自動(dòng)化控制技術(shù)在鋁土礦生產(chǎn)的應(yīng)用

1 引言
中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司礦山二期項(xiàng)目是該公司二期40萬噸氧化鋁項(xiàng)目配套工程，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為110萬噸標(biāo)準(zhǔn)鋁土礦。工程采用先進(jìn)的控制設(shè)備和功能強(qiáng)大的上位機(jī)監(jiān)控軟件構(gòu)成監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦山生產(chǎn)工藝的全方位監(jiān)控管理，從采礦、洗礦、破碎篩分至皮帶稱計(jì)量、配礦、堆場(chǎng)和污泥沉降及排送處理等全部工藝流程集中控制，完成鋁土礦生產(chǎn)工藝全程自動(dòng)化。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)
鋁土礦生產(chǎn)是露天采礦，采出的礦石直接投入到鋁土礦生產(chǎn)流程中，經(jīng)過清洗、粗碎、中間堆場(chǎng)、細(xì)碎、篩分至產(chǎn)成品鋁土礦，還包含輔助流程:污泥沉降及其排放，其中污泥沉降流程包含沉降溢水及其回收利用，沉降絮凝劑攪拌及其添加等。整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)區(qū)域分布廣、設(shè)備分散、環(huán)境惡劣。特別是設(shè)備在生產(chǎn)流程中連鎖運(yùn)行，若控制不當(dāng)，任何設(shè)備問題都可能引起控制流程改變，如果控制系統(tǒng)不能夠?qū)@些改變做出正確的判斷，則容易引發(fā)更為嚴(yán)重的安全事故。因此整個(gè)系統(tǒng)需要有一個(gè)高穩(wěn)定性的控制器和高可靠性的通訊控制系統(tǒng)。其應(yīng)具備可靠性、準(zhǔn)確性、開放性、安全性和易維護(hù)性等特點(diǎn)。
2.1 可靠性
對(duì)鋁土礦生產(chǎn)系統(tǒng)在惡劣條件下無故障工作能力有著較高的要求。這就要求我們要把系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行作為設(shè)計(jì)的首要原則。根據(jù)鋁土礦生產(chǎn)工藝流程，系統(tǒng)分為主站和從站兩部分，主站負(fù)責(zé)主要流程:洗礦與篩分;從站負(fù)責(zé)輔助流程:污泥沉降及排放。兩者互不干擾，通過冗余通訊網(wǎng)絡(luò)相連。主站與從站均采用了雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)，包括電源冗余、CPU冗余、通訊冗余，機(jī)架冗余。控制器與上位機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)采用100M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，構(gòu)成冗余通訊，以太網(wǎng)連接設(shè)備出現(xiàn)問題不會(huì)影響其他設(shè)備通訊。整個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有無以倫比的可靠性。
2.2 準(zhǔn)確性
在鋁土礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的采集，并且可以準(zhǔn)確地控制設(shè)備無疑是系統(tǒng)的核心，這就要求系統(tǒng)硬件要具有高可靠性的數(shù)據(jù)采集、控制能力并有可靠的通訊方式，系統(tǒng)軟件必須可以及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)采用業(yè)內(nèi)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議Modbus，并且物理信道采用TCP/IP，Modbus完善、簡(jiǎn)潔的通訊指令集，TCP/IP傳輸?shù)姆奖恪⒖旖荩@些都為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和控制提供了更高的可靠性。
2.3 開放性
要組成一個(gè)最優(yōu)的自動(dòng)化系統(tǒng)。除了選用高品質(zhì)、高性能的自動(dòng)化產(chǎn)品，還需是具有標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的產(chǎn)品。配置的系統(tǒng)控制器提供了串行的MODBUS通訊接口和上位機(jī)以太網(wǎng)接口，具有標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備如軟啟動(dòng)器、重型板式給礦機(jī)均接入MODBUS通訊網(wǎng)絡(luò)，也提供MB+網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與變頻器的通訊連接。而對(duì)于其他沒有標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的設(shè)備如電機(jī)智能保護(hù)器、水位控制儀等特配置MB+通訊網(wǎng)橋，利用其提供的通道方便接入到控制系統(tǒng)。并且上位機(jī)通訊為以太網(wǎng)絡(luò), 以太網(wǎng)絡(luò)的便捷提供了更加豐富監(jiān)控管理功能。
2.4 安全性
通信安全性與系統(tǒng)控制安全性。硬件配備有不間斷電源UPS，PLC采用雙機(jī)熱備，上位機(jī)互相備用。可以保證系統(tǒng)任何一個(gè)單一元件出現(xiàn)問題均不會(huì)影響礦山的安全生產(chǎn)。系統(tǒng)控制操作的安全性是對(duì)控制軟件設(shè)置加密手段。
2.5 維護(hù)性
編程與監(jiān)控軟件易學(xué)易用;重要設(shè)備的電機(jī)電流、電壓、故障等參數(shù)在上位可以檢測(cè)到;故障聲光報(bào)警，可以通知維護(hù)人員;操作有歷史紀(jì)錄。
2.6 系統(tǒng)防雷
礦山所處地理環(huán)境特殊，屬于雷電多發(fā)地帶。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免從天饋線、電源線、遙測(cè)設(shè)備與傳感器間的信號(hào)線引入雷電損壞設(shè)備，采用下列避雷措施:
●安裝避雷針，避雷針的接地電阻應(yīng)小于4Ω。天線系統(tǒng)安裝天饋避雷器;
●通訊網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)信號(hào)專用避雷器;
●室外傳輸電纜加裝繼電器保護(hù)。

