摘 要:本文設(shè)計(jì)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(xiàn)控制系統(tǒng)改造。系統(tǒng)由性?xún)r(jià)比高的PLC,工控機(jī)和組態(tài)軟件構(gòu)成。通過(guò)PLC編程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的全面自動(dòng)控制、聯(lián)鎖保護(hù)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能;運(yùn)用組態(tài)軟件,設(shè)計(jì)了具有良好的人/過(guò)程接口能力的監(jiān)控畫(huà)面,實(shí)現(xiàn)了過(guò)程信息的集中顯示和處理。實(shí)際運(yùn)行表明,該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(guó)不少礦山企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保等各方面日益增長(zhǎng)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(dòng)化水平低,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各種信息缺乏有效的監(jiān)控手段,不能及時(shí)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(duì)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(dòng)控制裝置,具有功能強(qiáng)大、編程靈活、調(diào)試使用方便,且性?xún)r(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn),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(xiàng)目中,決定采用PLC來(lái)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(jì)生動(dòng)直觀(guān)、功能豐富的監(jiān)控流程畫(huà)面,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)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(cāng)通過(guò)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(dòng)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(dòng)篩構(gòu)成閉路;篩下合格產(chǎn)品由4# 皮帶送至粉礦倉(cāng)。在控制上主要是對(duì)破碎、篩分及輸送設(shè)備的起/停控制、聯(lián)鎖控制及保護(hù),以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)記錄,包括:①重板給礦機(jī)、鄂式破碎機(jī)、2臺(tái)圓錐破碎機(jī)、振動(dòng)篩及4臺(tái)皮帶設(shè)備的電機(jī)起??刂?、電機(jī)過(guò)載(熱繼電器狀態(tài))的監(jiān)測(cè)及自動(dòng)聯(lián)鎖;②2個(gè)圓錐破碎機(jī)稀油站、自動(dòng)除鐵裝置、及3臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)起??刂坪凸ぷ鳡顟B(tài)監(jiān)測(cè);③粉礦倉(cāng)超聲波料位計(jì)的信號(hào)監(jiān)測(cè);④控制室與現(xiàn)場(chǎng)各車(chē)間聯(lián)絡(luò)的聲光警示信號(hào)。
本次改造還增加了以下項(xiàng)目:⑤鄂式破碎機(jī)、2臺(tái)圓錐破碎機(jī)和軸瓦溫度監(jiān)測(cè);⑥2臺(tái)圓錐破碎機(jī)的電機(jī)工作負(fù)荷電流監(jiān)測(cè),以實(shí)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(shí)現(xiàn)給礦量控制;⑧控制室原有集中操作臺(tái)和設(shè)備就地開(kāi)關(guān)保留,和PLC控制系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(jí):過(guò)程監(jiān)控站、PLC控制器和現(xiàn)場(chǎng)電氣驅(qū)動(dòng)和信號(hào)檢測(cè)。PLC控制器選用西門(mén)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(diǎn),具體配置為:CPU314,帶有MPI接口,配64k EPROM存儲(chǔ)卡做程序掉電保護(hù);16通道DI模塊SM321,5個(gè);16通道DO模塊SM322,3個(gè);8通道AI模塊SM331,2個(gè);4通道AO模塊SM332,1個(gè);考慮系統(tǒng)的總點(diǎn)數(shù)和今后擴(kuò)展的需要,配置了1個(gè)擴(kuò)展機(jī)架,主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間通過(guò)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(guò)程監(jiān)控組態(tài)軟件。S7-300和監(jiān)控站計(jì)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(guò)MPI電纜進(jìn)行連接。
4 PLC控制功能設(shè)計(jì)
PLC程序是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的核心,設(shè)計(jì)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(diǎn):逆流程起動(dòng),即先起動(dòng)4 # 皮帶機(jī),最后起動(dòng)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(zhǎng)度加以延時(shí)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(mǎn)足較為復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系:①當(dāng)皮帶機(jī)、振動(dòng)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(chē)或嚴(yán)重故障時(shí),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(shí),只向主控室發(fā)出故障信號(hào),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(cè)的軸瓦溫度、電機(jī)負(fù)荷電流和稀油站工作參數(shù)信號(hào)也參與聯(lián)鎖,在信號(hào)超限時(shí)自動(dòng)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(bào)警;④在監(jiān)控站畫(huà)面上及操作臺(tái)都設(shè)有“緊急停止”按鈕,當(dāng)出現(xiàn)重大險(xiǎn)情和故障時(shí),操作“緊急停止”按鈕能立即停止全線(xiàn)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(jì)算機(jī)控制方式,正常生產(chǎn)時(shí)使用,操作員在監(jiān)控站畫(huà)面實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)或單動(dòng);②操作臺(tái)控制,是保留系統(tǒng)原來(lái)的操作方式,作為監(jiān)控站失效時(shí)的備用;③就地控制,可以用機(jī)旁電氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的起/停,滿(mǎn)足設(shè)備檢修、試車(chē)、緊急事故處理的需要;在PLC柜上設(shè)有轉(zhuǎn)換開(kāi)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(guò)對(duì)上述控制功能和PLC各個(gè)輸入輸出信號(hào)的仔細(xì)分析,確定出單臺(tái)設(shè)備的控制邏輯,利用西門(mén)子STEP7編程軟件編寫(xiě)出梯形圖(LAD)程序,見(jiàn)圖1。