论文部分内容阅读
摘要：随着有色冶金矿山规模越来越大，劳动力使用成本越来越高，本文针对有色冶金矿山选矿厂提高自动化水平、选矿指标及设备的监测能力，对该自动控制系统提出全面的系统设计，设计采用计算机参与的集散控制系统，同过智能仪表、可编程序控制器与上位机通讯实现数据的采集上传，形成完整的控制系统。
关键词：选矿厂；自动控制；方案；设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、概述
选矿生产是一个高度复杂包括专门的设备和过程调节及顺控的工艺过程。由于工艺过程的复杂性，选矿厂的计算机控制系统考虑采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，拟采用开放式标准计算机控制系统西门子公司的SIEMENS S7-400；控制系统采用以太网络（通讯）连接整个系统。各控制站的CPU、监控计算机都在工业以太网中，通讯介质可采用光纤，具有通讯距离远，抗干扰能力强，易于铺设等特点。各控制站CPU采用中大容量的产品，采用电源、通讯模块的热备冗余，分站内各机架间采用REMOTE I/O方式通讯，可扩展能力强。我们在这个工程之所以设计采用冗余的以太网络是考虑其本工程控制系统通讯速度的要求（通讯速率10-100Mbps自适应）、以及全厂控制系统的总体布局要求来考虑。控制系统的设备基本操作有两种方式，即就地手动方式、PLC远方集中方式。
二、控制流程及目标
1）破碎车间工段
各礦仓料位指示、报警，鄂破电机电流，圆锥破电机电流，液压站油温。
2）选矿主厂房
磨矿仓料位指示、报警；
粉矿给矿量指示、记录、累积、调节；
球磨机功率指示；
球磨机负荷量指示；
球磨机给水量指示、累积、调节；
旋流器给矿压力指示、调节；
旋流器给矿流量指示；
旋流器给矿浓度指示、调节；
旋流器溢流粒度指示；
铁精粉量指示、累积；
各泵池液位指示、报警、调节。
3）回水泵站
给水流量指示、记录、累计；
给水压力指示。
4）水源泵站
给水流量指示、记录、累计；
给水压力指示。
5）高位水池
液位指示、报警
6）除尘系统（破碎除尘、筛分除尘、主厂房除尘）
除尘进、出口烟气压力指示；
除尘进、出口烟气流量指示；
除尘灰斗高低料位报警；
除尘出口粉尘浓度指示；
除尘风机风门远方手动操作。
三、硬件配置
计算机控制系统主要由操作站﹑控制站﹑远程I/O站﹑通讯网络等部分组成，具体内容如下：
1）操作站：人机接口（工控机﹑液晶显示器及其附属设备）
2）控制站：PLC主机﹑本地I/O柜
3）远程I/O站：远程I/O柜
4）通讯网络：采用总线形式或者光纤连接
工程采用集中操作﹑监控方式，PLC软件拟选用西门子公司的SIEMENS S7-400 PLC控制系统进行编制的。
四、控制系统
A、基本控制功能
1）信号处理功能
可以处理开关量输入和输出信号、模拟量输入和输出信号（标准信号4-20mA），特殊的采用热电偶和热电阻传感器。
2）显示功能
通过LED监视器，对生产过程进行监视，显示画面包括：通过LED画面颜色可显示设备运行状态、工艺流程画面、组回路显示画面、趋势画面。报警画面、帮助指导画面。
3）操作功能
通过键盘，鼠标等，按照规定的操作权限实现具体操作和数据的输入修改，以及LED的目标捕捉。
4）报警功能
报警信号应可以多级优先级处理，处理方式包括：窗口显示、列表、打印、音响输出，报警确认。
5）打印报表功能
打印输出操作各种生产报表及记录。报警记录，并有汉字功能。班报、日报和月报表可由组态软件及Excel 2000自动生成。另外系统能自动的或应要求打印输出，包括报警事件、操作员动作和归档数据、图形趋势和屏幕硬拷贝列表。
6）系统自诊断及维护功能
可对系统本身进行高速巡检，随时监视及做出故障诊断，并进行维护。
7）冗余功能：