3 系統(tǒng)工藝流程
整個(gè)礦山工藝流程共分為四大部分:洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排放，洗礦和篩分為主要流程，污泥沉降和排放為輔助流程。
由采礦車運(yùn)來的原始鋁土礦含泥量多，其由選礦機(jī)送入重型板式給礦機(jī)，然后進(jìn)入圓筒篩洗機(jī)進(jìn)行第一遍洗泥，大塊的較易清洗的礦石由皮帶運(yùn)行至破碎機(jī)進(jìn)行破碎,小塊的不太干凈的由槽式洗礦機(jī)進(jìn)行第二次清洗后直接送入中間堆場(chǎng)。對(duì)于3、4年礦含泥量高則需要進(jìn)入難洗流程然后再送入中間堆場(chǎng)。中間堆場(chǎng)的半成品在顆粒大小上還不符合鋁土礦的要求，需再進(jìn)行第二次破碎即細(xì)碎，為保證生產(chǎn)出完全合格的鋁土礦，在細(xì)碎后鋁土礦會(huì)通過一個(gè)振動(dòng)篩對(duì)細(xì)碎后的礦石進(jìn)行篩選，合格的鋁土礦直接送入成品倉(cāng)庫(kù)，不合格的繼續(xù)破碎直到符合要求。為了環(huán)境保護(hù),洗礦流程中產(chǎn)生的廢水泥漿要進(jìn)行處理，通過專用管道洗礦流程產(chǎn)生的泥漿直接排放到濃密池中進(jìn)行沉降，沉降過程中需要根據(jù)礦漿的濃度調(diào)節(jié)絮凝劑的用量，使用量不夠則沉降泥漿濃度低浪費(fèi)能源，使用量過多則沉降泥漿濃度大，不易排出。濃度合適泥漿最后由排泥加壓泵打至排泥庫(kù)，返還給大地。

