摘 要：本文設(shè)計了一套基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng),，應(yīng)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(jī)和組態(tài)軟件構(gòu)成,。通過PLC編程，實現(xiàn)了對生產(chǎn)設(shè)備的全面自動控制,、聯(lián)鎖保護(hù),、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等功能;運(yùn)用組態(tài)軟件，設(shè)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(yùn)行表明，該系統(tǒng)功能設(shè)計合理，運(yùn)行可靠,，顯著提高了生產(chǎn)效率,。

關(guān)鍵詞：金礦;設(shè)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(jìn)行設(shè)備的更新改造,。某金礦在碎礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)引進(jìn)了Nordberg HP圓錐破碎機(jī),，以進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)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(yīng)各種情況,，加上電氣設(shè)備老化,，故障率高，維護(hù)頻繁,，嚴(yán)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(jìn)行改造,?？删幊炭刂破鳎≒LC）作為一種先進(jìn)的工業(yè)自動控制裝置，具有功能強(qiáng)大,、編程靈活,、調(diào)試使用方便，且性價比高等眾多優(yōu)點,，特別是它適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性,，使它得到廣泛的應(yīng)用。因此在本改造項目中,，決定采用PLC來改造并擴(kuò)展原有控制系統(tǒng)的功能,，并且運(yùn)用組態(tài)軟件，設(shè)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(jī)送入鄂式破碎機(jī)進(jìn)行粗碎,，然后由1# 皮帶給入標(biāo)準(zhǔn)圓錐破碎機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行細(xì)碎,，細(xì)碎產(chǎn)品匯入2# 皮帶,，與振動篩構(gòu)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(shè)備的起/?？刂?、聯(lián)鎖控制及保護(hù)，以及對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測記錄,，包括：①重板給礦機(jī),、鄂式破碎機(jī)、2臺圓錐破碎機(jī),、振動篩及4臺皮帶設(shè)備的電機(jī)起?？刂啤㈦姍C(jī)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(jī)稀油站,、自動除鐵裝置,、及3臺除塵風(fēng)機(jī)起停控制和工作狀態(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(luò)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(jī),、2臺圓錐破碎機(jī)和軸瓦溫度監(jiān)測;⑥2臺圓錐破碎機(jī)的電機(jī)工作負(fù)荷電流監(jiān)測，以實現(xiàn)恒定負(fù)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(shè)備就地開關(guān)保留,，和PLC控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)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(chǔ)上,，確定本監(jiān)控系統(tǒng)采用集中式的控制結(jié)構(gòu),，分為3級：過程監(jiān)控站、PLC控制器和現(xiàn)場電氣驅(qū)動和信號檢測,。PLC控制器選用西門子SIMATIC S7-300,，該型PLC技術(shù)成熟可靠，應(yīng)用廣泛,，具有功能強(qiáng),、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(hù);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(kuò)展的需要,，配置了1個擴(kuò)展機(jī)架,，主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)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(jī),，運(yùn)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(jī)的通信采用MPI接口，在上位機(jī)中安裝CP5613通訊卡,，通過MPI電纜進(jìn)行連接,。

4 PLC控制功能設(shè)計

　　PLC程序是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的核心，設(shè)計內(nèi)容較多,，下面主要介紹生產(chǎn)設(shè)備的起停聯(lián)鎖邏輯控制和破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制,。

　　4.1設(shè)備起停聯(lián)鎖邏輯控制

　　碎礦設(shè)備控制具有以下特點：逆流程起動，即先起動4 # 皮帶機(jī),，最后起動重板給礦機(jī);順流程停機(jī)，即先停重板給礦機(jī),，最后停4 # 皮帶機(jī),，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(hù)設(shè)備及人員安全，還需要滿足較為復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系：①當(dāng)皮帶機(jī),、振動篩,、圓錐破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)中任一設(shè)備發(fā)生非正常停車或嚴(yán)重故障時,，立即停止上游設(shè)備的運(yùn)行,，下游設(shè)備保持原工作狀態(tài)不變;當(dāng)重板給礦機(jī)、除塵器和除鐵裝置等輔助設(shè)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(yùn)行;②重要設(shè)備如圓錐破碎機(jī)等受到監(jiān)測的軸瓦溫度、電機(jī)負(fù)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(jī),，以防止設(shè)備受損;③根據(jù)皮帶機(jī)系統(tǒng)的故障性質(zhì)，進(jìn)行緊急停機(jī),、順序停機(jī)或發(fā)出聲光報警;④在監(jiān)控站畫面上及操作臺都設(shè)有“緊急停止”按鈕,，當(dāng)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(shè)備,。

