基于PLC尾礦輸送管線監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

樊 毅

（云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400）

目前礦山尾礦輸送主要有兩種：①短距離的離心渣漿泵，常為人工干預(yù)的半自動控制使用方式，沒有管道泄漏的異常實(shí)時在線監(jiān)測，存在控制實(shí)時性差、可靠性不高、勞動強(qiáng)度大、野外安全環(huán)保隱患大等一系列制約安全生產(chǎn)的問題；②長距離的隔膜泵，通常要附加一套專家系統(tǒng)，用于管道泄漏的異常實(shí)時在線監(jiān)測與報警提醒處理，在解決生產(chǎn)安全環(huán)保問題的同時，增加了生產(chǎn)成本費(fèi)用，設(shè)備系統(tǒng)利用率降低的新問題。離心渣漿泵輸送特點(diǎn)是適用于短距離、高揚(yáng)程、成本低、故障率小，可以串級使用，通過串級可以提高輸送揚(yáng)程，而流量不變。隔膜泵輸送特點(diǎn)是適用于長距離、大流量、成本高、故障率大，只能并聯(lián)使用，不能串級使用，通過并聯(lián)可以提高輸送流量[1-2]。本案設(shè)計(jì)的尾礦庫輸送特點(diǎn)是短距離、高揚(yáng)程，尾礦輸送車間離心渣漿泵出口為最低點(diǎn)，尾礦庫出口區(qū)域?yàn)樽罡唿c(diǎn)。因此本案選用以性價比高的PLC系統(tǒng)為核心，利用多臺離心渣漿泵組成串級泵組，在雙輸送管道上安裝流量計(jì)、濃度計(jì)、壓力計(jì)、閥門等儀器儀表，設(shè)計(jì)無線收發(fā)器APP與電腦客服端功能[3]。實(shí)現(xiàn)大高差下高濃度尾礦輸送自動檢測調(diào)節(jié)控制，雙管道安全實(shí)時在線監(jiān)測，故障切換自動。手機(jī)APP或電腦客服端及時掌握現(xiàn)場輸送控制運(yùn)行狀態(tài)，及時對異常情況進(jìn)行知曉和預(yù)處理。減少尾礦輸送系統(tǒng)人工干預(yù)操作，提高輸送過程安全性能，避免管理泄漏處理不及時對室外環(huán)境造成污染等，整體實(shí)現(xiàn)無人值守的尾礦安全輸送自動過程控制[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)備硬件

以某公司尾礦濃縮輸送處理車間的運(yùn)輸控制系統(tǒng)為例，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以西門子PLC為基礎(chǔ)，包含：現(xiàn)場傳感器檢測部分、控制器軟硬件部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，分別由西門子PLC及擴(kuò)展模塊和通信模塊、西門子觸摸屏（HMI），轉(zhuǎn)換開關(guān)及按鈕和指示燈、壓力、流量、濃度、液位等傳感器、高壓變頻器、高壓開關(guān)柜、感應(yīng)電機(jī)等電控元器件單元組成[5-6]。

