矿山碎矿工艺,PLC,集中控制改造与网络重构

【摘 要】描述了永平铜矿选厂碎矿工艺集中控制系统要求 ， 分析了 PLC 控制系统组建的基本思路及网络结构的配置 ， 阐述了主体设备电气控制和碎矿圆锥恒功率控制系统思路。 改造后 ， 清晰高效的网络结构解决了数据传输的瓶颈问题。使用 WEB 浏览方式使管理者、调度员能实时监控生产流程和设备状态 ， 使生产管理达到较高水平。

【关键词】碎矿； PLC ；联锁保护；网络结构； Profibus

一、改造原因

江西铜业股份有限公司永平铜矿选厂碎矿控制系统，初期投产时采用的是继电器集中联锁控制。在运行过程中，该系统历经数次局部改造，并在主体设备更新的同时引入了新的单机控制器。虽然在以往改造及新添加控制器中，完成了与主控系统的数据共享、集中控制等功能，但改造建设只考虑了局部控制系统的实用性，未从全厂自动化层面考虑控制系统的兼容性，造成碎矿控制系统平台的网络组建不合理、控制设备间匹配性差、数据交换效率低。如：整个碎矿系统是基于西门子S7系列PLC建设的，但圆锥改造时设备却配置了第三方PLC控制器；中细碎操作员站与PLC的通讯采用MPI方式，通信数据带宽较小，出现瓶颈。因此，该系统在生产过程中表现出通讯故障频率高、生产控制稳定性比较差的情况。本文拟对该厂的改造方案进行分析。该方案对现行控制系统的控制方式、控制器的选用及网络结构进行了改造，统一了各个工段数据上传的格式，使生产管理、运行更加高效、顺畅。

二、控制需求

2.1控制程序分析

碎矿系统具有流程长、矿料运送方向多变、矿石处理过程中设备台套数多的特点。碎矿工艺中粗碎分为I、II两条流程，中细碎分为I、II两条流程。两条流程运行方式有“粗I+中细I”、“粗I+中细II”、“粗II+中细I”、“粗II+中细II”等模式，矿料方向由换向皮带实现，后期因“露转坑采”项目的投入，来料方向上又增加了井下皮带。矿山碎矿工艺PLC集中控制改造与网络重构碎矿主控PLC与井下3#、4#、5#皮带PLC共同完成在联锁自动启动时的铃声预警，根据生产需求选择好流程配合后，按矿料来源的逆方向联锁开机，在开机过程中和完成后实现联锁保护。单体设备故障时，故障设备保护停机同时瞬时停止物料来源方向皮带及设备运行，确保不堆料；故障经人工干预并解除后，在操作员允许的情况下，联锁开机功能可实现从故障设备起重新联锁开机；在操作员发现重大故障或其他特殊情况下，系统具有紧急停车功能，在急停状态下，所有设备立即带料停车。在碎矿联锁停车时，PLC按照矿料来源方向顺序停止皮带及设备，给定设备间联锁停机间隔时间，使皮带等设备在联停后矿料卸载完毕[1]。圆锥功率闭环控制PLC根据圆锥功率回馈，手动或经PID运算对圆锥给矿量进行自动控制，监控圆锥工作状态，故障时进行联锁保护。圆锥润滑控制PLC对圆锥润滑系统两台油泵、冷却泵的运行进行控制，油温过低时启动加热器加热，监控油箱油位并于越限时报警。

2.2主体设备电气控制

粗碎、给矿系统和皮带、中细碎恒定给矿控制及其他辅助系统（如润滑等）的电控设计要求在系统操作上分为就地单机运行、就地联锁运行、中控单机运行、中控联锁运行四种式。就地单机运行模式供设备检修维护使用。就地联锁运行模式在PLC系统故障时则能实现简单的联锁开关系统，具有简单的联锁保护功能。中控单机运行模式由PLC控制，控制权在中央控制室，做到各个设备单机运行控制，主要是在维护联调时使用；日常生产时系统运行在中控联锁运行模式下[2]。在各被控设备机旁控制箱（配电箱）上设工作模式开关，开关设定的状态反馈至PLC。该选择开关处于就地位置时，二次控制回路脱离PLC输出继电器，完全由机旁控制箱按钮控制设备；选择开关处于中控位置时，二次控制回路脱离机旁控制箱控制，由PLC接管。该选择开关具有运行控制的最高权限。

