西門子S7-300PLC在銅礦濕法選礦脫水處理系統(tǒng)的運(yùn)用

劉博文

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦，江西 德興 334224）

選礦產(chǎn)品處理主要包括精礦脫水和尾礦處理兩部分，其中精礦脫水屬于固液分離的范疇。濕法選礦廠得到的產(chǎn)品，常常含有大量水分。精礦產(chǎn)品在送往燒結(jié)和冶煉之前需脫除多余的水分，否則精礦燒結(jié)和冶煉不能進(jìn)行，同時還會增加運(yùn)輸費(fèi)用[1]。在嚴(yán)寒地區(qū)選礦廠，如精礦水分過多會發(fā)生凍結(jié)，造成貯存和運(yùn)輸上的困難，而在水源缺乏的選礦廠，精礦和尾礦中的水分都需要加以利用。因此，精礦和尾礦均須進(jìn)行脫水，所得到的水返回選礦廠以便繼續(xù)使用。總之，為了便于貯存、運(yùn)輸和滿足燒結(jié)、冶煉的要求，都需要脫去精礦中大量的水分[2]，這是產(chǎn)品處理的一項基本任務(wù)。

1 西門子S7-300PLC簡介

西門子S7-300PLC是德國西門子（SIEMENS）所生產(chǎn)的中檔可編程二進(jìn)制控制器，是模擬式中小型控制系統(tǒng)，其組成部分是獨(dú)立存在的，中央處理器（CPU）、電源（PS）、和其他模塊通過U形總線控制在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軌道上，總線連接器插在各個模塊背后，電源位于機(jī)架的左側(cè)，中央處理器僅靠電源右側(cè)，且處理器右邊是可以選擇的IM接口，當(dāng)系統(tǒng)在不需要使用擴(kuò)展支架時，可以不選擇IM接口。廣泛運(yùn)用于冶金、化工、家電、汽車工業(yè)、印刷等生產(chǎn)線。如：專用機(jī)床、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、通用機(jī)械工程、控制器制造、機(jī)床、樓宇自動化、電氣與電子工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。西門子S7系列在原有PLC優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)主要組件分模塊處理，并增加了標(biāo)準(zhǔn)接口，這極大的擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能。以其體積小、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、處理速度快、操作簡單、靈活、可靠、準(zhǔn)確、便捷、便于維護(hù)、且具備以太網(wǎng)通信能力而著稱，相比其他系列PLC其功能更為強(qiáng)大，可靠性高，隨著S3、S5系列的退市， S7系列PLC儼然發(fā)展成為西門子自動化控制系統(tǒng)的核心部件[3]，在各個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從而帶動工業(yè)制造業(yè)的改革和進(jìn)步。S7-300的中央處理器是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個控制系統(tǒng)的中央控制、存儲、程序執(zhí)行，實現(xiàn)其通信功能。中央處理器有四種工作模式：啟動（STARTUP）、停止（STOP）、運(yùn)行（RUN）和保持（HOLD）。在這四種模式中，可以通過MPI接口與其他設(shè)備連接，實現(xiàn)功能多樣化。其一系列具有不同功率范圍的CPU，以及具有很多用戶友好功能的一系列擴(kuò)展模塊，可以使用戶根據(jù)不同的應(yīng)用情況選擇相應(yīng)的模塊。 如果控制任務(wù)需要擴(kuò)展，可以隨時使用附加模塊對控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，所有控制器都可以使用總線連接多個遠(yuǎn)程從站,根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，分析被控對象的復(fù)雜程度，進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)和I/O點(diǎn)的類型（數(shù)字量、模擬量），適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計，結(jié)合市場情況等選定PLC型號。因此，在未來發(fā)展過程中，各個工業(yè)領(lǐng)域企業(yè)也將不斷研發(fā)、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，作為企業(yè)在市場競爭中取勝的資本。

2 銅精礦脫水處理工藝流程

銅精礦脫水處理系統(tǒng)主要用于濕法選礦精礦的高干度脫水。銅精礦礦漿經(jīng)濃密機(jī)進(jìn)行濃縮,初步分離析出半固態(tài)礦漿和溢流水，半固態(tài)礦漿經(jīng)渣漿泵輸送至壓濾機(jī)，溢流水輸送至沉淀池與藥劑進(jìn)行絮凝反應(yīng)進(jìn)一步泥水分離，去除大量水分，形成半固態(tài)泥漿再輸送至壓濾機(jī)[4]。半固態(tài)礦漿在壓濾機(jī)進(jìn)行擠壓脫水，在高強(qiáng)度的擠壓下，半固態(tài)礦漿體積極度壓縮，排出水分，形成濾餅，再進(jìn)行二次吹風(fēng)，干度再次提升的濾餅輸送至壓濾機(jī)外，輸送皮帶運(yùn)至指定地點(diǎn)。