尾礦濃縮輸送車間的輸送硬件本體設(shè)備與檢測控制設(shè)備如圖1所示的示意圖。共設(shè)計(jì)6臺離心泵渣漿泵，分兩組，一備一用，每一組由三臺泵串級組成，兩組串級泵組安裝在尾礦濃縮輸送車間泵池出口，各泵組流程上級接濃縮調(diào)節(jié)泵池出口，泵組流程下級接數(shù)公里輸送管線，管線從車間出來，一直上坡，直達(dá)尾礦庫區(qū)域放礦高點(diǎn)。尾礦濃縮礦漿入口分別在渣漿泵組的M1和M4泵輸入端，濃縮礦漿通過輸送泵與管道的動力傳送，經(jīng)過三級泵傳遞和揚(yáng)程提升疊加，進(jìn)入室外輸送長管道，最后輸送到尾礦庫區(qū)域進(jìn)行存放和堆壩處理。在每一條輸送管道上均安裝有高壓變頻電機(jī)與離心渣漿泵及壓力、流量、濃度、液位等傳感器，急停按鈕等電氣控制元件，通過傳感器的信號反饋到PLC控制系統(tǒng)卡件模塊，進(jìn)入PLC內(nèi)部通道，由PLC內(nèi)部程序進(jìn)行判斷和全局自動協(xié)調(diào)控制處理，對其輸送進(jìn)行自動啟停及調(diào)速等情況的程序自動執(zhí)行，之后輸出指令到高壓變頻電機(jī)和高壓開關(guān)柜，變頻電機(jī)與開關(guān)柜自動執(zhí)行PLC相關(guān)控制指令[7-8]，達(dá)到車間所有變頻器、開關(guān)柜、閥門之間全部協(xié)同輸送自動控制目的。同時，通過無線收發(fā)器，達(dá)到在手機(jī)APP或電腦客服端就能及時掌握現(xiàn)場輸送控制運(yùn)行狀態(tài)，及時對異常情況進(jìn)行知曉和預(yù)處理。

圖1 硬件安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware

經(jīng)過分析，需要硬件裝置包含：包含兩條數(shù)公里的輸送管道；離心渣漿泵6臺，高壓變頻器和高壓開關(guān)柜各6臺；控制閥5臺，手動閥6臺；壓力計(jì)和流量計(jì)各7臺；濃度計(jì)1臺；液位計(jì)1臺；1套PLC（帶HMI及無線收發(fā)器），120個I/O點(diǎn)位，20個AI/AO點(diǎn)位，設(shè)計(jì)預(yù)留各類點(diǎn)位20%左右，供后期運(yùn)行維護(hù)備用；急停按鈕、啟停按鈕、指示燈、HMI、聲光報警器、無線收發(fā)器、APP等。其控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案Fig.2 Total scheme of control system

2 PLC檢測控制程序設(shè)計(jì)

將高壓變頻器和高壓開關(guān)柜檢測控制信號及硬件設(shè)備接入PLC控制系統(tǒng)[7-8]，通過對PLC軟件進(jìn)行軟件程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對6臺離心渣漿泵的分組變頻自動檢測控制及礦漿的安全輸送檢測處理等，控制系統(tǒng)邏輯框圖如圖3所示，各控制單元設(shè)計(jì)如下。

圖3 控制系統(tǒng)邏輯框圖Fig.3 Logic block diagram of control system

2.1 輔助設(shè)備與流程自動檢測控制單元

輸入輸出信號：6臺離心渣漿泵的減速機(jī)、加熱器、潤滑泵均運(yùn)行正常；濃密機(jī)正常運(yùn)行，濃密機(jī)出口泵池液位正常等。

2.2 高壓開關(guān)柜與變頻器的檢測與自動控制單元

輸入輸出信號：6臺高壓開關(guān)柜的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程、運(yùn)行，6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程。

6臺高壓開關(guān)柜的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程信號，作為對應(yīng)高壓開關(guān)柜在該設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)上可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制啟停的條件，遠(yuǎn)程自動與手動控制均需要這些條件才可以操作控制。6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程信號，作為對應(yīng)高壓變頻器在該設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)上可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制啟停的條件，遠(yuǎn)程自動與手動控制均需要這些條件才可以操作控制。另外，高壓變頻器的控制條件還有高壓開關(guān)柜的運(yùn)行信號，否則高壓開關(guān)柜不正常運(yùn)行，變頻器不管備妥與否，均不能啟動運(yùn)行和調(diào)頻控制。系統(tǒng)在準(zhǔn)備開機(jī)啟動過程中，以上信號均做了聲光報警提醒，信號不正常，及時提醒相關(guān)技術(shù)人員處理問題。該單元的所有信號均在HMI重點(diǎn)顯示，高壓開關(guān)柜和變頻器的6個備妥信號傳送去自動順序啟停過程控制單元和自動檢測與調(diào)節(jié)輸送控制單元，作為這兩個控制單元能夠自動檢測與控制執(zhí)行的前提條件。就地機(jī)旁啟停不存在以上控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系；遠(yuǎn)程手動方式，可以在HMI上單獨(dú)操作每一臺設(shè)備，各設(shè)備聯(lián)鎖條件需要滿足才可以操作，一般作為調(diào)試、檢修使用。

