉礦倉(cāng)的布料小車(chē)上，安裝基于無(wú)載波技術(shù)的UWB系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量，系統(tǒng)不受粉塵影響，測(cè)量精度高、刷新速度快。建立篩分環(huán)節(jié)篩網(wǎng)異常偵測(cè)及塊度聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

控制網(wǎng)——進(jìn)行改造，DP通訊分類(lèi)敷設(shè)，PA通訊。對(duì)破碎段配電室的DP通訊進(jìn)行重新梳理，按類(lèi)別區(qū)分為三類(lèi)：變頻器類(lèi)、軟啟動(dòng)器類(lèi)、馬達(dá)保護(hù)器類(lèi)。每一類(lèi)驅(qū)動(dòng)設(shè)備用一路DP通訊線纜進(jìn)行連接，并將其連接到各自的DP主站。

在DP通訊線纜的進(jìn)線出線側(cè)都做好標(biāo)簽記錄，以便日后維修。對(duì)PA保護(hù)線路進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。將原有PA線路的鍍鋅鋼管保護(hù)全部更換，換成貼地敷設(shè)的，不易腐蝕的高壓膠管。為了減少電磁干擾，對(duì)PA線路和DP線路進(jìn)行全面改造，重新規(guī)劃敷設(shè)路線，規(guī)定安全距離，進(jìn)行隔離，單獨(dú)敷設(shè)。

監(jiān)控網(wǎng)——升級(jí)光纜及交換機(jī)：

（1）對(duì)監(jiān)控網(wǎng)進(jìn)行全面升級(jí)，將破碎PLC主站至服務(wù)器的交換機(jī)、洗篩遠(yuǎn)程I/O分站至破碎PLC主站的交換機(jī)升級(jí)為光纜交換機(jī)，將通訊線纜升級(jí)為光纜。

（2）破碎段AB PLC、GE PLC、RED LION、上位機(jī)之間使用的通訊線為超五類(lèi)4對(duì)非屏蔽雙絞線電纜，全部更換為超六類(lèi)無(wú)氧銅雙屏蔽電纜線。確保通訊網(wǎng)線有很好的抗干擾性，保持信號(hào)傳輸正常，降低線纜間的相互干擾，屏蔽外界的電磁信號(hào)。

（3）破碎段AB PLC、GE PLC、上位機(jī)等12臺(tái)設(shè)備連接在同一網(wǎng)段，用1臺(tái)TL-SL1218P千兆上聯(lián)以太網(wǎng)PoE交換機(jī)，16個(gè)10/100 Base-T RJ45端口，將12臺(tái)設(shè)備整合以便統(tǒng)一管理，避免破碎段因通訊中斷、信號(hào)傳輸不穩(wěn)影響正常生產(chǎn)。

4 效益和效果

項(xiàng)目對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制系統(tǒng)向智能化控制的升級(jí)，經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證，控制效果良好。

4.1 管理層

工業(yè)網(wǎng)自改造以來(lái)，在車(chē)間各工段作業(yè)流程都運(yùn)用良好，服務(wù)器運(yùn)行更加穩(wěn)定，自動(dòng)控制更加靈敏，此前因服務(wù)器故障而導(dǎo)致自動(dòng)控制失靈的問(wèn)題得到徹底解決。

4.2 控制層

項(xiàng)目改造完成后，有效減少了因plc自動(dòng)控制柜硬件、軟件故障導(dǎo)致的破碎停車(chē)事故，每年增加破碎開(kāi)車(chē)時(shí)間約10個(gè)小時(shí)，有效提升磨機(jī)處理量。

4.3 設(shè)備層

采用基于UWB的無(wú)載波技術(shù)的定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)布料小車(chē)的精準(zhǔn)定位。技術(shù)人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，優(yōu)化了布料小車(chē)的控制程序，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先布料、自動(dòng)布料、均勻布料、故障報(bào)警等功能，球磨機(jī)的處理能力因此得以進(jìn)一步提高。

4.4 控制網(wǎng)

通過(guò)對(duì)各類(lèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備分類(lèi)敷設(shè)DP通訊線路，對(duì)軟啟進(jìn)行獨(dú)立DC24V供電，提高了DP通訊線路的穩(wěn)定性和可靠性，避免了因通訊故障而導(dǎo)致的設(shè)備故障停車(chē)事故，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

通過(guò)對(duì)選礦廠自動(dòng)控制系統(tǒng)通訊的完善改造，基本避免了因通訊不穩(wěn)造成了料倉(cāng)溢礦、掩埋給料機(jī)等事故的產(chǎn)生，保障了設(shè)備開(kāi)車(chē)時(shí)間，確保了破碎處理量。

4.5 監(jiān)控網(wǎng)

將監(jiān)控網(wǎng)的無(wú)屏蔽的超5類(lèi)網(wǎng)線升級(jí)為光纜，監(jiān)控網(wǎng)的交換機(jī)也更新為光纜交換機(jī)，工業(yè)網(wǎng)通信速率更快、穩(wěn)定性更高，為選礦自動(dòng)化的高效運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。