選礦廠多級皮帶機控制系統設計與應用

王俊新　江杰

【摘 要】皮帶機分級控制作為選礦作業中的一個重要流程，是一個復雜的非線性時變系統，本文結合巴潤分公司選礦廠300萬t/a選礦廠皮帶機研究了分級過程控制，對皮帶分級控制系統進行了硬件和軟件設計，工程實施證明，本文設計的智能控制系統具有良好的性價比、高可靠性、易于擴展和先進性的特點，為選礦廠的安全、故障提供實時監控。

【關鍵詞】選礦廠；智能控制；設計與應用

0 引言

從全球范圍內看，鋼鐵儲量已處于過剩狀態，鋼鐵和鐵礦石的市場價格持續走低，很難創造可觀的利潤。在自然條件相同的前提下，選礦自動化技術可以幫助選礦廠帶來更多的效益，降低人力成本，提供必備的安全保障[1-2]。選礦生產和作業過程中，皮帶分級控制是比較關鍵的環節，它的作業工序對選礦廠內很多生產指標實現與否有很大的影響，它是磨礦作業的前提，皮帶分級控制的好壞直接對磨礦作業產生影響。皮帶分級過程往往受到很多因素的干擾，其運行的連續性，有多種參數待控制且彼此間具有明顯的相關性。不能僅對運行分過程進行控制，形成閉環控制系統，或是把多個系統重新組合起來，我們需全面控制皮帶分級過程中涉及的各個參數，應用控制算法和優良設備。單純通過人工對皮帶分級進行調節，很難為下一步球磨機發揮最大的處理能力做好鋪墊，溢流粒度也很難保證100%合格。特別在礦石硬度、粒度波動性大、作業指標及其不穩的情況下，其合格率更沒有保證。優質的管理和自動化控制，能夠帶來超額的效益。可見，探討皮帶分級實施智能控制是很有必要的[3-6]。

本論文結合了皮帶分級過程這一重要的工業背景，選取巴潤分公司選礦廠作為研究對象，經過多年對設備改造及設備管理水平的提升，設備運行逐步趨向于穩定，而對于設備管理者來說不斷提升設備管理水平是個永恒的主題，正值此時公司提出了創建國內一流，國際先進的現代化礦山的戰略目標，為了實現公司戰略目標，使我公司的設備管理水平再上一個臺階，于是提出了巴潤選礦廠破碎區域皮帶系統無人值守的課題，此項目實施后不僅可以提升設備管理水平，而且可以極大的起到將本增效的作用。通過分析皮帶分級流程中遇到的控制問題，對巴潤300萬t/a特大型皮帶分級控制系統進行詳細設計。

1 工藝過程

1.1 選礦流程

宏觀上，選礦可分成破碎、磨礦以及篩選這三個核心環節；微觀上，則可將其細分成破碎、篩分分級、磁選以及后期處理等不同工序，鐵礦的選礦工藝流程見圖1。

1.2 磨礦流程

在國內，鐵礦磨礦工藝基本適用兩段磨礦。中小型選礦廠，則以單段磨礦為主。磨礦，一般是通過研磨、沖擊兩種形式實現。對產品進行破碎，使其粒度達到10-300μm。磨碎粒度，可參照礦石內有用礦物實際的浸染粒度，適用的選別方法等進行挑選。

1.3 皮帶分級流程

皮帶分級控制是比較關鍵的環節，它的作業工序，對選礦廠內很多生產指標實現與否有很大的影響，它是磨礦作業的前提，根據篩面篩孔不同的大小，我們可將物料劃分成多種粒度級別，即篩分。篩分分級，適用于那些粒度相對較大的物料。根據介質（一般指的是水）中顆粒自身的沉降速度，同樣可將物料劃分成多個等降級別，即分級。該操作，適用那些粒度相對偏小的物料。粉碎期間，篩分、分級是將粒度適中的物料予以分出，也可以將物料劃分成多種粒度級別。

2 皮帶分級控制系統設計

2.1 皮帶自動控制系統硬件設計

巴潤分公司選廠整體控制體統要求分為三層，第一層為信息層，主要完成集中監控，集中協調控制。設定輸入的操作和下達指令的操作，系統報警，運行管理及所有工藝參數、設備運行顯示、控制過程顯示。第二層為現場控制層（PLC子站），實現數據采集，控制算法的實施，工藝信號的聯鎖等功能；第三層為設備層，即各類智能傳送器、各類接觸器、真空斷路器等執行機構和各種檢測儀器、儀表，完成上層發出的命令和數據采集。破碎過程控制系統流程如圖2所示：

本系統中提及的給礦部分，是由小圓盤給礦機（30個）、小皮帶（數量為6條）共同予以供礦。每組包含5個小圓盤、1條小皮帶；3個小皮帶，可以為2條大皮帶提供礦產，而2條大皮帶則可為球磨機分別予以供礦；系統使用的檢測儀表，主要是電子皮帶秤、粒度計以及濃度計等多種。