2.3 自動順序啟停過程控制單元

輸入輸出信號：6臺高壓開關(guān)柜的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程、運(yùn)行；6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程、運(yùn)行；6臺離心渣漿泵的減速機(jī)、加熱器、潤滑泵均運(yùn)行正常。

高壓開關(guān)柜的順序遠(yuǎn)程自動啟停：每一組3臺高壓開關(guān)柜設(shè)備的上電、無故障、備妥信號作為其該組泵的每一臺高壓開關(guān)柜可以在遠(yuǎn)程、自動方式下，在PLC程序里串聯(lián)作為每一臺高壓開關(guān)柜自動啟動的條件，之后完成延時5 s的順序自動啟動，啟動過程中，順序在前的設(shè)備運(yùn)行信號與延時時間到時信號均參與到后續(xù)設(shè)備啟動的串聯(lián)條件中，如果啟動過程中，有條件信號丟失，則及時聲光報警提醒，啟動失敗，需要技術(shù)人員及時處理。條件信號恢復(fù)正常之后，才可以再次啟動，啟動順序?yàn)榱鞒滔掠纬隹陔x心渣漿泵對應(yīng)的高壓開關(guān)柜、到中間離心渣漿泵對應(yīng)的高壓開關(guān)柜、最后到流程上游入口離心渣漿泵對應(yīng)的高壓開關(guān)柜。正常停車流程與啟動順序相反。

高壓變頻器的順序遠(yuǎn)程自動啟停：每一組3臺高壓變頻器設(shè)備的上電、無故障、備妥信號反饋給PLC程序，同時，每一臺變頻器對應(yīng)的高壓開關(guān)柜的運(yùn)行信號發(fā)給PLC，此時，可以在遠(yuǎn)程、自動方式下，在PLC程序里串聯(lián)作為每一臺高壓變頻器自動啟動的條件。每一臺高壓變頻器完成延時5 s的順序自動啟動，啟動過程中，順序在前的設(shè)備運(yùn)行信號與延時時間到時信號均參與到后續(xù)設(shè)備啟動的串聯(lián)條件中，如果啟動過程中，有條件信號丟失，則及時聲光報警提醒，啟動失敗，需要技術(shù)人員及時處理，條件信號恢復(fù)正常之后，才可以再次啟動。啟動順序?yàn)榱鞒滔掠纬隹陔x心渣漿泵對應(yīng)的高壓開關(guān)柜對應(yīng)的高壓變頻器、到中間離心渣漿泵對應(yīng)的高壓開關(guān)柜對應(yīng)的高壓變頻器、最后到流程上游入口離心渣漿泵對應(yīng)的高壓開關(guān)柜對應(yīng)的高壓變頻器。正常停車流程與啟動順序相反。就地機(jī)旁啟停不存在以上控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系；遠(yuǎn)程手動方式，可以在HMI上單獨(dú)操作每一臺設(shè)備，各設(shè)備聯(lián)鎖條件任然需要滿足才可以操作，一般作為調(diào)試、檢修使用。

在高壓開關(guān)柜與高壓變頻器均自動啟動正常運(yùn)行的情況下，將其泵組正常運(yùn)行信號串聯(lián)作為本單元的準(zhǔn)備好信號發(fā)給PLC程序，作為條件傳送到自動檢測與調(diào)節(jié)輸送控制單元，作為其自動檢測與調(diào)節(jié)輸送控制的前提條件。

