基于PLC1500的破碎系统自动控制设计与应用

2021-12-17胡马福

现代矿业 2021年11期

胡马福

（福建马坑矿业股份有限公司）

某铁矿山年处理量500万t/a，因其选矿工艺流程长，设备配置较复杂，技术落后，造成工人劳动强度大，生产过程不顺畅，生产成本高。随着计算机技术及自动化技术日趋成熟，矿山自动化应用也越来越普及，为了提高选矿效率、降低生产成本，现急需对该矿山选矿破碎系统进行自动化改造［1］。该破碎系统主要由胶带机、破碎机等组成，胶带机可通过简单的二次回路改造连接至PLC，而目前的破碎机也基本都带有通信接口，通过标准的工业总线，可将其数据传输到PLC系统中控制。经自动化改造后，破碎系统各设备均可实现远程集中控制，部分给料系统实现自动控制，由此操作岗位可以转换成点巡检工，实现自动化减人、降本增效［2］。

1 选矿厂破碎控制系统存在的问题

（1）破碎系统自动化程度低，控制方法均为本地控制、操作麻烦，人工成本较高，且胶带机之间不能实现故障联锁，有出现堵塞的风险。

（2）皮带机缺少防跑偏、打滑、速度检测等传感器，不能对设备状态进行实时监控，一旦出现问题不能实现自我保护。

（3）设备陈旧，线路老化、繁杂，经常出现故障，维护不便且存在安全隐患。

（4）给料控制落后，破碎机效率低，能耗较高，生产能力差。

2 控制系统升级改造的整体方案设计

2.1 控制系统网络结构

考虑到选矿厂面积大、皮带长、控制I/O点多等特点，PLC控制采用主从分站的控制模式，即1个CPU，多个从站。控制系统通过组态设计，采用PROFINET过程自动化现场总线，将控制I/O站全部挂接于PROFINET总线上，以完成控制站和从站的通信，或从站与从站的通信。I/O站配备各种标准接口完成数据撷取，如A/D转换、数字滤波、PID控制、DP总线等实现电子秤通信、标准4～20 mA信号料位仪的读取，皮带的I/O输出控制［3］。上层操作采用基于PC机的操作员站，通过wincc界面与系统相连，操作员可在总调控制室通过简单的界面对远程设备进行控制、观察。控制系统网络拓扑见图1。

2.2 PLC选型

针对上述选定的网络拓扑结构，结合选矿厂外设繁多的特点，为保证系统的稳定性与先进性，同时方便后续扩展维护，PLC选用西门子S7-1500+ET200MP PLC系统，设置1个控制站，1套冗余CPU控制器作为冷备用，位于高压辊磨配电房PLC控制室。西门子S7-1500 PLC是替代S7-300/400的新一代PLC，其具有丰富的外设资源以及丰富的定时器、位存储器等。同时，该PLC还有运算处理速度快，AI、AO精度高等优点。S7-1500PLC软件平台为TIA博途，是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件。借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

2.3 外设连接

在选矿厂的整个控制系统中，除了胶带机外还有一些独立的智能系统也需纳入到中控的控制范围（如高压辊磨机、除尘器等等），以实时监控这些设备的状态，在出现设备故障时快速实现联锁，切断安全隐患，同时也方便工人远程操控。在与设备连接的设计上，根据厂商提供的现有接口，以及实际功能需求采用2种方式连接，一种是通信连接，另一种是硬件I/O连接。

2.3.1通信连接

通信连接具有硬件简单、易维护、获取信息量大的优点，在此次改造中应用较多，主要接口有MODBUS-TCP/IP、PORFIBUS-DP、S7通信等，如皮带电子秤计量获取、布料系统控制、破碎机状态获取等。在与高压辊磨机的连接中，考虑需要从该设备中获取的信息较多，且该厂商已经提供了较为成熟的接口，故采用通信读取数据方法。中控室ET6从站PROFINET总线经IE/PB Link PN模块转为PORFIBUS-DP总线与高压辊磨机相连。

通过总线能够方便快速地通过地址表读取设备状态，并将这些数据作为显示和上、下限报警，或联锁跳闸。表1为部分通信地址，即模拟量的输出，通过该表可以轻松获取辊磨机的各种状态。

2.3.2硬件连接

硬件I/O连接具有实时性高、稳定、安全的特点，其对现场众多皮带机、除尘器等设备的启停控制、拉绳状态监控以及变频设备频率控制都有不可获缺的作用。硬件连接主要有I/O连接、4～20mA模拟信号连接、0～10V电压连接等。变频胶带机硬件端子连接见图2。

