选矿厂自动监控系统的设计与实现

冶金行业的选矿厂工艺流程包括给矿、破碎和磨浮几个主要生产过程，生产环境恶劣、自动化水平较低,有的甚至采用手动给矿，人工观察出矿矿浆粒度、浓度，根据人工判断的磨机负荷对给矿机的运行状况进行调节。由于调节不及时，运行不稳定，常常使磨机出现“空腹”或“胀肚”的现象，影响整个磨浮工艺流程的质量。因此，选矿厂自动控制系统的实现意义重大。
同时，由于选矿厂工艺流程的特点，大的用电设备较多，如颚式破碎机、磨机等；有的甚至是高压设备,成为生产环境中的干扰源，有高压电磁场干扰、强电信号干扰、大型用电设备启／停信号的干扰等,合理采用有效的防干扰措施，才能使自动控制系统正常稳定的运行。
选矿厂自动监控系统的实现应本着“简捷、安全、实用、可靠”的原则，及时掌握和了解工艺流程中各设备的运行工况、工艺参数的变化，优化工艺流程，保证工艺流程稳定、安全的运行，并降低运行成本,提高管理水平，使之长期正常稳定地运行、取得最佳效益。
结合铁匠石选矿厂工艺流程对选矿厂自动监控系统进行设计，该系统实现的要点是：可靠性和稳定性,使整个流程安全生产有保障；适用性，满足并优化配送流程的生产和管理；易操作和维护，全中文界面和信息,结构简单合理，且维护方便；兼容性，系统是软硬件一体化的整体，要求具有兼容性；扩展性,为系统的升级和技术改造的实现留有可扩展空间；开放性，控制系统具有良好的开放性。
1工艺流程
工艺流程如图1示。原矿经颚式破碎机粗碎后由皮带输送机输送到中碎和细碎进行进一步的破碎，细碎处理后的矿石由皮带输送至中间仓暂存，之后由振动筛进行筛分，筛下的为成品矿,由皮带输送机和卸料小车输送到粉矿仓中；筛上的经皮带输送机返回到中碎和细碎再次进行破碎。成品矿经皮带输送机至磨机进行磨矿处理，对磨机排出的矿浆再进行浮选流程处理，完成整个的选矿生产过程。
在整个处理过程中，卸料小车的给矿控制和磨机的给矿、排矿、浓度控制是工艺流程的重要环节，也是实现自动控制的关键环节。
2自动监控系统设计
自动监控系统在结构设计上充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性和兼容性，设计成一分散控制集中管理的分布式控制系统。系统分设3级，即现场设备信号、控制站和中央操作站，通过DH+网络实现系统的通信，如图2所示。系统设置2台中央操作站、互为冗余，2个控制站，DH+网络的通信距离为600m，控制站之间的最远距离450m。
2.1操作站
中央操作站选用高可靠性的工业PC机，设置在中央控制室,完成自控系统的操作、监视、报警、记录、存储和报表生成等管理功能。其中1台同时兼有工程师站的功能,完成对整个上位机的编程、组态等工作。2台操作站互为冗余,在日常操作管理时可设置成1台监控破碎与给矿流程；另l台监控磨浮流程。系统配置两台打印机,分别完成生产报表和报警打印的功能。操作站主要技术指标:CPU为PIV≥IGHz、≥30G硬盘、2l”彩色显示器、标准键盘、256MB内存、3.5”1.44M软驱、40XD-CDROM。通信卡:1784-PKTX(Rockwell)，支持DH+网通信。
2.2控制站
选用美国Rockwell公司的SLC500系列PLC系统，该系列产品采用框架式结构，高强度工业硬件平台，可耐受振动、高温以及各种恶劣工业电气环境下的干扰，维护简单，不仅具有先进的通信和输入输出能力,而且集成了多个控制功能，体现安全性、扩展性、开放性和系统的可靠性。
系统共设置2个控制站。PLCl站主要处理破碎和给矿工艺流程段的设备信号和工艺参数，设置在1个控制柜内，安放于车间低压配电室内；PLC2站主要处理磨浮工艺段的设备信号和工艺参数,设置在1个控制柜内,安放于车间低压配电室内。以1个控制站(PLC2)为例，基本配置如下：
(1)CPU模块：SLC5／04，提供DH+网络通信功能．1块。
