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。某金礦在碎礦生產環(huán)節(jié)引進了Nordberg HP圓錐破碎機，以進一步優(yōu)化生產指標和提高效率。但是該礦原先采用的碎礦生產控制系統(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效率的發(fā)揮。因此，需要對原有控制系統(tǒng)一并進行改造。可編程控制器（PLC）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2# 皮帶給入振動篩，篩上產品經3# 皮帶返回短頭圓錐破碎機進行細碎，細碎產品匯入2# 皮帶，與振動篩構成閉路;篩下合格產品由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/停控制、聯(lián)鎖控制及保護，以及對設備運行狀態(tài)和關鍵參數的監(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停控制、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。
圖1 單臺設備起/停控制梯形圖
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，通過變頻調速，動態(tài)調整給礦皮帶給礦量的大小。經實驗分析發(fā)現(xiàn)，若僅以電機功率作為被控參數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，主傳動電機的功率為主參數構成串級控制系統(tǒng)，見圖2。
圖2 圓錐破碎機恒定負荷控制方框圖
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，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，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、數字、棒圖及曲線的方式實時監(jiān)視各電氣設備、工藝參數的工況，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生產數據統(tǒng)計，對設備的起/停時間，班運轉時間、起/停次數累計等信息自動記錄并顯示，對于合理安排生產和設備檢修具有重要意義;③自動報表，將生產統(tǒng)計數據按生產班次定時打印;同時，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。
圖3 流程監(jiān)控畫面
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，對金礦碎礦生產控制系統(tǒng)進行了設備改造，實現(xiàn)了生產設備操作的自動控制、聯(lián)鎖保護、數據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，顯著提高了生產效率。
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