基于S7-300的选矿破碎生产控制系统设计

陈代勋(大冶有色博源环保股份有限公司, 湖北 黄石 435000)

1 前言

在选矿生产中，破碎过程作为基础环节将直接影响到选矿厂的生产指标。选矿过程决定着前期破碎对后期磨浮起到提质增效的重要性，因此自动控制改造对提高全流程的作业效率，提高系统的台时处理能力，产能平衡分析，设备运维保障有着非常重要的意义[1]。

2 生产工艺流程概述

丰山铜矿选矿厂破碎系统工艺流程复杂、设备较多、现场环境差、运送距离长，现将PLC自动控制直接引入各设备动力系统，远程与现场联锁操作和顺序控制保护，生产安全可靠[2]。选矿破碎工艺流程如下：矿石在井下粗碎后，提升至地面露采矿仓和主井矿仓。

(1)露采矿仓矿石经露采板式给矿机(RO2-6/40kW)给到破碎1#皮带(油冷式电动滚筒/4kW)送入颚式破碎机(JR136-8/155kW)，之后矿石由破碎2#皮带(Y250M-4/55kW)转运至破碎3#皮带(Y315S-4/110kW)，最后送入碎矿2#皮带(Y180L-4/22kW)与主井矿仓的矿石合流。

(2)主井矿仓矿石经主井板式给矿机(YP2-200L2-6/22kW变频调速给矿多少)给到碎矿2#皮带，并与之前破碎3#皮带的矿石合流，送入209T型圆锥破碎机(JS128-8/155kW)进行粗破碎,通过粗破后矿石送入碎矿3#皮带(Y315S-4/110kW)，碎矿3#皮带上有两台圆磨防尘风机(Y250M-4/55kW),之后矿石送到303#、305#、307#振动筛主电机(JO2-62/18.5kW),合格的矿石进入中心筛网，不合格的矿石进入碎矿4#皮带(JO2-70-4/30kW)，之后送入210、229破碎机漏斗进行二次破碎(圆磨)，通过圆磨后再次送入碎矿3#皮带，碎矿3#皮带与碎矿4#皮带形成回流，如果矿石未达标，就会一直在碎矿3#、4#皮带上往复并圆磨。当矿石达标后就会由中心筛网送入碎矿5#皮带(Y180L-4/22kW)，碎矿5#皮带上有4台防尘风机(Y180M-2/22kW)，之后矿石送入碎矿6#皮带(Y180L-4/22kW)，最后送入碎矿7#皮带(Y2-130L-4/22kW)，碎矿7#皮带上有一台给矿小车(Y132M2-65.5kW)，给矿小车给10个矿仓进行给矿，通过激光测距仪检测小车的水平位置，通过定位开关检测小车位置，均匀控制各个矿仓的储矿量。工艺流程如图1所示。

图1 碎矿生产自动化工艺流程(上位机主画面)

3 系统总体设计

3.1 系统目标

(1)实现破碎生产过程的自动优化控制功能(主要包括对破碎机软启、振动筛、皮带机、给矿机变频、给矿小车定位和除尘风机的运行控制)，达到节能降耗和解放劳动力的目的。

(2)实现系统控制设备的实时状态监测功能，监测设备电流、频率。

(3)实现对碎矿生产流程的实时安全监控功能。

(4)皮带机自动纠偏功能。

(5)实现生产数据的自动统计分析功能,皮带秤称重。

主要完成控制系统选型配置、系统硬件设计、工艺流程顺序逻辑框图、软件组态编程以及现场设备安装调试。具体如图2所示。

图2 PLC系统设计流程

3.2 设计原则

(1)选用可靠和性价比高的控制设备及仪表。PLC选用西门子S7-300和相应通讯模块；上位机软件采用稳定性和可靠性高组态王6.55软件；变频器优先选用丹佛士或进口品牌变频器，带有Modbus或Profibus DP通讯协议。

(2)采用先进成熟的技术和具有实用性和易管理性。系统要符合矿山行业的特点，满足碎矿的生产和管理的需求，其设计和所使用的人机界面直观实用、易于管理和维护等特点，避免技术复杂和操作繁琐等现象。

(3)系统具有通用性、实时性和标准化网络体系结构。分布式、离散式控制与现场总线结合应用灵活。INTERBUS、CAN、Modbus RTU/TCP、Profibus、Profinet等多种过程控制通讯规约和通讯转换接口(网关)。

(4)系统的可扩展性原则。PLC的模块化结构根据设计要求配置硬件和软件系统,具有灵活的扩展能力。保证在厂房扩建或改造时，系统软件和硬件能满足矿山的扩容需求。具体如图3所示。

图3 PLC系统网络

4 控制方式

破碎生产控制系统具有远程自动控制、单机手动控制和本地控制三种控制方式。上位机操作是所有控制箱现场开关切换远程，画面再开关选择自动或单机手动控制。本地控制方式是设备现场转换开关人工切换本地，切除远程功能，现场控制按钮具有操作设备权限，常用于应急操作和现场检修。

