石人溝鐵礦破碎系統皮帶機自動控制研究與應用

閆寶軍

（河北鋼鐵集團礦山設計有限公司，河北灤縣063700）

石人溝鐵礦破碎系統為三段一閉路破碎干選流程工藝［1］，后續增加10萬t擴能項目、懸浮干選等工藝技改工程，皮帶機數量已由15條增加至25條。根據石人溝鐵礦的實際需求，結合破碎系統皮帶機現狀，依據“自動化控制+視頻監測”的技術路線，實現皮帶機的全保護系統，其中包括皮帶的跑偏、打滑、防撕裂檢測，料倉料位在線檢測、報警及自動控制布料小車，最終實現皮帶機集中管控+區域巡檢的生產組織方式，達到減人目的。現有系統改造和完善后，對提高系統的可靠性、穩定性和操作運行的簡便性［2］意義重大，同時為破碎設備全壽命周期管理提供數據支撐。

1 現有系統存在的問題和不足

石人溝鐵礦現有破碎控制系統包括西門子S7-300系列PLC控制主站和6個控制分站，主站和分站之間采用PROFIBUS-DP通訊協議進行通訊。中控室內服務端安裝有WINCC7.0組態軟件，時時監控生產系統各個設備運行參數。原控制系統存在線路老化、原理復雜、故障點多和維修難度大等問題，經實地踏勘，石人溝鐵礦破碎車間地面生產系統，主要存在下述6個方面的問題。

（1）皮帶機經常跑偏。當皮帶機皮帶張力的中心線偏離皮帶幾何中心線時，會產生側向力，使得皮帶跑偏。包括：1#皮帶機，機尾落料點為緩床，經常跑偏；5#皮帶機，長度200 m，機尾落料點為自制緩沖托輥，經常跑偏；6#皮帶機和7#皮帶機，皮帶下半截經常跑偏；10#皮帶機，皮帶機頭和中間經常跑偏；11#皮帶機，皮帶上部嚴重跑偏；12#皮帶機，由于皮帶接口問題經常跑偏。

（2）個別皮帶機缺少必要的防撕裂、堵塞、失速等保護開關。個別雖然配備有拉繩、跑偏保護開關，但動作靈敏度設置不合適，經常由于開關誤動作造成設備停機。

（3）現有地面生產系統的視頻監控點數量不足，并且有些監控攝像機已經損壞，需在原有監控點的基礎上進行補充完善。部分攝像機傳輸的是模擬信號，數據經常失真。

（4）皮帶機電機配電柜中未安裝電流互感器，導致在中控室內無法顯示電機運行電流。

（5）PLC從站的I/O模塊不足，后續增加生產設備，需要對其進行擴容。

（6）考慮到本系統分站數目較多，并且現有通訊卡（CP5611）將要停產，今后無法采購備件，變更PLC主站和分站之間通訊協議為以太網Industrial Ethernet，保證數據的傳輸速度和穩定性。

2 生產控制系統升級改造方案

針對石人溝鐵礦破碎系統皮帶機存在的以上問題，制定改造技術方案，利用原有PLC系統進行擴展。改造擴展后的總體系統硬件包括上位機、核心服務器、交換機、光纖、PLC控制主站、皮帶機信號雙向傳輸裝置、現場PLC控制從站、皮帶機變頻器、皮帶機電機、皮帶跑偏開關、皮帶機拉繩開關、皮帶機打滑開關、皮帶機縱向防撕裂開關、皮帶機溜槽堵塞開關、皮帶機液壓調偏器、現場視頻監控箱、視頻攝像機。其系統結構圖如圖1所示。

現場PLC控制從站通過分布在皮帶機上各個位置的各種監測傳感器，把皮帶機的各種參數采集到核心服務器中，對皮帶機進行安全監測；同時能夠通過核心服務器根據采集到的監測數據向PLC控制主站發出指令，PLC控制主站與現場PLC控制從站通信進而控制皮帶機啟停和轉速。達到良好生產效果，消除安全隱患，保證安全生產。帶式輸送機自控設備可根據生產實際情況、各設備的特點以及可能存在的問題，綜合各方面因素后采取報警，緊急停車等措施［3］。多個交換機由光纖連接組成環形數據傳輸網絡，保證數據傳輸穩定性。改造后的系統延長設備使用壽命，優化設備啟停和轉速達到集中、自動控制的目的，操作方便，運行可靠。

2.1 PLC及其擴展模塊硬件設計

在PLC主站內增加工業以太網通訊模塊1臺，型號CP343-1，將西門子300PLC主站與從站的通訊由原來的PROFIBUS-DP調整為以太網Industrial Ethernet。考慮到以后破碎系統皮帶數量的增加，需要使用的PLC主要模塊見表1所示。

2.2 皮帶機保護裝置硬件設計

原有系統皮帶機上面安裝有拉繩開關、跑偏開關、打滑開關、縱向防撕裂開關，經過現場排查和維護均能繼續使用。皮帶機檢測裝置監測到皮帶機跑偏，現場不能自身調節，只能安裝糾偏器，來保證皮帶機連續穩定運行。利用糾偏器使皮帶始終在設定的寬度范圍內運行，避免皮帶跑偏撕帶、跑偏停機、跑偏撒料，確保皮帶機正常運行。對皮帶機電機增加電流監測，使用電流互感器檢測電流信號，同時用電流變送器把電流輸送到PLC模擬量信號采集模塊，上位機畫面實時顯示電機電流。皮帶機保護裝置需要增加的主要設備見表2所示。

2.3 視頻監控部分設計

破碎車間原有視頻監控系統攝像機為模擬信號，畫面不清楚，已經在日常檢修維護中逐步換成數字信號攝像機。需要把余下10臺模擬信號攝像機換成數字信號攝像機，原有模擬信號攝像機位置如下：1號皮帶頭、1號皮帶尾、5號皮帶頭、5號皮帶頭尾、細1頭、細1尾、細2頭、細2尾、6號皮帶頭、6號皮帶尾。另外在1號、5號、6號、11號、13號皮帶中間增加攝像機5臺，合計需要安裝15臺攝像機。

破碎車間現場每個轉運站處均有交換機箱。交換機箱內有信號和電源接口，所安裝攝像機用網線和電源線直接接入交換機箱。交換機箱距離攝像機安裝位置均在100 m之內，不必增加中繼器。每個交換機箱均有光纖連接到破碎車間中控室。此次新增加視頻設備在選型上與原視頻監控系統完全兼容。新增視頻監控設備見表3所示。

2.4 系統軟件設計

根據破碎系統皮帶機的工藝流程和控制要求，系統的程序由主程序、診斷程序和多個子程序組成。PLC編程語言有梯形圖、指令表、順序功能流程圖和功能塊等。梯形圖是一種圖形化的編程語言［4］，本項目使用梯形圖進行編程。系統有閉鎖、集控、就地檢修等多種工作模式［5］。其主程序流程如圖2所示。

3 結語

石人溝鐵礦破碎系統皮帶機自動控制的改造項目堅持充分利用原有自動化、視頻監控、電線電纜等設備設施，最大限度降低項目投資的原則，實現皮帶機運行的全自動保護，其中包括皮帶的跑偏、急停、打滑、防撕裂以及堵料等，料倉料位在線檢測、報警及自動控制布料小車，最終實現皮帶機集中管控+區域巡檢、清掃的生產組織方式。實現碎礦系統皮帶機自動化運行，取消皮帶看護性崗位，最終達到減員增效的目的。該項目的完成對河鋼集團內部其他礦山有著非常好的借鑒意義，為以后的新建和改建項目提供重要依據。