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)線控制系統(tǒng)改造。系統(tǒng)由性價(jià)比高的PLC，工控機(jī)和組態(tài)軟件構(gòu)成。通過PLC編程，實(shí)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(jì)了具有良好的人/過程接口能力的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了過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。
1 引言
近年我國不少礦山企業(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(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，需要對原有控制系統(tǒng)一并進(jìn)行改造。可編程控制器（PLC）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(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)生動直觀、功能豐富的監(jiān)控流程畫面，實(shí)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/?？刂啤⒙?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?、電機(jī)過載（熱繼電器狀態(tài)）的監(jiān)測及自動聯(lián)鎖;②2個(gè)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?？刂坪凸ぷ鳡顟B(tài)監(jiān)測;③粉礦倉超聲波料位計(jì)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(xiàng)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(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(diǎn)，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(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(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，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(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(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，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(shí)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(bào)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(xiǎn)情和故障時(shí)，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(jì)算機(jī)控制方式，正常生產(chǎn)時(shí)使用，操作員在監(jiān)控站畫面實(shí)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(shí)的備用;③就地控制，可以用機(jī)旁電氣開關(guān)實(shí)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(gè)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(shí)觸發(fā)信號;S2，轉(zhuǎn)換開關(guān)處于計(jì)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(shí)器延時(shí)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(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(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(shí)，給礦串級控制系統(tǒng)多了一個(gè)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(jì)
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(shí)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(jì)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(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)擊畫面按鈕可以實(shí)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(jì)，對設(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(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(bào)警功能，在每幅畫面上都有報(bào)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(bào)警，每個(gè)報(bào)警都有詳細(xì)的說明和原因解釋，并有完善的報(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(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)荷電流和軸溫信號受到監(jiān)控，一旦超限會及時(shí)報(bào)警和聯(lián)鎖制動，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
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(shí)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(shí)際運(yùn)行的效果來看，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。
（轉(zhuǎn)載）
