小型礦山破碎篩分系統(tǒng)自動化改造設(shè)計及應(yīng)用

杜自彬，王應(yīng)麗，孟書強，趙 虎，朱成睿

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3河南發(fā)恩德礦業(yè)有限公司 河南洛陽 471700

河 南發(fā)恩德礦業(yè)有限公司是加拿大希爾威金屬礦業(yè)有限公司(主要在中國從事礦山項目的收購、勘探、開發(fā)和生產(chǎn)業(yè)務(wù))的一家子公司，現(xiàn)已成為希爾威公司的主力礦山，并發(fā)展成為中國最大的白銀精粉供應(yīng)商，下轄 6 座鉛鋅銀多金屬礦山和 2 座日處理能力超千噸的選廠。

該公司二選廠設(shè)計處理鉛鋅銀礦石規(guī)模為 1 000 t/d，年處理礦石 30.0×104t，服務(wù)年限 31 a，穩(wěn)產(chǎn) 29 a。原礦平均品位為：Pb 4.7%，Zn 3.6%，Ag 312 g/t。精礦產(chǎn)品指標為：Pb 65%(其中 Ag 3 562 g/t)，回收率93%，產(chǎn)率 6.72%；Zn 50%(其中 Ag 413g/t)，回收率 81.5%，產(chǎn)率 5.87%。尾礦產(chǎn)率 87.41%，尾礦品位為：Pb 0.35%，Zn 0.23%，Ag 55.36 g/t，破碎最終粒度≤15 mm，精礦含水率≤12%[1]。

1 工藝流程及主要設(shè)備

破碎篩分系統(tǒng)工藝流程如圖 1 所示，采用三段一閉路流程，碎礦給料粒度為 500～0 mm，最終產(chǎn)品粒度為 15～0 mm。主要設(shè)備：粗碎采用 1 臺 PE-800×1100 顎式破碎機，中碎采用 1 臺 PYH－3CC 圓錐破碎機，細碎采用 1 臺 PYHD－5C 圓錐破碎機，篩分采用 1 臺 KR3060 振動篩，處理量為 162 t/h，設(shè)備作業(yè)率為 61.7%。該系統(tǒng)包含 5 條帶式輸送機(其中 3 條為大傾角帶式輸送機)，運行維護成本較高。現(xiàn)崗位配置操作人員 18 人，由于大傾角帶式輸送機在運行中易產(chǎn)生粉塵，崗位危害也較大。

圖1 破碎篩分系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of crushing and screening system

2 存在的問題及改造目標

二選廠現(xiàn)有破碎、篩分工段的設(shè)備操作全部為就地、人工操控，給料量全憑操作人員經(jīng)驗，易造成設(shè)備過負荷跳閘或給料量過小，生產(chǎn)效率低下。同時需要對設(shè)備運行情況進行全程跟蹤，人員配置多、勞動強度大，而且現(xiàn)場噪聲、粉塵較大，不利于職業(yè)病防護。

改造目標是通過對選廠破碎篩分系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備進行自動化、集中控制改造，實現(xiàn)設(shè)備運行參數(shù)實時監(jiān)控，輸送設(shè)備和給料設(shè)備聯(lián)鎖，并保證細碎圓錐破碎機滿腔給料等，以降低設(shè)備故障率及工人的勞動強度和接塵概率，提高設(shè)備運轉(zhuǎn)率和碎礦臺效，達到降低能耗，最終實現(xiàn)“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的智慧礦山建設(shè)目標。

3 改造措施

采用中控室增加工控機(工業(yè)級電腦)，通過博圖 WINCC 軟件組態(tài)操作畫面，以西門子 S7-1200 系列 PLC 為核心的就地控制柜并進行編程的技術(shù)方案。PLC 控制方式采用多站式分布式控制，在粗破碎、中細碎、篩分工段分別加裝就地 PLC 站，通過 TCP/IP以太網(wǎng)通信方式連接各個子站，實現(xiàn)在中控室全流程控制、設(shè)備分別單獨啟停、全系列設(shè)備一鍵啟停等功能。

根據(jù)現(xiàn)場工藝和設(shè)備實際布置情況，控制系統(tǒng)共采用 5 個西門子 S7-1200 系列 PLC 作為主站，其中粗破碎車間、中細碎車間、篩分車間分別設(shè)置 1 個S7-1200 主站，用于控制本車間的設(shè)備，新增的控制柜與原有啟動控制柜并排放置，以減少電纜敷設(shè)工作量[2]。

中碎液壓潤滑站及細碎液壓潤滑站原本自帶就地控制箱，控制回路為傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)，操作和指示采用就地按鈕和指示燈，不具備通信能力和改造潛力。因此決定采用整體替換的改造方式，替換后的液壓潤滑站就地操作箱采用 PLC+觸摸屏的控制方式。PLC完成原有繼電器系統(tǒng)的液壓泵、潤滑泵、加熱器啟停控制功能，觸摸屏作為就地操作的人機界面替代原有的按鈕和指示燈。

