選礦作業控制系統的研究與設計

唐彬

摘要：選礦作業是冶金作業中極其重要的環節，其質量的好壞直接影響到后續作業的指標。本文以選礦作業系統為主要對象，采用計算機技術、現代網絡技術、自動控制技術及現代通信工程（弱電工程），對選礦控制系統進行設計與研究。通過現代自動化控制理論，設計新的控制系統。選礦控制系統包括選礦運轉控制系統和監控系統，通過控制器，感應器和上位機對選礦機及相關設備進行實時監控和控制。結合對選礦控制系統的研究，對其進行硬件設計，主要包括控制器，感應器，上位機，控制設備和檢測儀器的選擇及配置，實現上位機和選礦機之間的通信。

Abstract： Beneficiation operation is an important part of metallurgical operations. The quality of beneficiation operation products has a direct impact on the indicators of follow-up operations. In this paper， the ore dressing operation system is the main object， and the design and research of the mineral processing control system are carried out by using computer technology， modern network technology， automatic control technology and Modern Communication Engineering （weak current engineering）. Through modern intelligent control theory， a new control method is designed. Processing control system including operation control system and monitoring system， processing by the controller， sensors and computer for real-time monitoring and control of the processing machine and related equipment. Based on the analysis of ore control system， the hardware design， mainly includes controller， sensor， computer control， selection and configuration of equipment and testing equipment， realize the communication between PC and concentrator.

關鍵詞：選礦分級系統；選礦控制方案；監控系統；PLC

Key words： beneficiation classification system；beneficiation control program；monitoring system；PLC

中圖分類號：TD9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）32-0097-02

0 引言

本文的主要研究對象是選礦控制系統。整個系統由以下部分組成。①進給礦設備。礦石通過皮帶運送到選礦機中。②緩慢驅動控制。選礦機旁工作區設有柜式操作按鈕箱用來直接控制驅動。③水力器控制。分級礦粒確保滿足接下來作業的要求。④觸摸屏顯示及監控溫度信號，反映出接點信號源。⑤主軸承高低壓潤滑油泵的相關信號的顯示及監測，其中潤滑油壓的大小（控制壓力防止密封泄露）、潤滑油的油位等實時信號進入上位機進行實時監控，同時本系統必須安裝配備的聲光可視化報警系統[1]。

1 選礦控制系統硬件設計方案

選礦控制系統的硬件主要包括以下幾部分：選礦機瓦溫檢控，送礦膠帶控制，集散控制系統，潤滑系統控制，同步電機控制，離合器控制給礦設備控制以及給礦設備控制等。其中電控系統由電源系統，電機系統，PLC系統，液壓系統，電子稱重器系統，檢測反饋系統，電氣控制柜及報警系統構成[2]。一個電氣控制柜集成了大量PLC系統且能實現基本操控功能。根據現場的選礦工藝的要求，控制系統通常采用分布式控制來提高系統的可靠性。

選礦控制系統可對調整上位機的各項預設值來進行控制。系統本身利用聲音對選礦機的礦石裝載量進行判斷，并以此作為判斷“脹肚”的標志[2]。根據對實時聲源信號進行接收，上位機將指令發送給變頻器，通過變頻器進一步控制給礦機。

2 選礦控制系統的主要控制對象

選礦控制系統的硬件在設計和選擇過程中應充分考慮現場的作業情況及現場實際環境，特別是監測設備，控制設備，感應設備及相關通訊部件的選擇，直接決定了設計出的控制系統的可靠性和準確性。

2.1 皮帶電子稱

電子皮帶秤是整個選礦設備中對礦石供應量進行檢測的最主要設備。其能將礦石對皮帶的壓力轉化成相應的電信號進行傳輸。

2.2 離合控制器

氣動離合器是依靠氣壓來推動組件并傳遞動力的部分。氣動離合器具有傳輸動轉矩大，反應速度快，.散熱能力高等優點；當離合器的使用可以補償安裝誤差，降低機械系統的沖擊。

2.3 核子檢測儀

利用核子檢測儀檢測選礦的濃度，可使選礦濃度控制在規定的標準內，保證產品質量，為下一級浮選作業提供前提。

2.4 潤滑系統

潤滑系統是選礦機在工作過程中必不可少的一環，其中潤滑作用可減少機械阻力，摩擦阻力及機械磨損，提升設備的使用時間的工作效率。endprint

2.5 變頻器系統

當控制系統接收到聲源信號并判斷出料位，由上位機向驅動電機發出指令，調節電機的驅動來調節給礦量。電機需采用符合標準的交流電機。變頻器的選擇要考慮作業的實際情況和現場環境以及能否與交流電機互相配合。

變頻器的選擇應滿足變頻器的額定電流/功率大于所驅動電機的額定電流/功率為準。其中變頻器在選擇時應考慮其容量和工作時的余量。[3]

2.6 水位控制

通過相應的傳感器將水位的實時信號經底層控制向上位機反饋，再由上位機對預設水位進行對比，計算出偏差值并進行反饋來完成水位控制。

2.7 水力旋流器

水力旋流器是用分離力對礦粒進行分級的設備，它具有礦粒處理量大（單位容積大），構造簡單，工作效率高，價格優勢大等優勢。特別是水力旋流器的分級效率可達80%～90%并且分級粒度細。