为保证系统运行的可靠性，考虑如下方法冗余：PLC主机的CPU模件，电源模块，通讯系统冗余。
所有的工艺的和附属的电动设备均由PLC系统来监控。对于胶带机和其它特定的设备在设备启动前发出一段时间的预报信号，以便PLC执行“安全起动”。在管理上，依据现代化管理网的功能，实现宏观管理自动化，以决策定控制：用生产指标和成本指标及各种原料原始技术指标为总要求，制定或产生控制系统各分项目标值，达到决策管理控制的“准Lever 3”的控制水平。
B、控制方式
控制系统的集中控制地点在主控室的集中控制室内，通过HMI对全厂各生产控制系统的工艺流程及其设备进行集中操作和运行监视，满足过程控制的要求。
控制方式有两种，一是机旁操作，二是集中联锁。
机旁操作为手动操作控制方式。将设备现场机旁操作箱上的工作制转换开关置于“机旁”位置，由机旁操作箱上的控制按钮控制设备起动及停止，并有必要的安全保护，该方式适用于参与联锁的所有设备。且仅在单个设备的维修及试运行时才使用该方式。该操作方式特点见下表。
集中联锁方式为自动操作控制方式。设备现场的机旁操作箱上工作制选择开关置于“自动”位置，在HMI的操作画面上对各生产控制系统的工艺流程构成进行料线选择、系统启动和停车等操作。PLC控制系统运行用户应用程序及执行监控站的指令，对生产控制系统中的联锁设备进行集中联锁控制。
动作：集中联锁控制。在这种方式下，安全联锁如跑偏、打滑、过负荷跳闸等及过程联锁均可通过PLC发出故障报警并起保护作用。
指示：设备运行、设备停车、过负荷跳闸及方式选择开关位置在HMI的监控站上显示。
报警：在这种操作方式下，启动预告电铃、接入PLC的安全报警以及系统故障报警均有效。
注：以上控制方式中，设备的启动、运行、停止除硬线保护外，均需经过PLC的用户应用程序确定OUTPUT输出指令，接点至设备控制回路来完成。
自动控制方式中，通过PLC的用户应用程序确定OUTPUT输出指令，OUTPUT以无源接点方式接入设备控制回路。由OUTPUT输出的指令状态，完成相应设备的控制。
C、控制原则
各生产控制系统均按照以下控制原则：
1）系统料线选择
生产控制系统在起动之前，按照生产的需要，必须对构成该系统生产工艺流程的料线分支进行选择，料线选择在控制系统监控站上完成物料从起点、中间点至终点选择的作用。当流程的料线不完整时，不允许系统启动。
2）系统检查
料线选择完毕，应对所选料线的工艺流程正确与否进行检查，通过控制系统监控站的检查键完成，其目的是：确定工艺流程选择的正确性；确定生产予告电铃系统正常；确定构成该料线的设备具备起动条件。当料线选择不合理时，系统不允许系统启动。起动条件包括：设备供电主回路电源上电；设备控制回路电源上电；设备供电保护回路正常；设备机旁操作箱上工作制转换开关处于集中联锁位置；设备事故开关处于非事故状态；皮带机处于非跑偏状态；其他准备条件。
3）系统起动
系统具备起动条件后，通过监控画面的起动按钮进行起动；系统起动时，按照软件执行，首先发出系统予告电铃（间歇鸣响），当预先设定的预告电铃时间结束后，设备处于起动过程。所选料线最后设备起动完毕，系统起动状态结束，转入正常生产状态。
设备按电气联锁方向间隔数秒时间顺序起动，按逆料线方向顺次起动设备（防止堆料），以躲过电动机尖峰电流为目以确定起动间隔时间（高压电机除外）；直至系统进料头部设备，系统起动完毕，进入正常生产过程。当起动过程中出现设备条件不够、超过单台设备规定的起动时间、起动失败、发生故障、人为干预等不允许系统继续起动的情况时，系统将按照软件设定的处理方式自动中止系统起动并发出警报。
配料混合料系统中，自动配料环节中还需具有紧急停车后再启动的同时起动功能。
4）事故報警
生产设备设有轻事故报警及重事故报警。
