基于S7-300的選礦破碎生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳代勛(大冶有色博源環(huán)保股份有限公司, 湖北 黃石 435000)

1 前言

在選礦生產(chǎn)中，破碎過(guò)程作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)將直接影響到選礦廠的生產(chǎn)指標(biāo)。選礦過(guò)程決定著前期破碎對(duì)后期磨浮起到提質(zhì)增效的重要性，因此自動(dòng)控制改造對(duì)提高全流程的作業(yè)效率，提高系統(tǒng)的臺(tái)時(shí)處理能力，產(chǎn)能平衡分析，設(shè)備運(yùn)維保障有著非常重要的意義[1]。

2 生產(chǎn)工藝流程概述

豐山銅礦選礦廠破碎系統(tǒng)工藝流程復(fù)雜、設(shè)備較多、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差、運(yùn)送距離長(zhǎng)，現(xiàn)將PLC自動(dòng)控制直接引入各設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)，遠(yuǎn)程與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)鎖操作和順序控制保護(hù)，生產(chǎn)安全可靠[2]。選礦破碎工藝流程如下：礦石在井下粗碎后，提升至地面露采礦倉(cāng)和主井礦倉(cāng)。

(1)露采礦倉(cāng)礦石經(jīng)露采板式給礦機(jī)(RO2-6/40kW)給到破碎1#皮帶(油冷式電動(dòng)滾筒/4kW)送入顎式破碎機(jī)(JR136-8/155kW)，之后礦石由破碎2#皮帶(Y250M-4/55kW)轉(zhuǎn)運(yùn)至破碎3#皮帶(Y315S-4/110kW)，最后送入碎礦2#皮帶(Y180L-4/22kW)與主井礦倉(cāng)的礦石合流。

(2)主井礦倉(cāng)礦石經(jīng)主井板式給礦機(jī)(YP2-200L2-6/22kW變頻調(diào)速給礦多少)給到碎礦2#皮帶，并與之前破碎3#皮帶的礦石合流，送入209T型圓錐破碎機(jī)(JS128-8/155kW)進(jìn)行粗破碎,通過(guò)粗破后礦石送入碎礦3#皮帶(Y315S-4/110kW)，碎礦3#皮帶上有兩臺(tái)圓磨防塵風(fēng)機(jī)(Y250M-4/55kW),之后礦石送到303#、305#、307#振動(dòng)篩主電機(jī)(JO2-62/18.5kW),合格的礦石進(jìn)入中心篩網(wǎng)，不合格的礦石進(jìn)入碎礦4#皮帶(JO2-70-4/30kW)，之后送入210、229破碎機(jī)漏斗進(jìn)行二次破碎(圓磨)，通過(guò)圓磨后再次送入碎礦3#皮帶，碎礦3#皮帶與碎礦4#皮帶形成回流，如果礦石未達(dá)標(biāo)，就會(huì)一直在碎礦3#、4#皮帶上往復(fù)并圓磨。當(dāng)?shù)V石達(dá)標(biāo)后就會(huì)由中心篩網(wǎng)送入碎礦5#皮帶(Y180L-4/22kW)，碎礦5#皮帶上有4臺(tái)防塵風(fēng)機(jī)(Y180M-2/22kW)，之后礦石送入碎礦6#皮帶(Y180L-4/22kW)，最后送入碎礦7#皮帶(Y2-130L-4/22kW)，碎礦7#皮帶上有一臺(tái)給礦小車(chē)(Y132M2-65.5kW)，給礦小車(chē)給10個(gè)礦倉(cāng)進(jìn)行給礦，通過(guò)激光測(cè)距儀檢測(cè)小車(chē)的水平位置，通過(guò)定位開(kāi)關(guān)檢測(cè)小車(chē)位置，均勻控制各個(gè)礦倉(cāng)的儲(chǔ)礦量。工藝流程如圖1所示。

圖1 碎礦生產(chǎn)自動(dòng)化工藝流程(上位機(jī)主畫(huà)面)

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)目標(biāo)

(1)實(shí)現(xiàn)破碎生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)優(yōu)化控制功能(主要包括對(duì)破碎機(jī)軟啟、振動(dòng)篩、皮帶機(jī)、給礦機(jī)變頻、給礦小車(chē)定位和除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行控制)，達(dá)到節(jié)能降耗和解放勞動(dòng)力的目的。

(2)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，監(jiān)測(cè)設(shè)備電流、頻率。

(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)碎礦生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控功能。

(4)皮帶機(jī)自動(dòng)糾偏功能。

(5)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析功能,皮帶秤稱重。

主要完成控制系統(tǒng)選型配置、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、工藝流程順序邏輯框圖、軟件組態(tài)編程以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝調(diào)試。具體如圖2所示。