礦漿進(jìn)入濃密機(jī)、渣漿泵輸送，半固態(tài)礦漿流量控制、清洗、液位檢測、調(diào)速、啟停等整個脫水過程都是在PLC的嚴(yán)密控制下實現(xiàn)邏輯閉環(huán)自動化運(yùn)行[5]。

3 銅精礦脫水處理系統(tǒng)的構(gòu)成

銅礦脫水處理系統(tǒng)以PLC作為控制器，根據(jù)礦漿脫水工藝控制整個過程，系統(tǒng)輸入設(shè)備包含傳感器、智能儀表、形成開關(guān)等，輸出控制以繼電器控制為主，聯(lián)動系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，通過控制電機(jī)、變頻器、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、泵、電磁閥、壓濾設(shè)備、濃密機(jī)等完成指令工作。各個功能模塊擁有獨(dú)立的內(nèi)部供電。PLC控制器是銅礦脫水處理系統(tǒng)的核心裝置，由電源、CPU、存儲器、輸入、輸出、通信模塊等組成。

銅礦脫水處理系統(tǒng)可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，即工程師和操作人員可公用一臺電腦設(shè)備，通過工業(yè)交換機(jī)與主控制器進(jìn)行通信。

控制站選用西門子公司標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊的同時也可以根據(jù)工藝需求，由工程師自行創(chuàng)建定義，分配參數(shù)和互聯(lián)塊。

4 PLC控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 控制原理設(shè)計

S7-300PLC主要采用的是西門子PLC技術(shù)中的中低性能系列，標(biāo)準(zhǔn)的S7-300PLC的模塊主要有電源、中央處理器單元、接口模板、信號模板、功能模板、通信模板。通過現(xiàn)場總線構(gòu)成生產(chǎn)現(xiàn)場局域網(wǎng)，之后作業(yè)管理人員在通過進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，使管理員賬號在系統(tǒng)登錄后，可以對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，并利用系統(tǒng)信息控制實現(xiàn)監(jiān)控。因此，其主要的功能如下所示：高速的指令處理，0.1μs～0.6μs的指令處理時間在中低級別的應(yīng)用中開辟了新的領(lǐng)域；人機(jī)界面，在S7-300PLC系統(tǒng)上形成便捷的人機(jī)界面，因此有助于在實踐應(yīng)用中減少關(guān)于編程的工作量，本系統(tǒng)以AI模塊、DI模塊及DO模塊作為系統(tǒng)的輸入/輸出實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，接線原理圖見圖1。

圖1 PLC控制原理圖

4.1.1 AI（模擬量輸入）模塊

AI模塊主要作為PLC模擬信號的輸入接口，采集各類生產(chǎn)模擬量數(shù)據(jù)，例如：部分模擬量傳感器所檢測的模擬信號、智能儀器所檢測的檢測數(shù)據(jù)等。

4.1.2 DI（數(shù)字量輸入）模塊

DI模塊主要作為PLC數(shù)字信號的輸入接口，例如：濃密機(jī)、壓濾機(jī)的啟停信號、復(fù)位信號、反饋信號、傳感器信號等。

4.1.3 DO（數(shù)字量輸出）模塊

DO模塊主要作為PLC數(shù)字信號量輸出，例如：脫水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、壓濾機(jī)實時工作狀態(tài)、濃密機(jī)實時工作狀態(tài)等；產(chǎn)線故障指示燈及故障蜂鳴器等。

4.2 銅精礦脫水系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系設(shè)計

銅精礦過濾系統(tǒng)，主要采用的是以PLC作為系統(tǒng)的控制器，同時在實踐生產(chǎn)中，按照銅礦礦漿脫水工藝來對整個脫水過程進(jìn)行控制，其中系統(tǒng)輸入設(shè)備主要包含傳感器、智能儀表、形成開關(guān)等，而輸出控制設(shè)備主要是以繼電器控制為主，聯(lián)動系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，通過控制電機(jī)、變頻器、開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、泵、電磁閥、壓濾設(shè)備、濃密機(jī)等完成指令工作。各個功能模塊擁有獨(dú)立的內(nèi)部供電。主要由3臺壓濾機(jī)、2臺陶瓷過濾機(jī)、6條皮帶運(yùn)輸機(jī)、4臺旋流器、4臺空壓機(jī)、2臺真空泵和附屬配酸、供氣系統(tǒng)組成，集中過濾泗洲選礦廠和大山選礦廠銅精礦。正常情況下以3臺壓濾機(jī)和2臺陶機(jī)作為主要生產(chǎn)設(shè)備。礦量分配情況一般如下，4#泵（9#池）和5#泵（新池）礦入前三萬分漿桶，再分配至1#、2#壓濾機(jī)分漿桶、銅陵陶機(jī)給礦、1#、2#折帶過濾機(jī)給礦；3#泵（9#池）或6#泵（新池）入后三萬分漿桶，再分配至3#壓濾機(jī)分漿桶、宜興陶機(jī)給礦。銅精礦脫水系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系設(shè)計圖具體見圖2。