轻事故报警只提示设备的事故状态，以便操作人员了解设备状况并及时组织维护人员对设备进行必要的维护。如皮带机等生产设备可在轻跑偏状态下不影响生产继续保持工作状态。当发生轻事故时，系统发出轻事故报警信号。监控画面上的事故报警发生颜色的变化并闪烁，报警信息中提示发生事故的设备和事故原因。
重事故报警是对生产设备进行的必要保护。此情况下，由软件实现对故障的判断，并采取相应停车方式以保证人身、设备的安全。如皮带机重跑偏及打滑等重事故，引起设备按电气联锁方向联锁停车。
轻、重事故报警信息及其解除信息均可按照时间或其他顺序在服务器（或指定计算机）内加以归档、保存，方便查询和生产管理。
5）系统停车
系统停车方式有两种：顺序停车和紧急停车。
顺序停车为生产系统的正常停车，顺序停车时设备按工艺流程方向及间隔给料设备物料排空所需的时间延时依次停车，直至最末台设备。紧急停车是一种非正常停车，是设备将受到损坏或人身有伤害危险等紧急情况下时，采取的紧急措施。紧急停车时，所有在线生产设备带料全线立即停车。
D、PLC及MMI主要指标
计算机系统及其重要的外围设备使用220V智能不间断交流电源（UPS）。PLC主机处理器内存容量达到2M以上。实时多任务处理功能。PLC系统中I/O模件可带电插拔，更换故障模件时（除CPU模件外），能继续维持系统正常运行DI模件采用AC220V隔离模件16或32点信号处理量，DO模件采用DC24V 16或32点信号处理量，通过PLC专用输出继电器与设备操作系统隔离。AI/AO模件采用4-20mA标准信号模件8或16点/8或16点信号处理量，利用隔离器与现场信号进行安全隔离。每个模件配备单用的电源保护开关。
MMI人机接口设备、EWS工程师工作站设备等全部采用工业标准PC机-工控机。工控机基本配置要求采用Pentium Ⅴ CPU 主频3.0G、RAM内存4GB、硬盘500G、CRT21″、CDROM。配置的各种系统软件、中文环境的开发平台均基于Windows 2000平台下的。编程软件能直接在线监控数据，在线与离线编程，硬件组态方便，为事件记录配置一套喷墨打印机。
参考文献：
1、选矿设计手册冶金工业出版社
2、传感器产品选型设计、技术参数与性能检测及相关技术标准应用手册中国知识出版社
关键词：选矿厂；自动控制；方案；设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、概述
选矿生产是一个高度复杂包括专门的设备和过程调节及顺控的工艺过程。由于工艺过程的复杂性，选矿厂的计算机控制系统考虑采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，拟采用开放式标准计算机控制系统西门子公司的SIEMENS S7-400；控制系统采用以太网络（通讯）连接整个系统。各控制站的CPU、监控计算机都在工业以太网中，通讯介质可采用光纤，具有通讯距离远，抗干扰能力强，易于铺设等特点。各控制站CPU采用中大容量的产品，采用电源、通讯模块的热备冗余，分站内各机架间采用REMOTE I/O方式通讯，可扩展能力强。我们在这个工程之所以设计采用冗余的以太网络是考虑其本工程控制系统通讯速度的要求（通讯速率10-100Mbps自适应）、以及全厂控制系统的总体布局要求来考虑。控制系统的设备基本操作有两种方式，即就地手动方式、PLC远方集中方式。
二、控制流程及目标
1）破碎车间工段
各礦仓料位指示、报警，鄂破电机电流，圆锥破电机电流，液压站油温。
2）选矿主厂房
磨矿仓料位指示、报警；
粉矿给矿量指示、记录、累积、调节；
球磨机功率指示；
球磨机负荷量指示；
球磨机给水量指示、累积、调节；
旋流器给矿压力指示、调节；
旋流器给矿流量指示；
旋流器给矿浓度指示、调节；
旋流器溢流粒度指示；
铁精粉量指示、累积；
各泵池液位指示、报警、调节。
3）回水泵站
给水流量指示、记录、累计；
给水压力指示。
4）水源泵站
给水流量指示、记录、累计；
给水压力指示。
5）高位水池
