小型矿山破碎筛分系统自动化改造设计及应用

2020-03-24杜自彬王应丽孟书强朱成睿

矿山机械 2020年2期

杜自彬，王应丽，孟书强，赵虎，朱成睿

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室河南洛阳 471039

3河南发恩德矿业有限公司河南洛阳 471700

河南发恩德矿业有限公司是加拿大希尔威金属矿业有限公司(主要在中国从事矿山项目的收购、勘探、开发和生产业务)的一家子公司，现已成为希尔威公司的主力矿山，并发展成为中国最大的白银精粉供应商，下辖 6 座铅锌银多金属矿山和 2 座日处理能力超千吨的选厂。

该公司二选厂设计处理铅锌银矿石规模为 1 000 t/d，年处理矿石 30.0×104t，服务年限 31 a，稳产 29 a。原矿平均品位为：Pb 4.7%，Zn 3.6%，Ag 312 g/t。精矿产品指标为：Pb 65%(其中 Ag 3 562 g/t)，回收率93%，产率 6.72%；Zn 50%(其中 Ag 413g/t)，回收率 81.5%，产率 5.87%。尾矿产率 87.41%，尾矿品位为：Pb 0.35%，Zn 0.23%，Ag 55.36 g/t，破碎最终粒度≤15 mm，精矿含水率≤12%[1]。

1 工艺流程及主要设备

破碎筛分系统工艺流程如图 1 所示，采用三段一闭路流程，碎矿给料粒度为 500～0 mm，最终产品粒度为 15～0 mm。主要设备：粗碎采用 1 台 PE-800×1100 颚式破碎机，中碎采用 1 台 PYH－3CC 圆锥破碎机，细碎采用 1 台 PYHD－5C 圆锥破碎机，筛分采用 1 台 KR3060 振动筛，处理量为 162 t/h，设备作业率为 61.7%。该系统包含 5 条带式输送机(其中 3 条为大倾角带式输送机)，运行维护成本较高。现岗位配置操作人员 18 人，由于大倾角带式输送机在运行中易产生粉尘，岗位危害也较大。

图1 破碎筛分系统工艺流程Fig.1 Process flow of crushing and screening system

2 存在的问题及改造目标

二选厂现有破碎、筛分工段的设备操作全部为就地、人工操控，给料量全凭操作人员经验，易造成设备过负荷跳闸或给料量过小，生产效率低下。同时需要对设备运行情况进行全程跟踪，人员配置多、劳动强度大，而且现场噪声、粉尘较大，不利于职业病防护。

改造目标是通过对选厂破碎筛分系统现有设备进行自动化、集中控制改造，实现设备运行参数实时监控，输送设备和给料设备联锁，并保证细碎圆锥破碎机满腔给料等，以降低设备故障率及工人的劳动强度和接尘概率，提高设备运转率和碎矿台效，达到降低能耗，最终实现“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的智慧矿山建设目标。

3 改造措施

采用中控室增加工控机(工业级电脑)，通过博图 WINCC 软件组态操作画面，以西门子 S7-1200 系列 PLC 为核心的就地控制柜并进行编程的技术方案。PLC 控制方式采用多站式分布式控制，在粗破碎、中细碎、筛分工段分别加装就地 PLC 站，通过 TCP/IP以太网通信方式连接各个子站，实现在中控室全流程控制、设备分别单独启停、全系列设备一键启停等功能。

根据现场工艺和设备实际布置情况，控制系统共采用 5 个西门子 S7-1200 系列 PLC 作为主站，其中粗破碎车间、中细碎车间、筛分车间分别设置 1 个S7-1200 主站，用于控制本车间的设备，新增的控制柜与原有启动控制柜并排放置，以减少电缆敷设工作量[2]。

中碎液压润滑站及细碎液压润滑站原本自带就地控制箱，控制回路为传统继电器系统，操作和指示采用就地按钮和指示灯，不具备通信能力和改造潜力。因此决定采用整体替换的改造方式，替换后的液压润滑站就地操作箱采用 PLC+触摸屏的控制方式。PLC完成原有继电器系统的液压泵、润滑泵、加热器启停控制功能，触摸屏作为就地操作的人机界面替代原有的按钮和指示灯。