2.4 自動檢測與調(diào)節(jié)輸送控制單元

輸入輸出信號：6臺高壓開關(guān)柜的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程、運(yùn)行；6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠(yuǎn)程、運(yùn)行；6臺離心渣漿泵的減速機(jī)、加熱器、潤滑泵均運(yùn)行正常；濃密機(jī)運(yùn)行正常，濃密機(jī)出口泵池液位正常。

目前中國石化已成立青年創(chuàng)新工作室379個，獲省部級及以上科技創(chuàng)新成果208項(xiàng)、國家發(fā)明專利3646項(xiàng)，匯聚了全員創(chuàng)新動能和創(chuàng)效活力。

在前面輔助設(shè)備與流程自動檢測控制單元、高壓開關(guān)柜與變頻器的檢測與自動控制單元、自動順序啟停過程控制單元均完成自動檢測控制且正常運(yùn)行之后，其各單位的準(zhǔn)備好信號均送到本單元，及濃密機(jī)正常運(yùn)行，濃密機(jī)出口泵池液位正常信號，作為自動檢測與調(diào)節(jié)輸送控制的前提條件，該控制單元的控制邏輯框圖如圖4所示。

圖4 自動檢測與調(diào)節(jié)輸送控制單元的控制邏輯框圖Fig.4 The control logic block diagram of automatic detection and adjustment of convey control unit

管路的開機(jī)啟動輸送疏通自動檢測控制過程。在選擇的運(yùn)行泵組投入運(yùn)行后，將根據(jù)尾礦輸送管路終端出口處的礦漿流量，判斷輸送管路是否已經(jīng)打通。整個管路的打通過程，對各泵的使用頻率要求較高，基本上保持在頻率40 Hz運(yùn)行，直到打通之后，通過管路出口有流量，且流量穩(wěn)定不變之后，控制系統(tǒng)自動進(jìn)行降頻率運(yùn)行處理，頻率降到礦漿輸送過程的實(shí)時自動運(yùn)行檢測調(diào)節(jié)區(qū)域，因?yàn)槊看握ＭC(jī)之后，將會對管路進(jìn)行打水清潔，但是難免有清洗不到位，留下的管路干礦形成開機(jī)管路阻力，另外，在故障停機(jī)之后，由于輸送系統(tǒng)不能及時完成管路清洗，也會產(chǎn)生更大的開機(jī)管路阻力[9]。

管路的正常運(yùn)行輸送自動檢測與調(diào)節(jié)控制過程。管路疏通后，自動切換到該功能下運(yùn)行。經(jīng)過長期使用探索，上級流程不管工藝參數(shù)指標(biāo)波動與否，經(jīng)過大型濃密機(jī)超大空間緩沖穩(wěn)定和絮凝劑的添加處理之后，尾礦輸送礦漿濃度始終在輸送泵池能保持55%以上的粗調(diào)值（該調(diào)節(jié)控制不在本設(shè)計(jì)范圍）。同時，經(jīng)過輸送泵池是液位補(bǔ)加水的細(xì)調(diào)節(jié)，這時，目標(biāo)濃度設(shè)定值和實(shí)際濃度反饋與控制水閥形成PID的負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)控制[10-11]，同時，濃密機(jī)底流濃度實(shí)時檢測值為前饋信號，在與其形成前饋負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)控制。通過該環(huán)節(jié)的控制模型設(shè)計(jì)可以很好地將最終尾礦輸送礦漿濃度控制在55%。這時的尾礦輸送礦漿的泵組頻率給定控制在35 Hz為最佳，其設(shè)定范圍在（30～40）Hz之間，這時頻率的給定和反饋?zhàn)鳛樨?fù)反饋控制PID調(diào)節(jié)控制[10-11]，實(shí)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)楸媒M的三臺離心渣漿泵性能選擇完全一致，目標(biāo)完全一致，因此控制頻率必須同步且一致。對頻率的目標(biāo)值限定，主要因素有：①頻率過高，對系統(tǒng)設(shè)備沖擊過大過長，導(dǎo)致機(jī)械性能快速下降，不利于系統(tǒng)設(shè)備長期運(yùn)行，會造成系統(tǒng)設(shè)備機(jī)械故障頻發(fā)，嚴(yán)重耽誤正常生產(chǎn)；②頻率過小，達(dá)不到尾礦礦漿輸送目的，反而會對一直上坡的輸送管路及設(shè)備形成回落、后坐力沖擊，對系統(tǒng)設(shè)備及人的安全存在嚴(yán)重安全隱患，對車間環(huán)境形成不必要的污染。