3 PLC硬件設計

根據選礦工藝的現場標準，實際控制對象要選擇合適的控制模塊來構成控制系統。控制系統中的控制器廣泛采用SIMATIC S7-300。由于SIMATIC S7-300是模塊化結構，容易實現分布式配置。S7-300控制器的成本低，可靠性較高，是很多工業控制的首選。

SIMATIC S7-300 PLC主要由CPU，電源，通信模塊和I/O模塊組成，各部分PLC間要使用電纜連接，這樣便構成了整個選礦機選礦控制系統。

各模塊的供電主要由中央機架通過CPU315-2DP來提供，其中中央機架裝配有1個IM365，1個FM335，2個SM332，3個SM322，5個SM321及5個SM331[5-7]。

4 上位機硬件的配置

整個選礦系統中的重要的是監控系統。本系統選擇觸摸屏MP270以保證系統可靠運行。觸摸屏MP270內部設置了24V保護電路可避免因接線錯誤而導致的產品損壞，其通信能力強并且可用于PROFIBUS環境和與PROFINET連接的相應變量。工業以太網通訊可確保監控設備、控制器與上位機三者間都能實現數據和信號的實時傳輸；選礦分級過程可通過監控系統來實現，同時上位機上集成有RS422/485接口，可使控制器與上位機連接起來。

5 各級設備、控制器與上位機之間的通訊

相應的通信協議是實現各級設備，控制器與上位機之間正常通訊的必要保障。工廠管理層監管由現場監控設備、上位機和控制器所組成的監控網絡，這樣就構成了一個現場自動化管理系統。

①現場設備層是使現場和設備相連的中級層。現場設備層將傳感器、各級驅動、執行機構與控制器連接以實現系統的主要控制功能。同時通過主站對選礦系統的實時通信進行管理。主站和從站之間的信息傳輸要通過通訊協議來進行傳輸。

②單元層是由生產車間的各設備的連接組成的，具有生產統計、生產調度及實時監控功能，可以實現在線監控、設備故障報警和故障的維修等，是生產車間中極為重要的環節。其優先級為：傳送容量大>傳輸速度。

③通過集線器與車間管理網連接來形成工廠管理層，可以將各級車間操作工作站連接起來以實現實時生產數據向管理層的傳輸，并實現實時控制。同時工廠管理層通過接收車間管理網的實時數據來實現工廠的自動化控制和實時反饋。

在工廠級自動化控制中，常用的工業通訊方式有：MPI通信，PROFIBUS通信，工業以太網通信，PROFIBUS總線擴展和AS-I總線等。

MPI通信是SIMATIC S7-300默認的一種通信方式，其網絡通信的速率是199.2kbit/s-12Mbit/s，是一種比較常用的通信方式。當通信速率要求不高、通信數據量不大時，可以采用MPI作為一種簡單經濟的通訊方式。

PROFIBUS通信是一種過程現場總線系統，PROFIBUS傳輸速度可在9.6kbaud～12Mbaud范圍內選擇，其傳輸速率與總線長度有關，是PLC與分散的I/O設備之間通信的首選[8]。

工業以太網符合IEEE802.3國際標準的局域和單元網絡用來鏈接工廠自動化設備及操作柜之間的網絡，可及時反饋各設備、操作柜與各級工作站之間的信號，常用于現場級的工業環境。

AS-I是整個工業通訊中最底層的總線，能夠直接與現場的傳感器和執行器等連接，只負責基本的數據采集與傳輸，其的實時性和成本優勢很高。構建一個AS-I網絡，須具備四個單元：AS-I 主站，從站模塊，供電單元及相應的網絡部件[9]。

通信距離可以通過中間繼電器進行擴展。其網絡節點通?？梢話霺IMATIC S7-300，人機界面，編程設備。在選礦機系統中，控制器采用PROFIBUS現場總線和工業以太網通信，與上位機連接，并從站上讀取信息。（在選礦機控制系統中，上位機通過工業以太網通信及PROFIBUS通信讀取從站的信息，并依據從站的信息進行實時控制。

根據現場的控制要求標準，一般選用SIMATIC S7-300，SIMATIC S7-300系列PLC的CPU315-DP帶有PROFIBUS-DP接口，這可使S7-300進行直接通信。同時應使用STEP7（SIMATIC S7-300編程軟件）軟件中的硬件組態進行實際構建，變頻器參數的設定應與控制器相應參數的設置保持一致以實現變頻器網絡地址的分配。

6 結語

本文對選礦機選礦控制系統進行硬件設計，完成整個選礦控制系統的硬件搭設。由于選礦控制系統的復雜性，以及條件的限制，選礦控制系統的研究還可以更加完善。在檢測選礦機的載荷時，不僅要利用聲源來診斷載荷，而且應采用多種檢測方法來判斷礦物材料的位置，從而使檢測到的載荷的可靠性更高。

參考文獻：

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[8]劉有才，劉增良.模糊專家系統原理[M].北京：北京航天好空大學出版社，1995.

[9]Deli Jia， Jinsong He. Research on intelligent control strategy of plasma cutting Process， inControl and Decision Conference （CCDC）， Xuzhou， 2010.endprint