三、改造方案

3.1控制器配置

碎矿工艺设备数量较多，PLC使用的台套数也较多，整个控制系统分布如下：碎矿工粗碎（老虎口）控制器采用S7-226CNPLC控制，后台配备工控机，处理露天采矿矿料；3#4#、5#皮带处理井下采矿矿料，由S7-300PLC控制；中碎圆锥、细碎圆锥、碎矿工艺料传送皮带联锁由S7-300CPU314碎矿主控PLC控制；中碎圆锥、细碎圆锥的润滑系统交由7-226CNCPU312+S7-226CNPLC控制；圆锥功率闭环控制系统由CPU315+S7-226控制；新圆锥由ABPLC控制。PLC各司其职，完成局部控制，并与其他相关PLC交换据、联锁，完成矿料处理和输送，实现联锁开停机、设备联锁保护，同时将本工艺段的生产数据上传至厂调度室监控管理。粗碎设有控制室，粗碎PLC上位机安装于粗碎控制室，通过工业以太网连接至碎矿控制室。碎矿主控PLC及其上位机、圆锥功率闭环控制PLC及其上位机置于碎矿控制室。PLC系统由CPU、电源、底板、存储卡及IO卡件等组成[3]。本系统PLC开关量输入做继电器隔离，根据现场反馈点的情况（有源或无源）设计输入回路，PLC开关量输出做继电器隔离，送至现场机旁控制箱的二次回路。模拟量输入选择信号隔离器隔离，防止干扰。在碎矿中细碎流程中给矿量、矿石性质的变化会造成圆锥破碎机效率的下降或产生故障。圆锥破碎恒功率控制系统通过对给定的圆锥主轴功率与检测到的主轴功率反馈值进行比较，经PLC内部PID运算，调整变频器控制给矿电机，对圆锥进矿量进行控制，使圆锥处于最佳工作状态。该子系统配置S7-300PLC，人机对话界面并入碎矿主控操作员站。

3.2系统通信

3.2.1网络结构

改造目的是重建碎矿控制系统网络，使该系统各工艺PLC子站与主站的网络结构清晰、数据交换通畅，并降低维护工作量和维护难度。改造方案采用了通用的Profibus-DP总线网络结构，提高了通讯速度，增加了网络的稳定性和开放性。Profibus-DP总线具有国际化、开放式的特点，广泛用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、矿山、交通电力等其他领域自动化。Profibus是适用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式控制和现场通信网络[4]。碎矿控制系统各PLC通过Profibus-DP与上位机通讯，各上位机通过工业以太网将数据传送至选厂控制室。碎矿工艺中粗碎（老虎口）控制器原采用第三方监控软件，此次改造中选用WINCC监控软件，人机界面重新编制并且组态；原圆锥功率闭环

3.2.2远程监控的实现

对已有的局域网进行扩展，将已到选厂调度室的端口延伸到各个控制室、工段办公室。选矿厂内工控机、工段管理用PC机组成厂级局域网。运用WEB、OPC技术，将工业控制系统中各个监控点的数据进行远传（TCP/IP），使用PC中内置浏览器即可显示工业现场的实时数据和画面，使调度中心、各级管理人员和其它相关人员通过网页浏览的方式对生产现场进行实时监视，为远程生产管理提供实时数据；为领导层决策提供依据。运用该技术还能够将现场的动态模拟画面远传，向用户提供直观的现场监控流程画面，使熟悉工艺的用户看到动态工艺流程图[1]。

结语

碎矿工艺设备台套数多，矿石流向、来源复杂，在设计PLC控制系统时除了按工艺要求实现联锁停、联锁保护外，需充分考虑到设备安全、人身安全。建立清晰、高效的网络结构，易于维护，能提高数据通道带宽，解决数据传输的瓶颈问题。使用WEB浏览方式使管理者、调度员能实时监控生产流程和设备状态，使生产管理达到较高水平。

参考文献：

[1]HG/T20573-1995，分散型控制系统工程设计规定[S].

[2]GB4208，电气设备安全设计导则[S].

[3]HG20507，自动化仪表选型规定[S].

[4]西门子公司.SIMATICS7：模块化控制器的全球基准[EB/OL].（2013-05-10）.

[5]HG/T20636，自控专业设计管理规定[S].

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