　　系統(tǒng)從安全可靠,、靈活高效的原則出發(fā)，設(shè)置3種控制方式：①計算機(jī)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(shè)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(jī)旁電氣開關(guān)實現(xiàn)設(shè)備的起/停,，滿足設(shè)備檢修、試車,、緊急事故處理的需要;在PLC柜上設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)和轉(zhuǎn)換預(yù)置按鈕,，可在3種控制方式間進(jìn)行任意轉(zhuǎn)換。

　　通過對上述控制功能和PLC各個輸入輸出信號的仔細(xì)分析,，確定出單臺設(shè)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(shè)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(guān)系產(chǎn)生：L ，與該設(shè)備有聯(lián)鎖關(guān)系的其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);S1,，上臺設(shè)備啟動后延時觸發(fā)信號;S2,，轉(zhuǎn)換開關(guān)處于計算機(jī)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(yù)轉(zhuǎn)換按鈕;S6,，轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)，為“1”表示處于就地控制;S7,，設(shè)備正在運(yùn)行狀態(tài),，是中間繼電器信號;B1，聯(lián)動停止信號,，由上臺設(shè)備停止后觸發(fā)產(chǎn)生;B2,，監(jiān)控畫面停止按鈕;D1，預(yù)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束信號,，“1”表示轉(zhuǎn)換結(jié)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(shè)備存在聯(lián)鎖關(guān)系的其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);S9，該設(shè)備PLC控制輸出狀態(tài),，為“1”表示PLC控制線路接通,。



圖1 單臺設(shè)備起/?？刂铺菪螆D

　　4.2 破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制

　　Nordberg HP 圓錐破碎機(jī)是本次項目改造中的關(guān)鍵設(shè)備，為使其穩(wěn)定在最佳工作負(fù)荷狀態(tài),，達(dá)到最大處理能力,，采用恒定功率控制方式，以主傳動電機(jī)的功率（電流）作為被控參數(shù),，通過變頻調(diào)速,，動態(tài)調(diào)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(jī)功率作為被控參數(shù)構(gòu)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(dāng)給礦量擾動發(fā)生后,，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)作用大大滯后，且易發(fā)生振蕩,，系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)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(jī)的功率為主參數(shù)構(gòu)成串級控制系統(tǒng),，見圖2,。



圖2 圓錐破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制方框圖

　　由圖可見，當(dāng)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(fù)荷功率,，副回路立刻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而具有較強(qiáng)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(zhì)量,。

5 監(jiān)控站人機(jī)界面設(shè)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(jié)構(gòu),，支持多種型號的PLC和I/O設(shè)備,，只要在組態(tài)時設(shè)置PLC類型和通信參數(shù)，并在監(jiān)控畫面的控件屬性中設(shè)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(nèi)部地址的連接和通信,。我們利用它強(qiáng)大的圖形組態(tài)技術(shù)和豐富的用戶函數(shù)，設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的起/停時間,，班運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)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)班次定時打印;同時，在監(jiān)控畫面設(shè)計了報表打印按鈕,，可以在任何需要的時候進(jìn)行打印;④在線操作指導(dǎo),，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(guān)于生產(chǎn)工藝操作,、軟件使用方法和設(shè)備維護(hù)等信息;⑤報警功能，在每幅畫面上都有報警標(biāo)志,，設(shè)備故障,、工藝參數(shù)異常都會觸發(fā)相應(yīng)的報警，每個報警都有詳細(xì)的說明和原因解釋,，并有完善的報警確認(rèn),、報警屏蔽和報警歷史記錄;⑥權(quán)限安全設(shè)置，通過設(shè)置工程師和操作員2級權(quán)限,，明確了生產(chǎn)操作和管理職責(zé),，防止了誤操作，有效的增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性,、可靠性,。



圖3 流程監(jiān)控畫面

6 運(yùn)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(jī)恒定負(fù)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(jī)運(yùn)行負(fù)荷功率由人工操作的170 kW（主機(jī)電流28 A）左右,，穩(wěn)定提高到200 kW（主機(jī)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(shè)備得到有效保護(hù),。破碎機(jī)負(fù)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(jī)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(hù)工作大大減少，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)得到充分保障;④減少了人員編制,，僅需要2人就完成相當(dāng)以前5人的工作,。

7 結(jié)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(jìn)行了設(shè)備改造,，實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備操作的自動控制,、聯(lián)鎖保護(hù)、數(shù)據(jù)集中顯示和處理等較為全面的功能,。從實際運(yùn)行的效果來看,，該系統(tǒng)設(shè)計合理，穩(wěn)定可靠,，顯著提高了生產(chǎn)效率,。

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