3.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

如圖 2 所示，控制系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，中控室工控機與分布在現(xiàn)場車間內(nèi)的 5 個 S7-1200 PLC 控制站接在同一臺交換機上，中碎液壓潤滑站觸摸屏、細碎液壓潤滑站觸摸屏通過交換機分別與對應(yīng)的 PLC連接。為了兼容未來智能化控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，還預(yù)留了第三方系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信接口，通信協(xié)議為OPC 協(xié)議。

西門子 PLC CPU1214C 本體集成了 1 個 PROFINET 通信口，支持以太網(wǎng)和基于 TCP/IP 的通信協(xié)議，使用這個通信口可以實現(xiàn) S7-1200 CPU 之間的通信，以及與編程設(shè)備、觸摸屏、PC 端 WinCC 人機界面之間的通信。這個 PROFINET 物理接口采用 RJ45口，支持 10/100 Mb/s 網(wǎng)線直連和交叉連接。

3.2 硬件設(shè)計

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)簡圖Fig.2 Sketch of control system network

控制系統(tǒng)在硬件架構(gòu)上分為上位監(jiān)控部分和下位控制部分，其中上位監(jiān)控部分采用單站結(jié)構(gòu)，即采用1 臺工控機，同時承擔(dān)服務(wù)器、工程師站、操作員站的角色，在滿足功能需要的前提下，最大程度地降低成本[3]。

工控機首先需要滿足人機界面和 PLC 編程工作，實現(xiàn)操作員監(jiān)視和操作功能；同時還可作為服務(wù)器存儲控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，包括報警、日志、事故記錄追憶等。工控機的配置要求如表 1 所列。

表1 工控機配置要求Tab.1 Configuration requirements of industrial personal computer

現(xiàn)場控制核心設(shè)備為西門子 S7-1200 系列 PLC，CPU 型號為 1214C，該 CPU 是西門子主推的 1200 系列緊湊的高性能 CPU，自帶有 24 點集成輸入/輸出、可擴展 1 個信號板、8 個信號模板、3 個通信模塊。中碎和細碎潤滑液壓站現(xiàn)場操作箱人機界面選用 5.7英寸 KTP600 TFT 觸摸屏，320×240 的像素分辨率足以顯示所需要的參數(shù)，面板支持觸摸操作的同時還配有 6 個可自由組態(tài)的功能鍵，是用于 S7-1200 控制器系統(tǒng)的理想 HMI 組件。

3.3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件 PLC 及工控機人機界面編程均采用 TIA Portal V15 完成，TIA Portal V15 又稱博途V15，是一款由西門子打造的全集成自動化編程軟件，整合了 STEP7、WINCC、STARTDRIVE 等編程軟件，因此只需用博途一個軟件就能對觸摸屏、PLC、驅(qū)動裝置進行編程調(diào)試和仿真操作。

SIMATIC TIA 博途 STEP 7 V15 專業(yè)版用于編程組態(tài) S7-1200、S7-1500、S7-300/400 和 WinAC。S7-1200 PLC 是針對中小型項目開發(fā)的產(chǎn)品，在 DCS項目上應(yīng)用不多，故其編程庫中自帶的標準功能塊很少。為了克服這個缺點，本設(shè)計針對電動機控制、模擬量信號轉(zhuǎn)換等通用功能均編寫了相應(yīng)的 FB 功能塊。如圖 3 所示，在編寫 2 號帶式輸送機控制程序時，只需直接調(diào)用電機塊“MOTOR_S_dd”并且將其背景數(shù)據(jù)塊命名為“2# 皮帶機 DB”就可以了。2 號輸送機人機界面操作面板上的按鈕、指示燈只需要直接訪問對應(yīng)的 DB 塊“2# 皮帶機 DB”，大大簡化了編程和通信組態(tài)工作[4]。

該控制系統(tǒng)人機界面編程采用 SIMATIC TIA 博途 WinCC V15 專業(yè)版完成，博途 WinCC 用于組態(tài)SCADA 系統(tǒng)，配套 WinCC Runtime 專業(yè)版使用。根據(jù)二選廠破碎篩分系統(tǒng)改造項目特點，系統(tǒng)操作畫面分為工藝主流程、中碎油站、細碎油站、報警畫面、趨勢畫面共 5 個畫面[5]。

如圖 4 所示，工藝主流程畫面集中顯示了生產(chǎn)線主要設(shè)備的運行狀態(tài)，操作人員平時通過此畫面即可監(jiān)控整個系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)。當需要查看具體細節(jié)時再通過切換畫面或者畫面彈出框來實現(xiàn)；當單獨對具體設(shè)備進行操作時，只需用鼠標點擊相應(yīng)設(shè)備的圖標即可彈出對應(yīng)的彈出框。

4 結(jié)語

該控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)恩德二選廠破碎篩分自動化改造項目的實際特點和技術(shù)要求，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研、方案制定、工廠設(shè)計、安裝調(diào)試及現(xiàn)場整改等，目前已投入實際運行。現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了減員增效的預(yù)期目標，為中小型礦山自動化改造提供了一種有效解決方案，值得推廣。