其中,K為控制設(shè)備起/停的PLC輸出信號(hào),Y為啟動(dòng)邏輯信號(hào),T為停止邏輯信號(hào),由以下信號(hào)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(tái)設(shè)備啟動(dòng)后延時(shí)觸發(fā)信號(hào);S2,轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于計(jì)算機(jī)控制方式;S3,監(jiān)控畫(huà)面單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)方式選擇按鈕,“1”為聯(lián)動(dòng),“0”為單動(dòng);S4,監(jiān)控畫(huà)面單動(dòng)按鈕;S5,控制方式預(yù)轉(zhuǎn)換按鈕;S6,轉(zhuǎn)換開(kāi)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(hào);B1,聯(lián)動(dòng)停止信號(hào),由上臺(tái)設(shè)備停止后觸發(fā)產(chǎn)生;B2,監(jiān)控畫(huà)面停止按鈕;D1,預(yù)轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束信號(hào),“1”表示轉(zhuǎn)換結(jié)束,由定時(shí)器延時(shí)觸發(fā);B3,監(jiān)控畫(huà)面緊急停止按鈕;B4,操作臺(tái)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(xiàn)路接通。
圖1 單臺(tái)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(xiàng)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(dòng)電機(jī)的功率(電流)作為被控參數(shù),通過(guò)變頻調(diào)速,動(dòng)態(tài)調(diào)整給礦皮帶給礦量的大小。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)間,即存在純滯后,當(dāng)給礦量擾動(dòng)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(dòng)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(jí)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(dòng)電機(jī)的功率為主參數(shù)構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng),見(jiàn)圖2。
圖2 圓錐破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制方框圖
由圖可見(jiàn),當(dāng)粒度、硬度、黏度等因素發(fā)生變化引起給礦量擾動(dòng)發(fā)生時(shí),給礦串級(jí)控制系統(tǒng)多了一個(gè)副回路,不等擾動(dòng)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(dòng)能力,提高了系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)
監(jiān)控軟件采用澳大利亞的CitectSCADA組態(tài)軟件。CitectSCADA采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu),支持多種型號(hào)的PLC和I/O設(shè)備,只要在組態(tài)時(shí)設(shè)置PLC類(lèi)型和通信參數(shù),并在監(jiān)控畫(huà)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(hù)函數(shù),設(shè)計(jì)了以下功能:①流程監(jiān)控畫(huà)面(見(jiàn)圖3),通過(guò)動(dòng)態(tài)、變色、閃爍、數(shù)字、棒圖及曲線(xiàn)的方式實(shí)時(shí)監(jiān)視各電氣設(shè)備、工藝參數(shù)的工況,操作人員點(diǎn)擊畫(huà)面按鈕可以實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)設(shè)備單動(dòng)起/停、聯(lián)動(dòng)起/停、緊急停車(chē)、現(xiàn)場(chǎng)詢(xún)問(wèn)等控制功能;②生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),對(duì)設(shè)備的起/停時(shí)間,班運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、起/停次數(shù)累計(jì)等信息自動(dòng)記錄并顯示,對(duì)于合理安排生產(chǎn)和設(shè)備檢修具有重要意義;③自動(dòng)報(bào)表,將生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按生產(chǎn)班次定時(shí)打印;同時(shí),在監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)了報(bào)表打印按鈕,可以在任何需要的時(shí)候進(jìn)行打印;④在線(xiàn)操作指導(dǎo),采用Windows超級(jí)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(bào)警功能,在每幅畫(huà)面上都有報(bào)警標(biāo)志,設(shè)備故障、工藝參數(shù)異常都會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警,每個(gè)報(bào)警都有詳細(xì)的說(shuō)明和原因解釋?zhuān)⒂型晟频膱?bào)警確認(rèn)、報(bào)警屏蔽和報(bào)警歷史記錄;⑥權(quán)限安全設(shè)置,通過(guò)設(shè)置工程師和操作員2級(jí)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(huà)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(mǎn)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(tái)時(shí)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(hào)受到監(jiān)控,一旦超限會(huì)及時(shí)報(bào)警和聯(lián)鎖制動(dòng),從而解決了因?yàn)槎铝显斐呻姍C(jī)超載、皮帶燒毀以及爆軸的問(wèn)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(yǔ)
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用S7-300 PLC和CitectSCADA過(guò)程監(jiān)控組態(tài)軟件,對(duì)金礦碎礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備改造,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備操作的自動(dòng)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(shí)際運(yùn)行的效果來(lái)看,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,穩(wěn)定可靠,顯著提高了生產(chǎn)效率。
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