管路的運(yùn)行過程中故障切換處理。泵組配合其出口前端控制閥門共同完成，在控制閥門無故障，能正?？焖匍_關(guān)，以及備用泵組處于熱備狀態(tài)前提條件下，正在運(yùn)行的泵組管理出現(xiàn)故障時，聲光報警提醒技術(shù)人員注意處理相關(guān)問題，同時，系統(tǒng)及時自動開關(guān)閥門，迅速啟用備用泵組，在新的泵組和管路上，經(jīng)過以上開機(jī)啟動輸送疏通自動檢測控制過程，管路正常運(yùn)行輸送自動檢測與調(diào)節(jié)控制運(yùn)行得到自動切換，進(jìn)行新的尾礦高濃度礦漿輸送。如果備用泵組及其出口前端控制閥門不正常，那將立即故障停機(jī)，聲光報警提醒及時問題處理。輸送管路的清洗需要操作人員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的檢修實(shí)際情況，選擇時間單獨(dú)操作完成，之后才可以進(jìn)入新一輪的自動輸送控制使用過程。

2.5 管道輸送安全在線實(shí)時監(jiān)測處理單元

通過對管路上各點(diǎn)的流量和壓力的實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對管路環(huán)境的保護(hù)和及時預(yù)警。若某點(diǎn)出現(xiàn)瞬間的壓力、流量的大波動超過波動設(shè)定值，PLC系統(tǒng)通過濾波鉗位處理程序，自動判斷大波動的波動值和持續(xù)時間，如果大波動觸發(fā)持續(xù)超過時間設(shè)定值為5 s以上，則認(rèn)為可能存在管道泄漏等異常情況發(fā)生，及時觸發(fā)系統(tǒng)聲光報警，否則系統(tǒng)自動判斷為非異常，不需要做任何處理。在發(fā)出聲光報警提醒，提示該段管路管道異常，存在泄漏可能，需要崗位人員和維護(hù)人員及時排查處理異常，同時，PLC控制系統(tǒng)的HMI通過無線收發(fā)器通訊，將異常信息及時推送到區(qū)域負(fù)責(zé)人、崗位操作人員、維修人員的手持點(diǎn)巡檢設(shè)備終端和手機(jī)終端上，對應(yīng)人員通過管路沿線視頻監(jiān)控的電腦或手機(jī)APP等終端直觀快速判斷異常情況是否屬實(shí)，提前進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。同時系統(tǒng)自動進(jìn)入輸送管道故障切換處理單元的確認(rèn)環(huán)節(jié)，備用輸送線路的泵組和管道被及時喚醒，處于就緒等待運(yùn)行狀態(tài)，在用管線異常檢測判斷終端確認(rèn)后，備用泵組和管路及時完成自動切換與投入運(yùn)行，故障管線進(jìn)入無負(fù)荷的檢修狀態(tài)，由機(jī)修人員進(jìn)行停機(jī)檢修故障處理，處理完畢后自動進(jìn)入備用狀態(tài)。這樣有效避免管路泄漏處理不及時對周邊生態(tài)環(huán)境造成污染，也有效避免了故障發(fā)生時，操作處理長時間停機(jī)和開機(jī)的生產(chǎn)不連續(xù)，確保了生產(chǎn)的高效持續(xù)運(yùn)行。其控制單元的控制邏輯框圖如圖5所示。