(2)I／O模块：1746系列,选用1746-IBl6(16点开关量输入模块，6个)、1746-OWl6(16点开关量输出模块,2个)、1746-N18(8点模拟量输入模块，3个)、1746-NIO4(4点模拟量输出模块，2个)4类，各类模块的数量根据各控制站实际的I／O点数而定，并预留10％的余量。
(3)电源模块：1746-P3，19．2～28．8VDC，1块。
(4)机架：1746-A13，13槽机架，1个。
(5)其它：DH+专用通信电缆6001TI、75Ω终端电阻、DH+网分支器等。
2.3系统软件
操作站的自动化组态软件选用Wonderware公司的InTouch7.11，它包含大量的图形化工具，允许用户能快速直观地建立监控过程的实时窗口.升级和维护应用系统更快、更方便，具有在线组态、实时和历史趋势、数据采集和处理、灵活的用户定义报表、报警和管理、可扩展的组态向导等。SLC500系列PLC的软件环境为Loixg500，对PLC系统进行配置、数据采集、控制、通信、测试等功能的编程。操作系统软件采用美国微软Windows2000，工具软件为MicrosoftExcel2000。
3给矿过程自动控制
在卸料小车给矿自动控制过程中实现两种给矿方式：定时给矿和随时给矿，根据生产运行状况和生产管理的需要由操作人员选定一种方式。同时对整个破碎和给料过程实现联锁控制，如图3所示。
在每个矿仓上装有限位开关，用以判断卸料小车在运行过程中的位置，在矿仓两端装有限位开关,用以控制卸料小车不致运行出边界。
(1)定时给矿。每间隔一定时间分别按顺序给1#～5#矿仓给矿一定时间,其间收到料仓上限信号立即停止本料仓的给料，转向下1个料仓。给料的间隔时间和每个仓的给矿时间是可人为设定并修改的。
(2)随时给矿。随时给各矿仓料，以料仓下限信号为给料信号。当矿仓下限信号产生时，小车运行到该矿仓进行给料，直到料仓达到上限才停止给料。若同时有2个以上的料仓产生下限信号，则按1#～5#的顺序进行给矿。
(3)给料联锁控制。系统按工艺流程顺序启动破碎和给料流程中的各台设备(即卸料小车→卸料皮带→运料皮带→筛下皮带→反料皮带→振动筛→皮带输送机→细碎→中碎→皮带输送机→颚式破碎机)，每台设备之间延时启动，延时时间可人为设定和修改，使大的用电设备不致同时启动，减少供配电的压力；停止给料按反流程顺序，同样每台设备之间延时停，延时时间可人为设定和修改，使料走完全，又不浪费能源。在联锁控制过程中同时实现故障联锁控制，当某台设备故障时，立即急停来料流程中的所有设备，顺序停后续流程中的设备，使不发生堵料的现象。为使系统控制稳定，料仓上、下限信号和设备故障信号产生并保持10s后，系统才认为此信号有效，才执行给矿或停机的命令，以免执行误动作信号的命令。
4磨矿过程自动控制
磨矿过程有2套设备，给矿系统含有2台给矿机,分别下矿到给矿皮带,由给矿皮带送到2台磨机进行处理。2套给矿设备和磨机工作原理完全相同。
4.1磨矿过程给矿控制
磨矿给矿系统实现恒定给矿，给矿实现如图4。对每台给矿机进行变频调节，根据安装于给矿皮带上的皮带秤反馈矿量进行频率调节，保持矿量稳定在给定值。
根据现场测试，本系统从开始调节频率到皮带秤检测到矿量变化需1．0～1．5min，滞后时间较长，若采用常规的PID算法，对被控参数偏差的控制不能及时的实时反映出来，造成控制超调、甚至发生振荡。本系统采用采样控制方式，按偏差进行周期性断续控制。
控制原理：当调节输出一个值后，保持该值不变，直到滞后时间到后控制作用才在被控变化中起作用,并根据偏差大小进行下一步的动作。在此控制过程中，控制周期T≥滞后时间t。
为实现无静差，使用PI算法。为减小超调量，缩短调整时间，采用积分分离对PI算法进行优化，使误差减小到一定范围时积分项才起作用。
算法公式如下：