3 监控系统设计

为保证生产的安全、可靠、方便，监控系统是必不可少的。目前，新增厂房和设备较多，将原有的监控系统进行统一升级改造，并使用一个独立的局域网。为提高监控系统抗干扰能力，各区域内部的监控点通过光纤传输网络接入汇总交换机，后统一将视频信号传送到中央控制室。系统设备包括摄像机、工作站、网络存储等设备，均统一采用以太网交换数据。在网络的构建上，将所有摄像机按照分区接入，区域集中汇聚的方式进行组网，包括分布于高压辊厂房、圆筒仓、筛分预选厂房、尾砂筛分脱水厂房、皮带通廊、转运站等各个区域的摄像机，均按照就近接入区域交换机的原则，采用百兆网络将摄像机连接到附近的接入交换机；网络硬盘录像机对所属区域的摄像机图像进行存储显示。同时，此次改造新增的视频监控系统具备接入公司监控网络的功能。

系统采用基于IP的网络视频监控系统，TCP/IP网络作为视频及数据的传输手段，在网络内可到达任意监控点及存储视频，同时具备高度可扩展性，容易新增监控点，不会对系统架构造成影响。选用高清网络摄像机保证图像质量，由于通信距离较长，采用光纤传输通道，抗干扰能力强。

4 自动化功能

4.1 顺序控制

设备启动顺序原则上按照物料走向的逆向顺序依次启动，正常停机顺序按照物料走向的正向顺序依次延时停车，延时时间间隔应能保证处理该设备上的剩余物料。远程系统开停机前应发预告信号，警示现场工作人员离开。对于有缓冲设备的工艺流程，实行分段控制，实现不积料、不满仓的控制效果，生产过程远程集中监控，减轻工人劳动强度，使一线操作人员由手工操作转变为巡视为主。

为了保证控制系统能够正常起动，首先应当在起动前对该系统设备进行集中检查，确认流程系统内各设备就绪后系统开始起动，当中间某个胶带由于某种原因异常停机后，上流程系统自动联锁停机。

4.2 安全保护控制

根据工艺要求对物料输送机和破碎等设备实施设备运行检测、启停控制、开车鸣铃和连锁保护，实现生产过程的集中监视和集中管理。实现破碎系统所有胶带机、破碎机、除尘器等设备的集中监视和集中管理。针对胶带机运行过程中可能出现的问题，需对胶带机跑偏、打滑、拉绳、防撕裂等进行检测，安装对应的传感器。对于破碎机应对其液压压力、润滑油温度、排矿口、功率等参数进行监控，同时对矿仓进行料位检测，及时反馈给控制系统，根据各矿仓料位和生产的需要组织破碎系统设备开停车，减少无谓的空车运行能耗，以降低碎矿生产成本［4］。

设备控制方式分为机旁起动和集中联动控制2种。当设备处于机旁启动状态时，不参与系统设备联锁，适用于单个设备检修及调试时使用；当处于“联动”位置时，设备参与系统流程联动控制，具备联锁保护功能。

4.3 过程控制

在高压辊磨机破碎系统和预选筛分的给料控制中，具有闭环的自动控制功能。辊磨系统根据中控室设定仓重，系统自动调节给料速度，然后结合流量调节板实现破碎机的挤满给料。在预选筛分给料控制中，系统根据中控员设定的流量，结合核子秤自动调节给料皮带速度，预选筛分自动给料闭环控制系统见图3。

5 软件设计

控制系统采用博图V15.1进行梯形图编写，结合组态界面使用。考虑到选矿厂控制的胶带较多，且控制方式相同，为了维护方便，精简程序，采用FB结构化编程。该FB结构块具有DB多重的背景数据块，含众多输入引脚，如启停输入、跑偏输入、拉绳输入、保护延时、报警类型、模拟量输入、连锁关系输入等［5］。程序员可根据不同设备，选择使用不同输入口，实现所有设备调用1个块的功能，这样既能提高程序的可阅读性，也大大方便了后期的维护。同时，所有设备采用弹窗模式，使得界面易操作。

6 稳定性设计

6.1 抗干扰能力设计

自动化系统在满足工艺要求的基础上要求能长期稳定运行，并具有各种抗干扰能力，满足电磁兼容性和安全性要求。在施工过程中要求强电、弱电、信号线分开布线，开关量输出模块要配置继电器隔离，以提高抗干扰能力。来自电气设备的模拟量信号均为4～20 mA，并全部配置隔离器，所有来自电气设备的开关量信号及系统输出的开关量信号均应为无源干接点信号，所有开关量输入模件都应有防抖动滤波处理。如果输入接点信号在4 ms之后仍抖动，模块不应接受该接点信号。

6.2 风险控制

为将自动化系统的风险降到最低，中控室PLC采取1用1备方案，当1个PLC出现问题时自动切换到另1个PLC运行。同时为分散控制风险，模拟量输入、输出模块每个模块上通道数量最多8个，数字量输入模块每个模块上通道数最多16个，输入信号AC220V，要求每个数字量输出模块上通道数最多32个。各类I/O点数必须按实际所需I/O数量再加上20%的裕量进行配置，同时要求本机站、远程I/O均有20%的裕量，并要求柜内预留20%的I/O卡槽空间。