圖2 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3.2 設(shè)計(jì)原則

(1)選用可靠和性價(jià)比高的控制設(shè)備及儀表。PLC選用西門(mén)子S7-300和相應(yīng)通訊模塊；上位機(jī)軟件采用穩(wěn)定性和可靠性高組態(tài)王6.55軟件；變頻器優(yōu)先選用丹佛士或進(jìn)口品牌變頻器，帶有Modbus或Profibus DP通訊協(xié)議。

(2)采用先進(jìn)成熟的技術(shù)和具有實(shí)用性和易管理性。系統(tǒng)要符合礦山行業(yè)的特點(diǎn)，滿足碎礦的生產(chǎn)和管理的需求，其設(shè)計(jì)和所使用的人機(jī)界面直觀實(shí)用、易于管理和維護(hù)等特點(diǎn)，避免技術(shù)復(fù)雜和操作繁瑣等現(xiàn)象。

(3)系統(tǒng)具有通用性、實(shí)時(shí)性和標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。分布式、離散式控制與現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合應(yīng)用靈活。INTERBUS、CAN、Modbus RTU/TCP、Profibus、Profinet等多種過(guò)程控制通訊規(guī)約和通訊轉(zhuǎn)換接口(網(wǎng)關(guān))。

(4)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性原則。PLC的模塊化結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求配置硬件和軟件系統(tǒng),具有靈活的擴(kuò)展能力。保證在廠房擴(kuò)建或改造時(shí)，系統(tǒng)軟件和硬件能滿足礦山的擴(kuò)容需求。具體如圖3所示。

圖3 PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

4 控制方式

破碎生產(chǎn)控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、單機(jī)手動(dòng)控制和本地控制三種控制方式。上位機(jī)操作是所有控制箱現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)切換遠(yuǎn)程，畫(huà)面再開(kāi)關(guān)選擇自動(dòng)或單機(jī)手動(dòng)控制。本地控制方式是設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)人工切換本地，切除遠(yuǎn)程功能，現(xiàn)場(chǎng)控制按鈕具有操作設(shè)備權(quán)限，常用于應(yīng)急操作和現(xiàn)場(chǎng)檢修。

4.1 自動(dòng)控制

控制室操作人員通過(guò)上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面起動(dòng)生產(chǎn)線。操作員首先設(shè)置當(dāng)班日志，設(shè)定出礦品種，軟件統(tǒng)計(jì)礦料重量和設(shè)備能耗。順序自動(dòng)控制：首先程序進(jìn)行自檢，開(kāi)機(jī)前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位巡檢，鐵板、中碎、篩分、粉礦倉(cāng)等巡檢后上位機(jī)燈亮，電鈴響，全部確認(rèn)后滿足全自動(dòng)起動(dòng)條件。將當(dāng)班生產(chǎn)的大塊礦石通過(guò)給礦機(jī)放料到2#皮帶，實(shí)時(shí)檢測(cè)重量并累積。礦料傳送到1#破碎機(jī)(209)粗破，再通過(guò)3#皮帶傳送給1～3#振動(dòng)篩分選，分選的大料通過(guò)4#皮帶傳送給2#破碎機(jī)(210)、3#破碎機(jī)(229)再次細(xì)破。細(xì)破后經(jīng)3#皮帶回到振動(dòng)篩。達(dá)到小塊料就直接由5#皮帶、6#皮帶送到粉礦倉(cāng)。只要滿足要求的礦料都通過(guò)5#皮帶、6#皮帶送到粉礦倉(cāng)。粉礦倉(cāng)中的給料小車(chē)在7#皮帶送來(lái)的礦料分類給料。按品種、班次分類堆積在1～10#料倉(cāng)中。在自動(dòng)控制運(yùn)行過(guò)程中，生產(chǎn)線上的設(shè)備按邏輯順序有步驟的起動(dòng)，防止同時(shí)起動(dòng)總電流過(guò)大影響電網(wǎng)和大設(shè)備起動(dòng)延時(shí)較長(zhǎng)不匹配等現(xiàn)象，停車(chē)時(shí)設(shè)備按原起動(dòng)逆向逐步停止，讓皮帶機(jī)無(wú)礦料和余料全部送倉(cāng)，防止堆積，節(jié)約電能。故障時(shí)前后設(shè)備有聯(lián)鎖控制。具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 破碎生產(chǎn)自動(dòng)化順序控制邏輯

4.2 單機(jī)手動(dòng)控制

由操作人員在組態(tài)畫(huà)面上操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的單機(jī)啟停和設(shè)備狀態(tài)的設(shè)定。常用于檢修調(diào)試或生產(chǎn)線異常調(diào)整。尤其是礦料集中堆積某處，人工鏟運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通過(guò)單機(jī)控制緩解狀態(tài)。過(guò)程控制中還可改變運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)支持與自動(dòng)控制方式混合使用。

