西门子S7-300PLC在铜矿湿法选矿脱水处理系统的运用

刘博文

（江西铜业集团公司德兴铜矿，江西 德兴 334224）

选矿产品处理主要包括精矿脱水和尾矿处理两部分，其中精矿脱水属于固液分离的范畴。湿法选矿厂得到的产品，常常含有大量水分。精矿产品在送往烧结和冶炼之前需脱除多余的水分，否则精矿烧结和冶炼不能进行，同时还会增加运输费用[1]。在严寒地区选矿厂，如精矿水分过多会发生冻结，造成贮存和运输上的困难，而在水源缺乏的选矿厂，精矿和尾矿中的水分都需要加以利用。因此，精矿和尾矿均须进行脱水，所得到的水返回选矿厂以便继续使用。总之，为了便于贮存、运输和满足烧结、冶炼的要求，都需要脱去精矿中大量的水分[2]，这是产品处理的一项基本任务。

1 西门子S7-300PLC简介

西门子S7-300PLC是德国西门子（SIEMENS）所生产的中档可编程二进制控制器，是模拟式中小型控制系统，其组成部分是独立存在的，中央处理器（CPU）、电源（PS）、和其他模块通过U形总线控制在系统的标准轨道上，总线连接器插在各个模块背后，电源位于机架的左侧，中央处理器仅靠电源右侧，且处理器右边是可以选择的IM接口，当系统在不需要使用扩展支架时，可以不选择IM接口。广泛运用于冶金、化工、家电、汽车工业、印刷等生产线。如：专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程、控制器制造、机床、楼宇自动化、电气与电子工业及相关产业。西门子S7系列在原有PLC优点基础上，将系统主要组件分模块处理，并增加了标准接口，这极大的扩展了系统的功能。以其体积小、数据处理能力强、处理速度快、操作简单、灵活、可靠、准确、便捷、便于维护、且具备以太网通信能力而著称，相比其他系列PLC其功能更为强大，可靠性高，随着S3、S5系列的退市， S7系列PLC俨然发展成为西门子自动化控制系统的核心部件[3]，在各个工业生产领域得到广泛应用，从而带动工业制造业的改革和进步。S7-300的中央处理器是系统的核心，负责整个控制系统的中央控制、存储、程序执行，实现其通信功能。中央处理器有四种工作模式：启动（STARTUP）、停止（STOP）、运行（RUN）和保持（HOLD）。在这四种模式中，可以通过MPI接口与其他设备连接，实现功能多样化。其一系列具有不同功率范围的CPU，以及具有很多用户友好功能的一系列扩展模块，可以使用户根据不同的应用情况选择相应的模块。 如果控制任务需要扩展，可以随时使用附加模块对控制系统进行扩展，所有控制器都可以使用总线连接多个远程从站,根据生产工艺需求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量），适当进行内存容量的估计，结合市场情况等选定PLC型号。因此，在未来发展过程中，各个工业领域企业也将不断研发、引进先进技术，作为企业在市场竞争中取胜的资本。

2 铜精矿脱水处理工艺流程

铜精矿脱水处理系统主要用于湿法选矿精矿的高干度脱水。铜精矿矿浆经浓密机进行浓缩,初步分离析出半固态矿浆和溢流水，半固态矿浆经渣浆泵输送至压滤机，溢流水输送至沉淀池与药剂进行絮凝反应进一步泥水分离，去除大量水分，形成半固态泥浆再输送至压滤机[4]。半固态矿浆在压滤机进行挤压脱水，在高强度的挤压下，半固态矿浆体积极度压缩，排出水分，形成滤饼，再进行二次吹风，干度再次提升的滤饼输送至压滤机外，输送皮带运至指定地点。

矿浆进入浓密机、渣浆泵输送，半固态矿浆流量控制、清洗、液位检测、调速、启停等整个脱水过程都是在PLC的严密控制下实现逻辑闭环自动化运行[5]。

3 铜精矿脱水处理系统的构成

铜矿脱水处理系统以PLC作为控制器，根据矿浆脱水工艺控制整个过程，系统输入设备包含传感器、智能仪表、形成开关等，输出控制以继电器控制为主，联动系统的电气系统和液压系统，通过控制电机、变频器、开关阀、调节阀、泵、电磁阀、压滤设备、浓密机等完成指令工作。各个功能模块拥有独立的内部供电。PLC控制器是铜矿脱水处理系统的核心装置，由电源、CPU、存储器、输入、输出、通信模块等组成。

铜矿脱水处理系统可实现以太网通信，即工程师和操作人员可公用一台电脑设备，通过工业交换机与主控制器进行通信。

控制站选用西门子公司标准化功能模块的同时也可以根据工艺需求，由工程师自行创建定义，分配参数和互联块。

4 PLC控制系统的实现

4.1 控制原理设计

S7-300PLC主要采用的是西门子PLC技术中的中低性能系列，标准的S7-300PLC的模块主要有电源、中央处理器单元、接口模板、信号模板、功能模板、通信模板。通过现场总线构成生产现场局域网，之后作业管理人员在通过进行网络配置，使管理员账号在系统登录后，可以对工业生产现场网络进行访问，并利用系统信息控制实现监控。因此，其主要的功能如下所示：高速的指令处理，0.1μs～0.6μs的指令处理时间在中低级别的应用中开辟了新的领域；人机界面，在S7-300PLC系统上形成便捷的人机界面，因此有助于在实践应用中减少关于编程的工作量，本系统以AI模块、DI模块及DO模块作为系统的输入/输出实现对系统的控制，接线原理图见图1。

