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選礦廠自動監控系統的設計與實現

冶金行業的選礦廠工藝流程包括給礦、破碎和磨浮幾個主要生產過程，生產環境惡劣、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，根據人工判斷的磨機負荷對給礦機的運行狀況進行調節。由于調節不及時，運行不穩定，常常使磨機出現“空腹”或“脹肚”的現象，影響整個磨浮工藝流程的質量。因此，選礦廠自動控制系統的實現意義重大。
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,成為生產環境中的干擾源，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正常穩定的運行。
選礦廠自動監控系統的實現應本著“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、工藝參數的變化，優化工藝流程，保證工藝流程穩定、安全的運行，并降低運行成本,提高管理水平，使之長期正常穩定地運行、取得最佳效益。
結合鐵匠石選礦廠工藝流程對選礦廠自動監控系統進行設計，該系統實現的要點是：可靠性和穩定性,使整個流程安全生產有保障；適用性，滿足并優化配送流程的生產和管理；易操作和維護，全中文界面和信息,結構簡單合理，且維護方便；兼容性，系統是軟硬件一體化的整體，要求具有兼容性；擴展性,為系統的升級和技術改造的實現留有可擴展空間；開放性，控制系統具有良好的開放性。
1工藝流程
工藝流程如圖1示。原礦經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；篩上的經皮帶輸送機返回到中碎和細碎再次進行破碎。成品礦經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節，也是實現自動控制的關鍵環節。
2自動監控系統設計
自動監控系統在結構設計上充分考慮了系統的可靠性、穩定性、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。系統分設3級，即現場設備信號、控制站和中央操作站，通過DH+網絡實現系統的通信，如圖2所示。系統設置2臺中央操作站、互為冗余，2個控制站，DH+網絡的通信距離為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PC機，設置在中央控制室,完成自控系統的操作、監視、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臺監控破碎與給礦流程；另l臺監控磨浮流程。系統配置兩臺打印機,分別完成生產報表和報警打印的功能。操作站主要技術指標:CPU為PIV≥IGHz、≥30G硬盤、2l”彩色顯示器、標準鍵盤、256MB內存、3.5”1.44M軟驅、40XD-CDROM。通信卡:1784-PKTX(Rockwell)，支持DH+網通信。
2.2控制站
選用美國Rockwell公司的SLC500系列PLC系統，該系列產品采用框架式結構，高強度工業硬件平臺，可耐受振動、高溫以及各種惡劣工業電氣環境下的干擾，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，體現安全性、擴展性、開放性和系統的可靠性。
系統共設置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，設置在1個控制柜內，安放于車間低壓配電室內；PLC2站主要處理磨浮工藝段的設備信號和工藝參數,設置在1個控制柜內,安放于車間低壓配電室內。以1個控制站(PLC2)為例，基本配置如下：
(1)CPU模塊：SLC5／04，提供DH+網絡通信功能．1塊。
(2)I／O模塊：1746系列,選用1746-IBl6(16點開關量輸入模塊，6個)、1746-OWl6(16點開關量輸出模塊,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，各類模塊的數量根據各控制站實際的I／O點數而定，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+網分支器等。
2.3系統軟件
操作站的自動化組態軟件選用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控過程的實時窗口.升級和維護應用系統更快、更方便，具有在線組態、實時和歷史趨勢、數據采集和處理、靈活的用戶定義報表、報警和管理、可擴展的組態向導等。SLC500系列PLC的軟件環境為Loixg500，對PLC系統進行配置、數據采集、控制、通信、測試等功能的編程。操作系統軟件采用美國微軟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兩種給礦方式：定時給礦和隨時給礦，根據生產運行狀況和生產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聯鎖控制，如圖3所示。
在每個礦倉上裝有限位開關，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,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。當礦倉下限信號產生時，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個以上的料倉產生下限信號，則按1#～5#的順序進行給礦。
(3)給料聯鎖控制。系統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。在聯鎖控制過程中同時實現故障聯鎖控制，當某臺設備故障時，立即急停來料流程中的所有設備，順序停后續流程中的設備，使不發生堵料的現象。為使系統控制穩定，料倉上、下限信號和設備故障信號產生并保持10s后，系統才認為此信號有效，才執行給礦或停機的命令，以免執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
磨礦給礦系統實現恒定給礦，給礦實現如圖4。對每臺給礦機進行變頻調節，根據安裝于給礦皮帶上的皮帶秤反饋礦量進行頻率調節，保持礦量穩定在給定值。
根據現場測試，本系統從開始調節頻率到皮帶秤檢測到礦量變化需1．0～1．5min，滯后時間較長，若采用常規的PID算法，對被控參數偏差的控制不能及時的實時反映出來，造成控制超調、甚至發生振蕩。本系統采用采樣控制方式，按偏差進行周期性斷續控制。
控制原理：當調節輸出一個值后，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。
為實現無靜差，使用PI算法。為減小超調量，縮短調整時間，采用積分分離對PI算法進行優化，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；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；Ti為積分時間。
系統設計的給礦能力>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，認為系統故障，操作站進行報警處理。此狀態維持2min后，系統停機，即發生了斷礦現象。
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量，由于在磨機內直接測量礦漿濃度比較困難，本系統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，磨機內礦漿濃度的控制對象主要取決于向磨機內添加的總給礦量(新給礦量+返砂量)和新加水量，系統根據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
系統根據總給礦量及前加水量綜合發出相應的控制信號來改變磨機排礦給水調節閥的給水量，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系統監控功能、
系統通過控制網實現對數據的采集／處理功能、控制功能和管理功能，系統監控功能通過軟件體系實現,如圖7所示。
(1)數據采集/處理功能。系統采集的數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。實現現場手動控制、單臺遙控和自動控制三種控制方式。現場手動控制用于在自動系統停機或故障、電氣設備現場維護、現場處理緊急事故時。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，多用于單臺設備運行、試車、維修等工況，滿足生產及安全要求，在操作站上實現。自動控制，按工藝要求自動實現。
(3)操作功能。具有操作方式切換、選擇操作、操作員登錄、“權限”操作和其它常規操作等，同時均有誤操作保護功能，在操作站上實現。
(4)監視功能。系統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視各流程的運行工況，通過動態、變色、閃爍、數字、棒圖及曲線的方式實時監視各電氣設備、工藝參數的工況，全中文界面。同時可調出以分畫面或彈出窗口的形式顯示的各設備聯鎖關系信號狀態圖。
(5)趨勢功能。對各流程被測工藝參數設有實時／歷史趨勢功能，在操作站上可調出工藝參數的實時／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、參數超限等設有記錄功能。
(7)報警功能。系統具有各電氣設備故障、參數超限、緊急停機、系統故障、系統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。對數據趨勢、報警、記錄等歷史儲存3個月。
(9)報表功能。有報警報表、班／日／月生產報表、趨勢記錄報表、歷史記錄報表等，實現定時、隨時和實時打印的功能。
6系統防干擾措施
(1)系統結構設計。系統拓撲結構采用樹型的總線結構，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級產品。
(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／停往往引起供電網絡線路負載突變，引起的電壓波動對白控系統的設備威脅很大。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)、結合絞合敷設的方式；對橋架式敷設的現場，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。