PLC 在金礦設備改造中的應用摘要：本文設計了一套基于PLC 的監(jiān)控系統(tǒng)，應用于金礦碎礦生產(chǎn)線控制系統(tǒng)改造。系統(tǒng)由性價比高的PLC，工控機和組態(tài)軟件構成。通過PLC 編程，實現(xiàn)了對生產(chǎn)設備的全面自動 控制、聯(lián)鎖保護、運行狀態(tài)監(jiān)測等功能；運用組態(tài)軟件，設計了具有良好的人/過程接口能 力的監(jiān)控畫面，實現(xiàn)了過程信息的集中顯示和處理。實際運行表明，該系統(tǒng)功能設計合理， 運行可靠，顯著提高了生產(chǎn)效率。 關鍵詞：金礦；設備改造；監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；組態(tài)軟件 1 引 言 近年我國不少礦山企業(yè)為了實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保等各方面日益增長的要求，積極進行 設備的更新改造。某金礦在碎礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)引進了Nordberg HP 圓錐破碎機，以進一步優(yōu)化生 產(chǎn)指標和提高效率。但是該礦原先采用的碎礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)是以人工操作為主的常規(guī)繼電器 控制方式，自動化水平低，對生產(chǎn)過程的各種信息缺乏有效的監(jiān)控手段，不能及時響應各種 情況，加上電氣設備老化，故障率高，維護頻繁，嚴重制約了新裝備生產(chǎn)效率的發(fā)揮。因此， 需要對原有控制系統(tǒng)一并進行改造?？删幊炭刂破鳎≒LC）作為一種先進的工業(yè)自動控制裝 置，具有功能強大、編程靈活、調試使用方便，且性價比高等眾多優(yōu)點，特別是它適應各種 工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使它得到廣泛的應用。因此在本改造項目中，決定采用PLC 來改造并擴展原有控制系統(tǒng)的功能，并且運用組態(tài)軟件，設計生動直觀、功能豐富的監(jiān)控流 程畫面，實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中顯示和處理。 2 工藝與控制要求 某金礦碎礦工藝為三段一閉路流程：原礦首先從原礦倉通過重型板式給礦機送入鄂式破 碎機進行粗碎，然后由1# 皮帶給入標準圓錐破碎機進行中碎，再經(jīng)2# 皮帶給入振動篩， 篩上產(chǎn)品經(jīng)3# 皮帶返回短頭圓錐破碎機進行細碎，細碎產(chǎn)品匯入2# 皮帶，與振動篩構成 閉路；篩下合格產(chǎn)品由4# 皮帶送至粉礦倉。在控制上主要是對破碎、篩分及輸送設備的起 /?？刂啤⒙?lián)鎖控制及保護，以及對設備運行狀態(tài)和關鍵參數(shù)的監(jiān)測記錄，包括：①重板給 礦機、鄂式破碎機、2 臺圓錐破碎機、振動篩及4 臺皮帶設備的電機起?？刂?、電機過載（熱 繼電器狀態(tài)）的監(jiān)測及自動聯(lián)鎖；②2 個圓錐破碎機稀油站、自動除鐵裝置、及3 臺除塵風 機起?？刂坪凸ぷ鳡顟B(tài)監(jiān)測；③粉礦倉超聲波料位計的信號監(jiān)測；④控制室與現(xiàn)場各車間聯(lián) 絡的聲光警示信號。 本次改造還增加了以下項目：⑤鄂式破碎機、2 臺圓錐破碎機和軸瓦溫度監(jiān)測；⑥2 臺 圓錐破碎機的電機工作負荷電流監(jiān)測，以實現(xiàn)恒定負荷控制；⑦1#和3＃皮帶安裝電子皮帶 秤和變頻器，以實現(xiàn)給礦量控制；⑧控制室原有集中操作臺和設備就地開關保留，和PLC 控制系統(tǒng)通過轉換開關進行工作方式切換。 3 系統(tǒng)硬件配置 根據(jù)前述控制要求，在充分考慮了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、通用性基礎上，確定本監(jiān)控 系統(tǒng)采用集中式的控制結構，分為3 級：過程監(jiān)控站、PLC 控制器和現(xiàn)場電氣驅動和信號 檢測。