式中，K为分离系数；ε为积分分离的I临界偏差；ei、ej为给矿量与实际矿量的偏差；Kp为比例系数；Ti为积分时间。
系统设计的给矿能力>磨矿能力，变频器的工作频率在正常情况下一般为25～35Hz。当给矿频率达到50Hz而矿量仍不足目标矿量的80％时，认为系统故障，操作站进行报警处理。此状态维持2min后，系统停机，即发生了断矿现象。
4.2磨矿浓度控制
磨机中的给水量直接影响着磨矿效率和质量，由于在磨机内直接测量矿浆浓度比较困难，本系统采用与总给矿量成一定比例地控制磨机前加水的控制方案。如图5所示，采用串级控制方式，磨机内矿浆浓度的控制对象主要取决于向磨机内添加的总给矿量(新给矿量+返砂量)和新加水量，系统根据总给矿量按一定的固液比进行控制。
4.3磨机排矿浓度控制
系统根据总给矿量及前加水量综合发出相应的控制信号来改变磨机排矿给水调节阀的给水量，使排矿给水成比例地跟踪磨机总给矿量，达到排矿浓度始终稳定，保证重选工艺流程对矿浆浓度的要求,同时也满足了浮选工艺流程对矿浆浓度的要求，如图6。
5系统监控功能、
系统通过控制网实现对数据的采集／处理功能、控制功能和管理功能，系统监控功能通过软件体系实现,如图7所示。
(1)数据采集/处理功能。系统采集的数字量信号有电气设备的手/自动信号、运行信号、各种故障信号、电源信号和设备启/停控制信号及工艺流程状态信号等；模拟量信号主要有矿仓料位、皮带秤的给矿量、矿浆流量、矿浆浓度、矿浆粒度、矿浆pH值、给水流量、磨机电流、供电电压、供电有功功率等。
(2)控制功能。实现现场手动控制、单台遥控和自动控制三种控制方式。现场手动控制用于在自动系统停机或故障、电气设备现场维护、现场处理紧急事故时。对每台电气设备均设计单台遥控功能,单台设备的启/停,不影响其它任何设备的状态，多用于单台设备运行、试车、维修等工况，满足生产及安全要求，在操作站上实现。自动控制，按工艺要求自动实现。
(3)操作功能。具有操作方式切换、选择操作、操作员登录、“权限”操作和其它常规操作等，同时均有误操作保护功能，在操作站上实现。
(4)监视功能。系统按工艺流程分给料流程、小车给矿流程、磨矿流程、浮选流程4个工艺流程画面实时显示和监视各流程的运行工况，通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工艺参数的工况，全中文界面。同时可调出以分画面或弹出窗口的形式显示的各设备联锁关系信号状态图。
(5)趋势功能。对各流程被测工艺参数设有实时／历史趋势功能，在操作站上可调出工艺参数的实时／历史趋势曲线。
(6)记录功能。对重要电气设备的启／停、重要操作、故障、紧急停机、参数超限等设有记录功能。
(7)报警功能。系统具有各电气设备故障、参数超限、紧急停机、系统故障、系统软件故障等各种报警，中文提示，并配合声音报警。
(8)历史储存。对数据趋势、报警、记录等历史储存3个月。
(9)报表功能。有报警报表、班／日／月生产报表、趋势记录报表、历史记录报表等，实现定时、随时和实时打印的功能。
6系统防干扰措施
(1)系统结构设计。系统拓扑结构采用树型的总线结构，一个分支上的干扰不会影响到其它分支上。操作站和控制站的各类设备和功能板卡选用具有高抗干扰特性的工业级产品。
(2)供电电源。由于选矿厂大负荷、高压等设备较多，这类设备的启／停往往引起供电网络线路负载突变，引起的电压波动对白控系统的设备威胁很大。采用由变压器副边一个供电支路对自控系统进行单独供电，并同时在供电支路上配置在线式UPS电源，是很有效的措施：
(3)信号线路。采用信号线不与动力线平行敷设，使信号线免于强磁场的干扰；采用屏蔽电线(缆)、结合绞合敷设的方式；对桥架式敷设的现场，应使用双绞线或几何中心重合的四芯线(缆)；对采用穿管敷设的方式,尽量避开上下水、通风及工艺金属管道。