山東金嶺鐵礦選礦廠過濾集中控制系統的研究與應用

王乃強

（山東金嶺礦業股份有限公司選礦廠）

過濾生產是選礦工藝的最后一道工藝流程，也是至關重要的一環，鐵精粉中的含水量是鐵精粉銷售的一個重要考核指標。因此，過濾系統的安全高效運行受到高度的重視［1］。過濾系統設備分布較廣、信息分散，且控制要求高，隨著自動控制技術水平的不斷提高，對過濾生產的控制和管理提出了更高的要求。

山東金嶺鐵礦選礦廠始建于1967 年，是一個國有老礦山企業，選礦廠的過濾系統主要由8臺過濾機（6 臺TCW-12 真空永磁圓筒過濾機、2 臺銅過濾機）、6 條皮帶、2 臺真空泵、2 臺鐵精泵、2 臺濾液泵組成。以往過濾機、皮帶、真空泵、鐵精泵等設備由人工分臺就地控制，該種控制方式用工多且受工人技術水平限制，存在安全隱患，不利于生產的正常運行。為此，設計一套以PLC 技術為核心的集中控制系統［2］，輔以增設各種監測設施以及電動執行器，既能節省大量的人力資源，也能及時發現故障，縮短停車時間，并提高自動化效率。

1 系統設計要求

為了使集控系統更加完善，實現控制的可觀化、清晰化，在原有過濾生產電控系統的基礎上，增設現代化可編程控制器PLC 進行控制。自主設計PLC 程序以及組態畫面可實時顯示系統的運行情況和各種故障情況，實現及時報警顯示和記錄功能。過濾系統示意見圖1。

采用可編程控制器PLC 對皮帶集中控制系統實現以下功能。

（1）自動控制。在生產環境條件變化時，能自主完成控制目標的自動控制，并可設置過濾生產工序自動啟停。

（2）順序控制。按照規定的時間或邏輯順序，對某一工藝系統或主要輔機的多個終端控制元件進行一系列的控制操作。

（3）監控。對裝備及系統的工作狀態不間斷地實時檢測。

（4）其他方面。過濾機溢流超出自溢能力時能及時報警，并實現鐵精泵與過濾機轉速聯動。

2 方案實施

2.1 工藝流程

礦漿首先經三磁磁選，磁選后礦漿由鐵精泵輸送至分料箱，再由分料箱分別配送至6臺真空永磁過濾機進行礦漿脫水，鐵精粉由皮帶運送至鐵精料棚，水分經濾液泵輸送至事故池。過濾工藝流程見圖2。

2.2 硬件設計

（1）CPU。考慮到選礦廠原泵房系統為S7-300系列［3］，CPU 為315-2 PN/DP，I/O 點數尚有冗余，無須單獨購買CPU，在原系統內增設ET200M 子站，即可實現分布式組態控制，通過Profibus-DP 通訊協議與主站進行通訊。

（2）模擬量輸入SM331（AI）。頻率反饋模擬量10 個，電流模擬量8 個，溫度、振動反饋模擬量6 個，共24 個點，選用8 路AI 輸入模塊（6ES7 331-7KF01-0AB0），共3塊。

（3）模擬量輸出SM332（AO）。頻率模擬量輸出8個，選用8 路AI 輸出模塊（6ES7 332-5HF00-0AB0），共1塊。

（4）數字量輸入SM321（DI）。過濾機開關量18個，皮帶開關量18個，其他設備開關量16個，共52個點，選用直流32 點輸入的DI 模塊（6ES7 321-1BL00-0AA0），共需2塊。

（5）數字量輸出SM322（DO）。過濾機開關量8個，皮帶開關量8 個，其他設備開關量18 個，共34 個點，選用直流32 點輸入的DI 模塊（6ES7 322-1BL00-0AA0），共需2塊。

PLC各模塊接線見圖3。

2.3 軟件設計

2.3.1 PLC程序

PLC 程序由西門子PLC 編程軟件Step7 v5.5 編寫，整個程序根據功能不同主要由設備啟停、數據采樣和頻率設定等幾個主要子程序組成，設備與設備間不僅存在繼電器間的物理聯鎖，同時也在PLC 程序中實現軟件聯鎖，大大加強了設備運行的可靠性。過濾集中控制的PLC控制梯形圖見圖4。

2.3.2 組態畫面

Wincc 是目前國內比較流行的一種工業自動化通用組態軟件，良好的組態能及時反映現場的實際情況，有利于職工及時對現場出現的情況做出相應的操作，同時實現現場的過程數據（溫度、電流、功率等參數）、趨勢曲線、操作記錄和報警記錄及時歸檔。過濾集中控制組態畫面見圖5。