PLC 控制器選用西門子SIMATIC S7-300，該型PLC 技術成熟可靠，應用廣泛，具有 功能強、速度快、模塊化等特點，具體配置為：CPU314，帶有MPI 接口，配64k EPROM 存儲卡做程序掉電保護；16 通道DI 模塊SM321，5 個；16 通道DO 模塊SM322，3 個；8 通道AI 模塊SM331，2 個；4 通道AO 模塊SM332，1 個；考慮系統(tǒng)的總點數(shù)和今后擴展 的需要，配置了1 個擴展機架，主機架和擴展機架之間通過通信模塊IM360 和IM361 通信。 監(jiān)控站采用研華工控機，運行澳大利亞的CitectSCADA 過程監(jiān)控組態(tài)軟件。S7-300 和監(jiān)控 站計算機的通信采用MPI 接口，在上位機中安裝CP5613 通訊卡，通過MPI 電纜進行連接。 4 PLC 控制功能設計 PLC 程序是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的核心，設計內容較多，下面主要介紹生產(chǎn)設備的起停聯(lián) 鎖邏輯控制和破碎機恒定負荷控制。 4.1 設備起停聯(lián)鎖邏輯控制 碎礦設備控制具有以下特點：逆流程起動，即先起動4 # 皮帶機，最后起動重板給礦機； 順流程停機，即先停重板給礦機，最后停4 # 皮帶機，并根據(jù)皮帶速度、長度加以延時間隔， 以免發(fā)生堆料的現(xiàn)象。為保護設備及人員安全，還需要滿足較為復雜的聯(lián)鎖關系：①當皮帶 機、振動篩、圓錐破碎機、顎式破碎機中任一設備發(fā)生非正常停車或嚴重故障時，立即停止 上游設備的運行，下游設備保持原工作狀態(tài)不變；當重板給礦機、除塵器和除鐵裝置等輔助 設備發(fā)生故障跳閘時，只向主控室發(fā)出故障信號，而不中斷系統(tǒng)的運行；②重要設備如圓錐 破碎機等受到監(jiān)測的軸瓦溫度、電機負荷電流和稀油站工作參數(shù)信號也參與聯(lián)鎖，在信號超 限時自動停機，以防止設備受損；③根據(jù)皮帶機系統(tǒng)的故障性質，進行緊急停機、順序停機 或發(fā)出聲光報警；④在監(jiān)控站畫面上及操作臺都設有“緊急停止”按鈕，當出現(xiàn)重大險情和 故障時，操作“緊急停止”按鈕能立即停止全線設備。 系統(tǒng)從安全可靠、靈活高效的原則出發(fā)，設置3 種控制方式：①計算機控制方式，正常 生產(chǎn)時使用，操作員在監(jiān)控站畫面實現(xiàn)設備聯(lián)動或單動；②操作臺控制，是保留系統(tǒng)原來的 操作方式，作為監(jiān)控站失效時的備用；③就地控制，可以用機旁電氣開關實現(xiàn)設備的起/停， 滿足設備檢修、試車、緊急事故處理的需要；在PLC 柜上設有轉換開關和轉換預置按鈕， 可在3 種控制方式間進行任意轉換。 通過對上述控制功能和PLC 各個輸入輸出信號的仔細分析，確定出單臺設備的控制邏 輯，利用西門子STEP7 編程軟件編寫出梯形圖（LAD）程序，見圖1。其中，K 為控制設備起 /停的PLC 輸出信號，Y 為啟動邏輯信號，T 為停止邏輯信號，由以下信號按一定邏輯關系產(chǎn) 生：L ，與該設備有聯(lián)鎖關系的其他設備運行狀態(tài)；S1，上臺設備啟動后延時觸發(fā)信號；S2， 轉換開關處于計算機控制方式；S3，監(jiān)控畫面單動/聯(lián)動方式選擇按鈕，“1”為聯(lián)動，“0” 為單動；S4，監(jiān)控畫面單動按鈕；S5，控制方式預轉換按鈕；S6，轉換開關狀態(tài)，為“1”表 示處于就地控制；S7，設備正在運行狀態(tài)，是中間繼電器信號；B1，聯(lián)動停止信號，由上臺 設備停止后觸發(fā)產(chǎn)生；B2，監(jiān)控畫面停止按鈕；D1，預轉換過程結束信號，“1”表示轉換結 束，由定時器延時觸發(fā)；B3，監(jiān)控畫面緊急停止按鈕；B4，操作臺緊急停止按鈕；S8，與該 設備存在聯(lián)鎖關系的其他設備運行狀態(tài)；S9，該設備PLC 控制輸出狀態(tài)，為“1”表示PLC 控制線路接通。 [align=center] 圖1 單臺設備起/停控制梯形圖[/align] 4.2 破碎機恒定負荷控制 Nordberg HP 圓錐破碎機是本次項目改造中的關鍵設備，為使其穩(wěn)定在最佳工作負荷狀 態(tài)，達到最大處理能力，采用恒定功率控制方式，以主傳動電機的功率（電流）作為被控參數(shù)， 通過變頻調速，動態(tài)調整給礦皮帶給礦量的大小。