液位指示、报警
6）除尘系统（破碎除尘、筛分除尘、主厂房除尘）
除尘进、出口烟气压力指示；
除尘进、出口烟气流量指示；
除尘灰斗高低料位报警；
除尘出口粉尘浓度指示；
除尘风机风门远方手动操作。
三、硬件配置
计算机控制系统主要由操作站﹑控制站﹑远程I/O站﹑通讯网络等部分组成，具体内容如下：
1）操作站：人机接口（工控机﹑液晶显示器及其附属设备）
2）控制站：PLC主机﹑本地I/O柜
3）远程I/O站：远程I/O柜
4）通讯网络：采用总线形式或者光纤连接
工程采用集中操作﹑监控方式，PLC软件拟选用西门子公司的SIEMENS S7-400 PLC控制系统进行编制的。
四、控制系统
A、基本控制功能
1）信号处理功能
可以处理开关量输入和输出信号、模拟量输入和输出信号（标准信号4-20mA），特殊的采用热电偶和热电阻传感器。
2）显示功能
通过LED监视器，对生产过程进行监视，显示画面包括：通过LED画面颜色可显示设备运行状态、工艺流程画面、组回路显示画面、趋势画面。报警画面、帮助指导画面。
3）操作功能
通过键盘，鼠标等，按照规定的操作权限实现具体操作和数据的输入修改，以及LED的目标捕捉。
4）报警功能
报警信号应可以多级优先级处理，处理方式包括：窗口显示、列表、打印、音响输出，报警确认。
5）打印报表功能
打印输出操作各种生产报表及记录。报警记录，并有汉字功能。班报、日报和月报表可由组态软件及Excel 2000自动生成。另外系统能自动的或应要求打印输出，包括报警事件、操作员动作和归档数据、图形趋势和屏幕硬拷贝列表。
6）系统自诊断及维护功能
可对系统本身进行高速巡检，随时监视及做出故障诊断，并进行维护。
7）冗余功能：
为保证系统运行的可靠性，考虑如下方法冗余：PLC主机的CPU模件，电源模块，通讯系统冗余。
所有的工艺的和附属的电动设备均由PLC系统来监控。对于胶带机和其它特定的设备在设备启动前发出一段时间的预报信号，以便PLC执行“安全起动”。在管理上，依据现代化管理网的功能，实现宏观管理自动化，以决策定控制：用生产指标和成本指标及各种原料原始技术指标为总要求，制定或产生控制系统各分项目标值，达到决策管理控制的“准Lever 3”的控制水平。
B、控制方式
控制系统的集中控制地点在主控室的集中控制室内，通过HMI对全厂各生产控制系统的工艺流程及其设备进行集中操作和运行监视，满足过程控制的要求。
控制方式有两种，一是机旁操作，二是集中联锁。
机旁操作为手动操作控制方式。将设备现场机旁操作箱上的工作制转换开关置于“机旁”位置，由机旁操作箱上的控制按钮控制设备起动及停止，并有必要的安全保护，该方式适用于参与联锁的所有设备。且仅在单个设备的维修及试运行时才使用该方式。该操作方式特点见下表。
集中联锁方式为自动操作控制方式。设备现场的机旁操作箱上工作制选择开关置于“自动”位置，在HMI的操作画面上对各生产控制系统的工艺流程构成进行料线选择、系统启动和停车等操作。PLC控制系统运行用户应用程序及执行监控站的指令，对生产控制系统中的联锁设备进行集中联锁控制。
动作：集中联锁控制。在这种方式下，安全联锁如跑偏、打滑、过负荷跳闸等及过程联锁均可通过PLC发出故障报警并起保护作用。
指示：设备运行、设备停车、过负荷跳闸及方式选择开关位置在HMI的监控站上显示。
报警：在这种操作方式下，启动预告电铃、接入PLC的安全报警以及系统故障报警均有效。
注：以上控制方式中，设备的启动、运行、停止除硬线保护外，均需经过PLC的用户应用程序确定OUTPUT输出指令，接点至设备控制回路来完成。
自动控制方式中，通过PLC的用户应用程序确定OUTPUT输出指令，OUTPUT以无源接点方式接入设备控制回路。由OUTPUT输出的指令状态，完成相应设备的控制。
C、控制原则
各生产控制系统均按照以下控制原则：
1）系统料线选择