4 系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)通信功能
4.1 洗礦流程PLC主站基本要求
(1) 開關(guān)量輸入:300點(diǎn);
(2) 開關(guān)量輸出:500點(diǎn);
(3) 模擬量輸入:30點(diǎn);
(4) 模擬量輸出:16點(diǎn);
(5) 通過MB+通訊總線連接變頻器，通過MODBUS 連接軟啟動(dòng)器和重型板式給礦機(jī);
(6) 通過MB+多功能通訊網(wǎng)橋連接智能設(shè)備、智能儀表共65臺(tái);
(7) 通過AS-i通訊總線連接現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)感應(yīng)開關(guān)共100只;
(8) CPU采用雙機(jī)熱備，PLC電源采用雙電源熱備;
(9) 采用5KVA/2小時(shí)的在線轉(zhuǎn)換式UPS供電;
(10) 配置操作站(帶21″純平顯示器)二臺(tái)，打印機(jī)二臺(tái)。
4.2 輔助流程PLC從站基本要求
(1) 開關(guān)量輸入:350點(diǎn);
(2) 開關(guān)量輸出:500點(diǎn);
(3) 模擬量輸入:32點(diǎn);
(4) 模擬量輸出:15點(diǎn);
(5)通過MB+通訊總線連接變頻器，通過MODBUS 連接軟啟動(dòng)器;
(6)通過MB+多功能通訊網(wǎng)橋連接智能設(shè)備、智能儀表共60臺(tái);
(7)CPU采用雙機(jī)熱備，PLC電源采用雙電源熱備;
(8)采用5KVA/2小時(shí)的在線轉(zhuǎn)換式UPS供電。
4.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
PLC控制系統(tǒng)分為主站(洗礦及細(xì)碎篩流程)、從站(污泥沉降及排送)兩個(gè)控制站，兩個(gè)控制站的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可進(jìn)行交換。硬件系統(tǒng)均采用雙機(jī)熱備，通過MB+總線連接，整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)采用冗余以太網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示:

圖1 礦山綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
網(wǎng)絡(luò)配置由PLC主控站、PLC工作從站、中心監(jiān)控站、變電站、地磅房、調(diào)度室等通過光纖環(huán)網(wǎng)作為通訊主干網(wǎng)連接。光纖環(huán)網(wǎng)是典型的冗余通訊網(wǎng)絡(luò)。在每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)光纖接線盒，通訊主干環(huán)網(wǎng)的光纜連接到它，在接線盒中完成光纖跳線、光纖熔接工作，再由光纖跳線連接到以太網(wǎng)交換機(jī)的二個(gè)光纖端口，構(gòu)成環(huán)形拓?fù)洹LC主控站、PLC工作從站和監(jiān)控站三個(gè)站點(diǎn)，分別設(shè)置了一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，具有五個(gè)10BaseT/100BaseTX(RJ45)端口外，還有二個(gè)100BaseFX光纖端口，支持環(huán)網(wǎng)連接，為通訊網(wǎng)絡(luò)提供了良好的冗余通訊能力。

5 技術(shù)方案特點(diǎn)
(1) 施耐德QUANTUM系列PLC，性能優(yōu)越，可靠性高;
(2) PLC控制器采用雙機(jī)架、雙CPU、雙電源、雙通訊模塊的全冗余方案，是真正的冗余控制器;
(3) 施耐德QUANTUM系列PLC的雙CPU冗余系統(tǒng)具有熱備功能，實(shí)踐已證明了其無擾動(dòng)切換的真實(shí)性;
(4) PLC從站配置有冗余控制器，可以獨(dú)立工作，而不必依賴主站的CPU;
(5) PLC從站與PLC主站采用完全相同的模塊，可以相互替換，減少了備件數(shù)量;
(6) 采用完全工業(yè)級(jí)的以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，通訊網(wǎng)絡(luò)冗余性好，可靠性高;
(7) 以太網(wǎng)交換機(jī)具有電源、通訊鏈路等冗余能力，確保網(wǎng)絡(luò)通訊永不中斷;
(8) 以太網(wǎng)交換機(jī)為每個(gè)端口提供100M的通訊速率，與集線器相比，網(wǎng)絡(luò)通訊更加暢通;
(9) 網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)站點(diǎn)都配置有光纖接線盒，便于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的施工和維護(hù);
(10) 已配置一個(gè)工業(yè)級(jí)的100M的光纖收發(fā)器，用于將來通過100M以太網(wǎng)連接至山下礦山管理部;
(11) 監(jiān)控站采用自動(dòng)化界流行的FIX7.0監(jiān)控軟件，用戶比較熟悉，便于學(xué)習(xí)和掌握;
(12) FIX7.0監(jiān)控軟件的強(qiáng)大功能和穩(wěn)定性已得到業(yè)界公認(rèn);
(13) 已充分考慮了礦山設(shè)備流水作業(yè)的特點(diǎn)，控制設(shè)備的可靠性、軟件的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的控制功能等已在系統(tǒng)配置中得到充分體現(xiàn);
(14) 系統(tǒng)具有:設(shè)備連鎖自動(dòng)開機(jī)功能、設(shè)備連鎖自動(dòng)停機(jī)功、故障連鎖自動(dòng)停機(jī)功能、手動(dòng)開機(jī)功能和手動(dòng)停機(jī)功能;
(15) 通訊總線上所需的現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備，全部選用的是防護(hù)等級(jí)為IP67的產(chǎn)品;
(16) 配置施耐德多功能的BM85網(wǎng)橋，支持多種通訊協(xié)議和用戶自由通訊協(xié)議，可與任何其他品牌的變頻器、軟啟動(dòng)器、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、專用控制器等總線通訊設(shè)備進(jìn)行連接，不需要另外增加硬件。完全滿足設(shè)計(jì)依據(jù)，性價(jià)比不錯(cuò)。