2.4 現場安裝

2.4.1 過濾機電機

原先過濾機采用電磁調速電動機進行調速，電磁調速電機由普通鼠籠式電動機和電磁調速轉差離合器兩部分組成，離合器故障率較高，速度損失大，效率低，無法精準控制轉速，且無法實現與PLC 進行通訊。現更換為YVF2 變頻電機與變頻器組合［4］，其具有效率高、調速過程無附加損耗、節能等優點。變頻器選用博洋BY800 系列變頻器。過濾電機變頻控制原理見圖6。

2.4.2 閘 閥

分料箱閥門原為普通手動閘閥，但隨著工藝的調整，現場操作人員手動操作無法滿足工藝要求，為此更換為PQ340F 球墨鑄鐵蝸輪偏心半球調節閥，以適應日常工作需求，實現分料箱閥門比例根據生產指標進行比例調節，以滿足自動控制需求。

2.4.3 過濾機溢流槽液位計

原過濾機溢流槽未設置液位計，需要通過人工不斷觀察溢流槽液面，存在跑礦現象，亦不利于現場清潔生產。若溢流較大，還易導致上道工序三磁無法及時輸送過量礦漿，致使跑礦。因此，在過濾機頂部溢流槽安裝GSK系列干簧管浮球液位計［5］，當過濾機頂部礦漿超出其自溢能力時，可及時發出聲光警報，提醒操作人員，同時提高鐵精泵與過濾機轉速，避免跑礦現象。

2.4.4 現場監控

為了更好地實現過濾集中控制，在過濾機下料口、皮帶、三磁等多處安裝監控，方便職工實時查看設備運行狀況以及鐵精粉含水量。

2.4.5 鐵精泵電機

鐵精泵原安裝有變頻器，但需職工現場調節，鐵精泵電機轉速過高，會出現三磁礦漿喝空現象，鐵精泵電機轉速過低，便會造成三磁跑礦，不利于生產順行。安裝集中控制系統后，變頻器頻率可從上位機wincc組態畫面中給定，并將變頻器實時頻率反饋至上位機，職工根據監控畫面，便可輕松調節鐵精泵轉速。

3 控制系統創新點

（1）首次將TCW-12 真空永磁圓筒過濾機“電磁調速電機+控制器”方式更換為“變頻器+變頻電機”控制方式，既實現了轉速精準控制，又實現了過濾機自動控制，以小成本投入，實現了設備自動化。

（2）過濾集中控制系統是在原電控系統上增設，原電控系統設備與設備間已存在繼電接觸器間的物理聯鎖，同時在PLC 程序設計時，又在程序中加入軟件聯鎖，實現設備聯鎖“雙保護”，提高了設備運行的可靠性。

（3）過濾機頂部溢流槽增設液位計，實現與三磁等工藝設備聯動，減少了跑礦現象，保證過濾生產順行。

（4）通過程序設計，實現過濾系統三磁、鐵精泵、過濾機、皮帶自動啟停，職工無需逐臺單獨啟動，可從wincc組態界面實現以上設備一鍵啟停。

4 使用效果

經過安裝與調試，過濾集中控制系統能夠滿足過濾生產要求，運行良好。

（1）西門子S7-300PLC 可靠性高，抗干擾能力強，平均無故障運行時間長達30 萬h。使用PLC構成的控制系統，與同規模繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點大幅減少，減少了故障點，降低了故障率，可確保過濾生產高效順行。

（2）過濾集中控制系統實現了設備聯鎖“雙保護”，設備的誤動作率大大下降，提高了設備運行的可靠性；自動化系統對設備運行參數實時分析，設備存在異常情況可及時發出警報，情況嚴重時會自動停機，避免了設備故障擴大化。

（3）過濾機頂部溢流槽增設液位計，實現與三磁等工藝設備聯動后，未再出現跑礦現象，減少了系統停車時間，提高了生產效率；實施過濾系統“一鍵啟停”后，降低了職工勞動強度，同時避免了由職工誤操作而導致的意外事故。

（4）全面自主設計PLC 程序以及wincc 組態畫面培養了職工動手能力，節省PLC 開關柜制作費用15萬元，程序及wincc 軟件組態費用10 萬元，外委安裝費用5 萬元，合計節約外委設計安裝費用30 萬元。

（5）過濾集中控制系統實施后，每班可節省人工2 人，共節省人工6 人，按照人均工資8 萬元計算，可節約人工費用48 萬元。

（6）真空過濾機更換為“變頻器+變頻電機”控制方式后，實現了轉速穩定、控制精準，過濾機穩定運行可使鐵精粉品位提高0.1 個百分點，鐵精粉品位每提高0.1 個百分點可創收1.5 元/t，按選礦廠年產120萬t鐵精粉計算，年創經濟效益180 萬元。

5 結 論

山東金嶺鐵礦選礦廠創新性地在以TCW-12 真空永磁圓筒過濾機為核心的過濾生產系統中實現了PLC 集中控制，達到了預期改造效果，滿足了過濾生產要求，減少了人工和成本，使過濾生產更高效、穩定，對于其他礦山企業過濾系統升級改造，具有推廣應用價值。