圖5 管道輸送安全在線實(shí)時監(jiān)測處理單元控制邏輯框圖Fig.5 The control logic block diagram of on-line monitoring handling unit of pipeline convey

3 應(yīng)用效果

某公司的尾礦處理是將尾礦進(jìn)行濃縮，提高濃度，然后通過離心泵將高濃度的尾礦輸送到2 km之外的尾礦庫區(qū)域，尾礦庫區(qū)域與尾礦濃密機(jī)出口處的高差約1 000 m左右，濃密機(jī)出口均為30°～50°的上坡輸送。該尾礦輸送的原有系統(tǒng)基建投用以來，無管道泄漏監(jiān)測，無自動檢測調(diào)節(jié)輸送控制，為人機(jī)旁工啟停，輸送兩端靠人工觀察對講來手動調(diào)節(jié)，存在控制實(shí)時性差、可靠性不高、勞動強(qiáng)度大、野外環(huán)境污染隱患大等一系列制約安全生產(chǎn)的問題。

為了更好地解決以上問題，最終選擇應(yīng)用以性價比高的PLC系統(tǒng)為核心，配置6臺離心渣漿泵，分兩組串級自動變頻，對室內(nèi)外2 km雙輸送管道上安裝流量計(jì)、濃度計(jì)、壓力計(jì)、閥門等儀器儀表的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)尾礦輸送全流程自動檢測控制及管道安全實(shí)時在線監(jiān)測與切換控制。減少尾礦輸送系統(tǒng)人工操作，提高輸送過程安全性能。避免管理泄漏處理不及時對室外水土環(huán)境造成污染，整體實(shí)現(xiàn)無人值守尾礦安全輸送自動過程控制。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能包含：手/自動控制與切換、實(shí)時及歷史記錄和趨勢、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、聲光報警、系統(tǒng)報表等功能。

該控制系統(tǒng)在完成設(shè)計(jì)、實(shí)施和投入運(yùn)行使用以來，獲得了以下的應(yīng)用效果：

1）該控制系統(tǒng)選用性價比高的PLC進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，低成本實(shí)現(xiàn)大高差下高濃度尾礦輸送自動檢測調(diào)節(jié)控制，徹底解決了在高濃度尾礦輸送車間的系統(tǒng)設(shè)備頻繁停機(jī)，人工操作干預(yù)頻繁等問題；

2） 通過PLC及HMI編程，無線傳輸、電腦及手機(jī)APP終端監(jiān)控配合的形式，開發(fā)系統(tǒng)在線點(diǎn)對點(diǎn)報警提醒與監(jiān)控功能，能及時準(zhǔn)確直觀判斷異常情況，避免額外的尾礦輸送管道泄漏在線監(jiān)測專家系統(tǒng)增加建設(shè)，減少了生產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)故障節(jié)點(diǎn)，最大限度地節(jié)約了生產(chǎn)成本；

3）尾礦輸送工序整體實(shí)現(xiàn)無人值守全自動運(yùn)行，避免了人工操作頻繁，降低了崗位操作人員勞動強(qiáng)度；

4）雙輸送管道安全實(shí)時在線監(jiān)測與故障自動切換，避免了人工操作處理與點(diǎn)巡檢不及時、不徹底的情況下，渣漿泵、管道、閥門等系統(tǒng)設(shè)備異常發(fā)生時，不能及時掌握和排查處理，徹底解決了尾礦輸送區(qū)域周邊環(huán)境的安全環(huán)保隱患問題。

4 結(jié)語

1）基于PLC系統(tǒng)平臺的尾礦輸送全流程自動檢測控制與輸送管道安全實(shí)時在線監(jiān)測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)輸送礦山離心泵輸送方式無實(shí)時在線檢測控制的問題，它具有安全、高效、成本低的特點(diǎn)；

2）該系統(tǒng)特別適合在大高差、非超長的尾礦輸送離心泵設(shè)備不帶在線檢測監(jiān)控系統(tǒng)時應(yīng)用。