4.1 自动控制

控制室操作人员通过上位机组态画面起动生产线。操作员首先设置当班日志，设定出矿品种，软件统计矿料重量和设备能耗。顺序自动控制：首先程序进行自检，开机前对现场点位巡检，铁板、中碎、筛分、粉矿仓等巡检后上位机灯亮，电铃响，全部确认后满足全自动起动条件。将当班生产的大块矿石通过给矿机放料到2#皮带，实时检测重量并累积。矿料传送到1#破碎机(209)粗破，再通过3#皮带传送给1～3#振动筛分选，分选的大料通过4#皮带传送给2#破碎机(210)、3#破碎机(229)再次细破。细破后经3#皮带回到振动筛。达到小块料就直接由5#皮带、6#皮带送到粉矿仓。只要满足要求的矿料都通过5#皮带、6#皮带送到粉矿仓。粉矿仓中的给料小车在7#皮带送来的矿料分类给料。按品种、班次分类堆积在1～10#料仓中。在自动控制运行过程中，生产线上的设备按逻辑顺序有步骤的起动，防止同时起动总电流过大影响电网和大设备起动延时较长不匹配等现象，停车时设备按原起动逆向逐步停止，让皮带机无矿料和余料全部送仓，防止堆积，节约电能。故障时前后设备有联锁控制。具体过程如图4所示。

图4 破碎生产自动化顺序控制逻辑

4.2 单机手动控制

由操作人员在组态画面上操作，实现设备的单机启停和设备状态的设定。常用于检修调试或生产线异常调整。尤其是矿料集中堆积某处，人工铲运费时费力，通过单机控制缓解状态。过程控制中还可改变运行参数，系统支持与自动控制方式混合使用。

4.3 本地控制

本地控制方式由安装在现场的控制箱来实现，该方式具有设备控制最高的优先操作权限。操作人员可通过现场操作箱对远程/本地选择开关来切换控制权限，当远程/本地开关选择远程，控制室才能通过上位机组态画面用自动或手动模式来远程控制设备；当远程/本地开关选择本地，只有现场控制箱按钮人工操作。全部变频控制柜加装旁路转换控制器，当破碎自动控制系统发生故障停机，短时间内无法排除故障时，可快速转换到旁路控制，不影响正常生产。

4.4 其他辅助功能

主控系统对破碎生产流程实时监测运行状态，并进行数据统计和分析。系统具备完整的故障自诊断功能，任何系统故障都有报警显示、信息提示和故障保护，方便维修及快速排除故障。每台设备有运行时间累积、电流、控制状态、故障报警显示等功能。生产现场有4台除尘风机控制显示，除尘系统的监控(风机转速、粉尘浓度)以及矿石中大块金属的检测报警等。

皮带纠偏传感器实时采集信号,PLC控制器通过算法确认信号偏移，严重时控制输出矫正信号，保障皮带机均匀运输。皮带称重系统对矿量实时采集，PLC控制器通过算法计算瞬时矿量和累积量。Modbus RTU串口通讯将现场设备电能采集到组态王软件中，通过数据统计电能和计算产能单耗。软件有碎矿产量及能耗管理日、月、年报表统计功能。有打印、导出电子表格等作用。

在破碎生产线的各设备间、操作现场和重要点位设置网络摄像头,对破碎、分筛、运输、装车全过程视频监控,操作员在控制室结合上位机设备监控实时调整生产参数,远程解决现场问题。

5 设备逻辑联锁

破碎生产线运行中设备突发故障或停车，前端设备工作不停供矿，导致矿料堆积，需大量人力清除，所以生产线多台设备相互间存在联锁保护。如图5所示。

图5 破碎生产自动化故障联锁关系

(1)板式给矿机停车后，其余设备不影响。

(2)2#皮带停车，板式给矿机停。

(3)1#破碎机(粗碎)停车后，2#皮带、板式给矿机停。

(1)～(3)联锁工艺如图5a所示。

(4)2#破碎机或3#破碎机任意停车，3#、4#皮带停车。联锁工艺如图5b所示。

(5)3#皮带停车，4#皮带、2#皮带、3#皮带、板式给矿机停车。

(6)4#皮带停车，3#皮带、2#皮带、3#皮带、板式给矿机停车。步骤(5)、(6)联锁工艺如图5c所示。

(7)5#皮带停车，2#皮带、3#皮带、4#皮带、板式给矿机停车。

(8)6#皮带停车，2#皮带、3#皮带、4#皮带、5#皮带、板式给矿机停车。

(9)7#皮带停车，2#皮带、3#皮带、4#皮带、5#皮带、6#皮带、板式给矿机停车。(7)～(9)联锁工艺如图5d所示。

(10)1#、2#、3#振动筛均停车，2#、3#、4#皮带、板式给矿机停车。

生产线不论哪个环节故障，矿料不能有堆积堵塞，前端给矿机必须停止供料，相应设备联锁停机，为应急抢修，快速恢复生产创造条件[4]。

6 结论

通过对碎矿生产安全过程进行自动化控制，既可降低生产工人的劳动强度，改善作业环境，也可减少电耗成本、降低设备故障率，从而保护重要设备的高效安全运行，提高企业经济效益和矿山的现代化管理水平。