經(jīng)實驗分析發(fā)現(xiàn)，若僅以電機功率作為被 控參數(shù)構成單回路控制系統(tǒng)，由于給礦皮帶的傳輸需要一定的時間，即存在純滯后，當給礦 量擾動發(fā)生后，將導致調節(jié)作用大大滯后，且易發(fā)生振蕩，系統(tǒng)動態(tài)品質難以保證。為了克 服系統(tǒng)的純滯后，決定采用串級控制：在給礦皮帶上安裝電子皮帶秤，以給礦量為副參數(shù)， 主傳動電機的功率為主參數(shù)構成串級控制系統(tǒng)，見圖2。 [align=center] 圖2 圓錐破碎機恒定負荷控制方框圖[/align] 由圖可見，當粒度、硬度、黏度等因素發(fā)生變化引起給礦量擾動發(fā)生時，給礦串級控制 系統(tǒng)多了一個副回路，不等擾動影響到負荷功率，副回路立刻進行調節(jié)，從而具有較強的抗 擾動能力，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性和主參數(shù)的控制質量。 5 監(jiān)控站人機界面設計 監(jiān)控軟件采用澳大利亞的CitectSCADA 組態(tài)軟件。CitectSCADA 采用開放式結構，支 持多種型號的PLC 和I/O 設備，只要在組態(tài)時設置PLC 類型和通信參數(shù)，并在監(jiān)控畫面的 控件屬性中設置正確的PLC 位地址或字地址，監(jiān)控軟件就能建立起與PLC 內部地址的連接和 通信。我們利用它強大的圖形組態(tài)技術和豐富的用戶函數(shù)，設計了以下功能：①流程監(jiān)控畫 面（見圖3），通過動態(tài)、變色、閃爍、數(shù)字、棒圖及曲線的方式實時監(jiān)視各電氣設備、工 藝參數(shù)的工況，操作人員點擊畫面按鈕可以實現(xiàn)全線設備單動起/停、聯(lián)動起/停、緊急停車、 現(xiàn)場詢問等控制功能；②生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對設備的起/停時間，班運轉時間、起/停次數(shù)累計 等信息自動記錄并顯示，對于合理安排生產(chǎn)和設備檢修具有重要意義；③自動報表，將生產(chǎn) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)按生產(chǎn)班次定時打?。煌瑫r，在監(jiān)控畫面設計了報表打印按鈕，可以在任何需要的 時候進行打印；④在線操作指導，采用Windows 超級鏈接文本幫助的形式，向操作人員提 供了方便、快捷的查找關于生產(chǎn)工藝操作、軟件使用方法和設備維護等信息；⑤報警功能， 在每幅畫面上都有報警標志，設備故障、工藝參數(shù)異常都會觸發(fā)相應的報警，每個報警都有 詳細的說明和原因解釋，并有完善的報警確認、報警屏蔽和報警歷史記錄；⑥權限安全設置， 通過設置工程師和操作員2 級權限，明確了生產(chǎn)操作和管理職責，防止了誤操作，有效的增 強了系統(tǒng)的安全性、可靠性。 [align=center] 圖3 流程監(jiān)控畫面[/align] 6 運行效果 目前本控制系統(tǒng)已成功投入使用，取得了良好的效果：①生產(chǎn)效率顯著提高。破碎機恒 定負荷控制后，擠滿給礦率由人工操作的60 %左右提高到90 %以上，主機運行負荷功率由 人工操作的170 kW（主機電流28 A）左右，穩(wěn)定提高到200 kW（主機電流33 A） 以上， 處理能力得到充分發(fā)揮，臺時處理量提高15 %，綜合電耗降低了13%；②設備得到有效保 護。破碎機負荷電流和軸溫信號受到監(jiān)控，一旦超限會及時報警和聯(lián)鎖制動，從而解決了因 為堵料造成電機超載、皮帶燒毀以及爆軸的問題；③系統(tǒng)故障率明顯下降，維護工作大大減 少，設備穩(wěn)定運轉得到充分保障；④減少了人員編制，僅需要2 人就完成相當以前5 人的工作。 7 結 語 本文作者創(chuàng)新點：采用S7-300 PLC 和CitectSCADA 過程監(jiān)控組態(tài)軟件，對金礦碎礦生 產(chǎn)控制系統(tǒng)進行了設備改造，實現(xiàn)了生產(chǎn)設備操作的自動控制、聯(lián)鎖保護、數(shù)據(jù)集中顯示和 處理等較為全面的功能。從實際運行的效果來看，該系統(tǒng)設計合理，穩(wěn)定可靠，顯著提高了 生產(chǎn)效率。