生产控制系统在起动之前，按照生产的需要，必须对构成该系统生产工艺流程的料线分支进行选择，料线选择在控制系统监控站上完成物料从起点、中间点至终点选择的作用。当流程的料线不完整时，不允许系统启动。
2）系统检查
料线选择完毕，应对所选料线的工艺流程正确与否进行检查，通过控制系统监控站的检查键完成，其目的是：确定工艺流程选择的正确性；确定生产予告电铃系统正常；确定构成该料线的设备具备起动条件。当料线选择不合理时，系统不允许系统启动。起动条件包括：设备供电主回路电源上电；设备控制回路电源上电；设备供电保护回路正常；设备机旁操作箱上工作制转换开关处于集中联锁位置；设备事故开关处于非事故状态；皮带机处于非跑偏状态；其他准备条件。
3）系统起动
系统具备起动条件后，通过监控画面的起动按钮进行起动；系统起动时，按照软件执行，首先发出系统予告电铃（间歇鸣响），当预先设定的预告电铃时间结束后，设备处于起动过程。所选料线最后设备起动完毕，系统起动状态结束，转入正常生产状态。
设备按电气联锁方向间隔数秒时间顺序起动，按逆料线方向顺次起动设备（防止堆料），以躲过电动机尖峰电流为目以确定起动间隔时间（高压电机除外）；直至系统进料头部设备，系统起动完毕，进入正常生产过程。当起动过程中出现设备条件不够、超过单台设备规定的起动时间、起动失败、发生故障、人为干预等不允许系统继续起动的情况时，系统将按照软件设定的处理方式自动中止系统起动并发出警报。
配料混合料系统中，自动配料环节中还需具有紧急停车后再启动的同时起动功能。
4）事故報警
生产设备设有轻事故报警及重事故报警。
轻事故报警只提示设备的事故状态，以便操作人员了解设备状况并及时组织维护人员对设备进行必要的维护。如皮带机等生产设备可在轻跑偏状态下不影响生产继续保持工作状态。当发生轻事故时，系统发出轻事故报警信号。监控画面上的事故报警发生颜色的变化并闪烁，报警信息中提示发生事故的设备和事故原因。
重事故报警是对生产设备进行的必要保护。此情况下，由软件实现对故障的判断，并采取相应停车方式以保证人身、设备的安全。如皮带机重跑偏及打滑等重事故，引起设备按电气联锁方向联锁停车。
轻、重事故报警信息及其解除信息均可按照时间或其他顺序在服务器（或指定计算机）内加以归档、保存，方便查询和生产管理。
5）系统停车
系统停车方式有两种：顺序停车和紧急停车。
顺序停车为生产系统的正常停车，顺序停车时设备按工艺流程方向及间隔给料设备物料排空所需的时间延时依次停车，直至最末台设备。紧急停车是一种非正常停车，是设备将受到损坏或人身有伤害危险等紧急情况下时，采取的紧急措施。紧急停车时，所有在线生产设备带料全线立即停车。
D、PLC及MMI主要指标
计算机系统及其重要的外围设备使用220V智能不间断交流电源（UPS）。PLC主机处理器内存容量达到2M以上。实时多任务处理功能。PLC系统中I/O模件可带电插拔，更换故障模件时（除CPU模件外），能继续维持系统正常运行DI模件采用AC220V隔离模件16或32点信号处理量，DO模件采用DC24V 16或32点信号处理量，通过PLC专用输出继电器与设备操作系统隔离。AI/AO模件采用4-20mA标准信号模件8或16点/8或16点信号处理量，利用隔离器与现场信号进行安全隔离。每个模件配备单用的电源保护开关。
MMI人机接口设备、EWS工程师工作站设备等全部采用工业标准PC机-工控机。工控机基本配置要求采用Pentium Ⅴ CPU 主频3.0G、RAM内存4GB、硬盘500G、CRT21″、CDROM。配置的各种系统软件、中文环境的开发平台均基于Windows 2000平台下的。编程软件能直接在线监控数据，在线与离线编程，硬件组态方便，为事件记录配置一套喷墨打印机。
参考文献：
1、选矿设计手册冶金工业出版社
2、传感器产品选型设计、技术参数与性能检测及相关技术标准应用手册中国知识出版社