图1 PLC控制原理图

4.1.1 AI（模拟量输入）模块

AI模块主要作为PLC模拟信号的输入接口，采集各类生产模拟量数据，例如：部分模拟量传感器所检测的模拟信号、智能仪器所检测的检测数据等。

4.1.2 DI（数字量输入）模块

DI模块主要作为PLC数字信号的输入接口，例如：浓密机、压滤机的启停信号、复位信号、反馈信号、传感器信号等。

4.1.3 DO（数字量输出）模块

DO模块主要作为PLC数字信号量输出，例如：脱水系统运行状态、压滤机实时工作状态、浓密机实时工作状态等；产线故障指示灯及故障蜂鸣器等。

4.2 铜精矿脱水系统设备联系设计

铜精矿过滤系统，主要采用的是以PLC作为系统的控制器，同时在实践生产中，按照铜矿矿浆脱水工艺来对整个脱水过程进行控制，其中系统输入设备主要包含传感器、智能仪表、形成开关等，而输出控制设备主要是以继电器控制为主，联动系统的电气系统和液压系统，通过控制电机、变频器、开关阀、调节阀、泵、电磁阀、压滤设备、浓密机等完成指令工作。各个功能模块拥有独立的内部供电。主要由3台压滤机、2台陶瓷过滤机、6条皮带运输机、4台旋流器、4台空压机、2台真空泵和附属配酸、供气系统组成，集中过滤泗洲选矿厂和大山选矿厂铜精矿。正常情况下以3台压滤机和2台陶机作为主要生产设备。矿量分配情况一般如下，4#泵（9#池）和5#泵（新池）矿入前三万分浆桶，再分配至1#、2#压滤机分浆桶、铜陵陶机给矿、1#、2#折带过滤机给矿；3#泵（9#池）或6#泵（新池）入后三万分浆桶，再分配至3#压滤机分浆桶、宜兴陶机给矿。铜精矿脱水系统设备联系设计图具体见图2。

图2 铜精矿脱水系统设备联系图

4.3 硬件及网络组态

本系统在实现网络组态设计中，对无线通信技术、OPC技术进行研究，结合生产实际需求，采用OPC通讯协议、WIFI串口服务器技术研制出有效的通讯方案，实现工业控制系统与应用程序建立通信接口和OPC服务架构。如图3所示该部分包含工业设备、工业路由器、控制器、OPC服务器块、WIFI串口服务器、数据库、客户端等七个部分[6]。

图3 通讯方案图

4.4 程序设计

本系统在程序设计时采用西门子公司PLC常用程序设计软件STEP7V5.5编程软件进行编写PLC程序，如图4所示，在STEP7V5.5编程软件界面中，工程师可根据脱水需求进行程序编写和参数设置，程序编写完即可烧录入PLC系统中，进行对应的操作，实现脱水自动化控制需求。

图4 软件程序设计界面

5 推广运用情况

5.1 降低劳动强度，提升工作效率

如图5所示为德兴铜矿脱水自控系统运行界面，可以通过智能系统实时监控脱水自控系统运行状况，并可实现远程操控。图6为设备在脱水生产线实际运用照片。设备在用户现场的实际运行照片。一台中控电脑单人操作即可实现铜精矿脱水工作24小时运行。

图5 脱水自控系统运行界面

5.2 实现多种工段自动化控制

图6即为采用西门子S7-300PLC后陶瓷过滤机集中控制画面。在监控系统中，可实现各个关键参数的运转状态，如真空度、主轴速度、搅拌速度、料位等8个关键监控参数，并可通过页面按钮进行急停，联启、警报等操作，及时避免重大事故的产生。

图6 陶瓷过滤机集中控制画面

图7即为HDS处理自动化系统控制画面，可通过电脑终端进行设置处理主流程，并可实现实时监控运行数据，运行数据根据要求存储于内部存储器，生产报表，便于工程师进行检查。

图7 HDS处理自动化系统控制画面

6 结论

本文主要通过对铜精矿脱水处理工艺流程、脱水处理系统的构成进行了介绍，以西门子S7-300PLC为中控中心，搭建脱水生产群控系统，数据无线传输技术，提升了整个脱水工艺智能化水平。在铜精矿脱水自控系统的设计和实际运用、铜矿湿法选矿中脱水自控处理系统软硬件的组成、在通信方面运用OPC技术及无线传输技术搭建统一的通讯协议，提高了铜矿湿法选矿中脱水工序的智能化水平和企业的生产效率。同时运用OPC技术，使底层工业设备控制系统与应用程序得以完美结合，以统一的通讯协议进行数据和指令传递，有效的解决了独立接口驱动、软件运行卡死等问题，提高了数据传输和通讯的稳定性。脱水自控系统的搭建，有效的提高了脱水产线智能化水平，提高了生产效率[7]。