3.1 控制系统网络

如图 2 所示，控制系统采用星形网络架构，中控室工控机与分布在现场车间内的 5 个 S7-1200 PLC 控制站接在同一台交换机上，中碎液压润滑站触摸屏、细碎液压润滑站触摸屏通过交换机分别与对应的 PLC连接。为了兼容未来智能化控制系统和物联网系统，还预留了第三方系统的网络通信接口，通信协议为OPC 协议。

西门子 PLC CPU1214C 本体集成了 1 个 PROFINET 通信口，支持以太网和基于 TCP/IP 的通信协议，使用这个通信口可以实现 S7-1200 CPU 之间的通信，以及与编程设备、触摸屏、PC 端 WinCC 人机界面之间的通信。这个 PROFINET 物理接口采用 RJ45口，支持 10/100 Mb/s 网线直连和交叉连接。

3.2 硬件设计

图2 控制系统网络简图Fig.2 Sketch of control system network

控制系统在硬件架构上分为上位监控部分和下位控制部分，其中上位监控部分采用单站结构，即采用1 台工控机，同时承担服务器、工程师站、操作员站的角色，在满足功能需要的前提下，最大程度地降低成本[3]。

工控机首先需要满足人机界面和 PLC 编程工作，实现操作员监视和操作功能；同时还可作为服务器存储控制系统的实时数据和历史数据，包括报警、日志、事故记录追忆等。工控机的配置要求如表 1 所列。

表1 工控机配置要求Tab.1 Configuration requirements of industrial personal computer

现场控制核心设备为西门子 S7-1200 系列 PLC，CPU 型号为 1214C，该 CPU 是西门子主推的 1200 系列紧凑的高性能 CPU，自带有 24 点集成输入/输出、可扩展 1 个信号板、8 个信号模板、3 个通信模块。中碎和细碎润滑液压站现场操作箱人机界面选用 5.7英寸 KTP600 TFT 触摸屏，320×240 的像素分辨率足以显示所需要的参数，面板支持触摸操作的同时还配有 6 个可自由组态的功能键，是用于 S7-1200 控制器系统的理想 HMI 组件。

3.3 软件设计

控制系统软件 PLC 及工控机人机界面编程均采用 TIA Portal V15 完成，TIA Portal V15 又称博途V15，是一款由西门子打造的全集成自动化编程软件，整合了 STEP7、WINCC、STARTDRIVE 等编程软件，因此只需用博途一个软件就能对触摸屏、PLC、驱动装置进行编程调试和仿真操作。

SIMATIC TIA 博途 STEP 7 V15 专业版用于编程组态 S7-1200、S7-1500、S7-300/400 和 WinAC。S7-1200 PLC 是针对中小型项目开发的产品，在 DCS项目上应用不多，故其编程库中自带的标准功能块很少。为了克服这个缺点，本设计针对电动机控制、模拟量信号转换等通用功能均编写了相应的 FB 功能块。如图 3 所示，在编写 2 号带式输送机控制程序时，只需直接调用电机块“MOTOR_S_dd”并且将其背景数据块命名为“2# 皮带机 DB”就可以了。2 号输送机人机界面操作面板上的按钮、指示灯只需要直接访问对应的 DB 块“2# 皮带机 DB”，大大简化了编程和通信组态工作[4]。

该控制系统人机界面编程采用 SIMATIC TIA 博途 WinCC V15 专业版完成，博途 WinCC 用于组态SCADA 系统，配套 WinCC Runtime 专业版使用。根据二选厂破碎筛分系统改造项目特点，系统操作画面分为工艺主流程、中碎油站、细碎油站、报警画面、趋势画面共 5 个画面[5]。

如图 4 所示，工艺主流程画面集中显示了生产线主要设备的运行状态，操作人员平时通过此画面即可监控整个系统的实际运行状态。当需要查看具体细节时再通过切换画面或者画面弹出框来实现；当单独对具体设备进行操作时，只需用鼠标点击相应设备的图标即可弹出对应的弹出框。