4.3 本地控制

本地控制方式由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的控制箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方式具有設(shè)備控制最高的優(yōu)先操作權(quán)限。操作人員可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作箱對(duì)遠(yuǎn)程/本地選擇開(kāi)關(guān)來(lái)切換控制權(quán)限，當(dāng)遠(yuǎn)程/本地開(kāi)關(guān)選擇遠(yuǎn)程，控制室才能通過(guò)上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面用自動(dòng)或手動(dòng)模式來(lái)遠(yuǎn)程控制設(shè)備；當(dāng)遠(yuǎn)程/本地開(kāi)關(guān)選擇本地，只有現(xiàn)場(chǎng)控制箱按鈕人工操作。全部變頻控制柜加裝旁路轉(zhuǎn)換控制器，當(dāng)破碎自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法排除故障時(shí)，可快速轉(zhuǎn)換到旁路控制，不影響正常生產(chǎn)。

4.4 其他輔助功能

主控系統(tǒng)對(duì)破碎生產(chǎn)流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。系統(tǒng)具備完整的故障自診斷功能，任何系統(tǒng)故障都有報(bào)警顯示、信息提示和故障保護(hù)，方便維修及快速排除故障。每臺(tái)設(shè)備有運(yùn)行時(shí)間累積、電流、控制狀態(tài)、故障報(bào)警顯示等功能。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有4臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)控制顯示，除塵系統(tǒng)的監(jiān)控(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、粉塵濃度)以及礦石中大塊金屬的檢測(cè)報(bào)警等。

皮帶糾偏傳感器實(shí)時(shí)采集信號(hào),PLC控制器通過(guò)算法確認(rèn)信號(hào)偏移，嚴(yán)重時(shí)控制輸出矯正信號(hào)，保障皮帶機(jī)均勻運(yùn)輸。皮帶稱重系統(tǒng)對(duì)礦量實(shí)時(shí)采集，PLC控制器通過(guò)算法計(jì)算瞬時(shí)礦量和累積量。Modbus RTU串口通訊將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電能采集到組態(tài)王軟件中，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)電能和計(jì)算產(chǎn)能單耗。軟件有碎礦產(chǎn)量及能耗管理日、月、年報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。有打印、導(dǎo)出電子表格等作用。

在破碎生產(chǎn)線的各設(shè)備間、操作現(xiàn)場(chǎng)和重要點(diǎn)位設(shè)置網(wǎng)絡(luò)攝像頭,對(duì)破碎、分篩、運(yùn)輸、裝車(chē)全過(guò)程視頻監(jiān)控,操作員在控制室結(jié)合上位機(jī)設(shè)備監(jiān)控實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù),遠(yuǎn)程解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

5 設(shè)備邏輯聯(lián)鎖

破碎生產(chǎn)線運(yùn)行中設(shè)備突發(fā)故障或停車(chē)，前端設(shè)備工作不停供礦，導(dǎo)致礦料堆積，需大量人力清除，所以生產(chǎn)線多臺(tái)設(shè)備相互間存在聯(lián)鎖保護(hù)。如圖5所示。

圖5 破碎生產(chǎn)自動(dòng)化故障聯(lián)鎖關(guān)系

(1)板式給礦機(jī)停車(chē)后，其余設(shè)備不影響。

(2)2#皮帶停車(chē)，板式給礦機(jī)停。

(3)1#破碎機(jī)(粗碎)停車(chē)后，2#皮帶、板式給礦機(jī)停。

(1)～(3)聯(lián)鎖工藝如圖5a所示。

(4)2#破碎機(jī)或3#破碎機(jī)任意停車(chē)，3#、4#皮帶停車(chē)。聯(lián)鎖工藝如圖5b所示。

(5)3#皮帶停車(chē)，4#皮帶、2#皮帶、3#皮帶、板式給礦機(jī)停車(chē)。

(6)4#皮帶停車(chē)，3#皮帶、2#皮帶、3#皮帶、板式給礦機(jī)停車(chē)。步驟(5)、(6)聯(lián)鎖工藝如圖5c所示。

(7)5#皮帶停車(chē)，2#皮帶、3#皮帶、4#皮帶、板式給礦機(jī)停車(chē)。

(8)6#皮帶停車(chē)，2#皮帶、3#皮帶、4#皮帶、5#皮帶、板式給礦機(jī)停車(chē)。

(9)7#皮帶停車(chē)，2#皮帶、3#皮帶、4#皮帶、5#皮帶、6#皮帶、板式給礦機(jī)停車(chē)。(7)～(9)聯(lián)鎖工藝如圖5d所示。

(10)1#、2#、3#振動(dòng)篩均停車(chē)，2#、3#、4#皮帶、板式給礦機(jī)停車(chē)。

生產(chǎn)線不論哪個(gè)環(huán)節(jié)故障，礦料不能有堆積堵塞，前端給礦機(jī)必須停止供料，相應(yīng)設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)，為應(yīng)急搶修，快速恢復(fù)生產(chǎn)創(chuàng)造條件[4]。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)碎礦生產(chǎn)安全過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制，既可降低生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，也可減少電耗成本、降低設(shè)備故障率，從而保護(hù)重要設(shè)備的高效安全運(yùn)行，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和礦山的現(xiàn)代化管理水平。