圖2 銅精礦脫水系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系圖

4.3 硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

本系統(tǒng)在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)計中，對無線通信技術(shù)、OPC技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合生產(chǎn)實際需求，采用OPC通訊協(xié)議、WIFI串口服務(wù)器技術(shù)研制出有效的通訊方案，實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)與應(yīng)用程序建立通信接口和OPC服務(wù)架構(gòu)。如圖3所示該部分包含工業(yè)設(shè)備、工業(yè)路由器、控制器、OPC服務(wù)器塊、WIFI串口服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、客戶端等七個部分[6]。

圖3 通訊方案圖

4.4 程序設(shè)計

本系統(tǒng)在程序設(shè)計時采用西門子公司PLC常用程序設(shè)計軟件STEP7V5.5編程軟件進(jìn)行編寫PLC程序，如圖4所示，在STEP7V5.5編程軟件界面中，工程師可根據(jù)脫水需求進(jìn)行程序編寫和參數(shù)設(shè)置，程序編寫完即可燒錄入PLC系統(tǒng)中，進(jìn)行對應(yīng)的操作，實現(xiàn)脫水自動化控制需求。

圖4 軟件程序設(shè)計界面

5 推廣運(yùn)用情況

5.1 降低勞動強(qiáng)度，提升工作效率

如圖5所示為德興銅礦脫水自控系統(tǒng)運(yùn)行界面，可以通過智能系統(tǒng)實時監(jiān)控脫水自控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。圖6為設(shè)備在脫水生產(chǎn)線實際運(yùn)用照片。設(shè)備在用戶現(xiàn)場的實際運(yùn)行照片。一臺中控電腦單人操作即可實現(xiàn)銅精礦脫水工作24小時運(yùn)行。

圖5 脫水自控系統(tǒng)運(yùn)行界面

5.2 實現(xiàn)多種工段自動化控制

圖6即為采用西門子S7-300PLC后陶瓷過濾機(jī)集中控制畫面。在監(jiān)控系統(tǒng)中，可實現(xiàn)各個關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如真空度、主軸速度、攪拌速度、料位等8個關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)，并可通過頁面按鈕進(jìn)行急停，聯(lián)啟、警報等操作，及時避免重大事故的產(chǎn)生。

圖6 陶瓷過濾機(jī)集中控制畫面

圖7即為HDS處理自動化系統(tǒng)控制畫面，可通過電腦終端進(jìn)行設(shè)置處理主流程，并可實現(xiàn)實時監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)根據(jù)要求存儲于內(nèi)部存儲器，生產(chǎn)報表，便于工程師進(jìn)行檢查。

圖7 HDS處理自動化系統(tǒng)控制畫面

6 結(jié)論

本文主要通過對銅精礦脫水處理工藝流程、脫水處理系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了介紹，以西門子S7-300PLC為中控中心，搭建脫水生產(chǎn)群控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，提升了整個脫水工藝智能化水平。在銅精礦脫水自控系統(tǒng)的設(shè)計和實際運(yùn)用、銅礦濕法選礦中脫水自控處理系統(tǒng)軟硬件的組成、在通信方面運(yùn)用OPC技術(shù)及無線傳輸技術(shù)搭建統(tǒng)一的通訊協(xié)議，提高了銅礦濕法選礦中脫水工序的智能化水平和企業(yè)的生產(chǎn)效率。同時運(yùn)用OPC技術(shù)，使底層工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)與應(yīng)用程序得以完美結(jié)合，以統(tǒng)一的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳遞，有效的解決了獨(dú)立接口驅(qū)動、軟件運(yùn)行卡死等問題，提高了數(shù)據(jù)傳輸和通訊的穩(wěn)定性。脫水自控系統(tǒng)的搭建，有效的提高了脫水產(chǎn)線智能化水平，提高了生產(chǎn)效率[7]。