電氣控制系統，是由電源控制柜（數量為單臺）、PLC控制柜（數量為2臺）、電氣控制柜（數量為8臺）、電子稱控制柜（數量為2臺）、變頻器（數量為14臺）以及電機等多個部分組成。電源柜，能夠為PLC柜、控制柜以及電子稱控制柜等多個組件進行正常地供電。按照現場相應的工藝標準與要求，為保證系統自身的可靠性，我們通常選擇分布式控制系統，借助HH54P繼電器來對開關量進行有效控制。借助RZG-2100R處理器，完成全部隔離操作。繼電器能對開關量進行有效監控，改進PL相應的控制效果。現場設備的內部驅動亦或是執行，均需遵循PLC下達的指令；運用隔離處理器，將信號傳輸至電氣控制柜上，讓設備能夠在滿足控制要求的情況下運行。

2.2 皮帶自動控制系統軟件設計

巴潤分公司進行選廠工程設計期間，本系統軟件主要由PLC控制程序、計算機監控程序等構件組成。系統軟件編寫主要應用了西門子公司研發的專用軟件，該軟件可實現對系統硬件組態以及通信組態進行編寫，同時還可實現對系統軟件進行編寫。若需對控制程序進行編寫，需應用版本為STEP7 V5.4的軟件，編程方式可選擇結構化程序，首先對控制任務進行劃分，將其劃分為細小的子程序，然后將其編制到各個組織塊中。PLC控制程序包括兩大類，一類是系統程序，另一類是用戶程序。系統程序本身含有系統函數，用戶直接對其進行調用，用戶程序需按照每個用戶提出的控制要求進行編寫，它包括主程序塊，還包括功能塊，此外還有中斷組織塊以及數據塊等。當STEP7軟件編寫好用戶程序以后，需在PLC主機中完成下載工作。系統監控軟件采用的是WINCC軟件，通過對該西門子中的組態軟件加以設計，可實現對生產工藝進行有效調整，同時還可使控制設備保持正常的運行狀態。

STEP7軟件能夠對應用方案進行自動創建，數據可通過項目形式實現管理，如硬件組態數據、模塊參數、通信組態數據、模塊程序等。圖3是該方案的詳細創建流程。

STEP7軟件研究如何對用戶程序進行編寫，同時還闡述了硬件組態以及網絡組態的相關內容，通過對結構化程序進行設計，實現對現場工藝設備進行有效控制。

2.3 系統實現及應用

巴潤分公司對控制系統進行工程設計時，通過引進其他控制系統的相關設計理念，同時借鑒了與控制系統相關的應用經驗。結合控制設備的具體配置以及控制系統的方案設計和流程選擇，考慮到設備選型以及重要的設計環節，要求提出的設計方案必須具備正確的結構，方案必須合理先進，其性價比以及實用性需比其他控制系統更高。

控制系統完成上位機以及下位機的組態，且完成編程和控制電纜以及電氣電纜的連接，同時對其進行多次測試且完成了PLC的供電、輸出以及輸入等信號線的檢查，接下來需對系統進行調試。系統調試有兩個不同階段：模擬、現場調試。

當在線調試進行到一定階段，皮帶分級系統的運行效果以及控制功能將符合設計要求，皮帶運行過程中出現故障時，可及時反饋報警，必要時自動停止皮帶運轉，本系統的運行狀況相對比較穩定，其維護難度相對較小且操作人員也更輕松，因此本系統的應用效果比較好。

3 結論

選礦工藝流程內，皮帶控制系統可以說是非常重要的環節。以巴潤分公司300萬t/a選礦工程為例，探討了皮帶分級控制系統主要的設計過程，在對其他皮帶分級控制系統所取得經驗進行整理和總結的前提下，全面優化控制設備及其選型過程，對控制設備進行科學配置，設計好控制回路以及皮帶分級控制系統內部的功能、結構，實現皮帶機無人值守的智能控制系統。

【參考文獻】

[1]姬長生.露天采礦方法[M].徐州：中國礦業大學出版社，2014.

[2]Stiglitz， J.E.，Toward a General Theory of V and Price Rigidities and Economic Fluctuations，theAmerican Economic Review.1999，89（2）：77-80.

[3]楊琳琳，唐秀英，寧旺云.選礦自動化發展現狀及趨勢[J].現代礦業，2012（4）：116-118.

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[5]韓龍.選礦過程控制的發展現狀和前景展望[J].有色金屬，2000，52（4）：123-125.

[6]王豐雨，張覃，黃宋魏，等.我國選礦自動化評述[J].國外金屬礦選礦，2006，43（8）：18-22.

[責任編輯：田吉捷]