6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制
系統(tǒng)配置的控制器上提供眾多的通訊接口實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。控制器提供快速的MB+端口構(gòu)成MB+現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)所有施耐德變頻器均接入MB+網(wǎng)絡(luò)，采用采用MB+網(wǎng)絡(luò)協(xié)議獨(dú)有的Peer Cop通訊方式，它完全屏蔽了PLC與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳遞細(xì)節(jié)，在PLC和變頻器中只需配置很少的參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的通訊。系統(tǒng)還提供標(biāo)準(zhǔn)MODBUS串行通訊接口，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)重型板式給礦機(jī)和軟啟動(dòng)器通訊連接，另外，系統(tǒng)還配置一個(gè)多功能MB+通訊網(wǎng)橋，為其它第三方設(shè)備或不具備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備進(jìn)入控制系統(tǒng)提供了方便，只需對(duì)其進(jìn)行少量的程序設(shè)計(jì)，就可以把任何第三方公開自由協(xié)議設(shè)備接入本系統(tǒng)。本系統(tǒng)大量的智能電機(jī)保護(hù)器和智能水位控制儀均采用此法接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中控制。基于配礦的需求，系統(tǒng)需要對(duì)放料小車進(jìn)行定位控制，系統(tǒng)配置有AS-i總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)放料小車位移定位的100個(gè)感應(yīng)開關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了放料小車的精確定位和無人值守功能。提高了配礦精度和效率。對(duì)于其他不能夠用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制的大量設(shè)備如圓筒篩洗機(jī)、槽式洗礦機(jī)、擦洗機(jī)、螺旋分級(jí)機(jī)、破碎機(jī)、振動(dòng)篩、眾多的皮帶等設(shè)備通過開關(guān)量輸出模塊直接控制。這些設(shè)備通過各種方式接入系統(tǒng)，在系統(tǒng)程序的控制下，協(xié)同完成整個(gè)鋁土礦生產(chǎn)流程。

7 PLC與組態(tài)軟件功能
Concept是一種基于Microsoft Windows環(huán)境的編程工具，提供包括FBD、LD、SFC、IL、ST、LL984等多種編程語(yǔ)言的單一開發(fā)環(huán)境，用于生成控制系統(tǒng)程序。使用匯集在一個(gè)應(yīng)用中的熟悉的標(biāo)準(zhǔn)化的編輯器，能夠生成邏輯、通信和診斷，并將他們與同一數(shù)據(jù)庫(kù)和選擇的6個(gè)編輯器集成在一起。
7.1 PLC控制功能
(1) 洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排送控制;
(2) 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的運(yùn)行控制及連鎖，電機(jī)智能保護(hù)器的信號(hào)采集、記錄以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的報(bào)警信號(hào)采集;
(3) 皮帶輸送、配礦、稱重計(jì)量;皮帶機(jī)軟啟動(dòng);
(4) 水泵變頻調(diào)速控制;
(5) 生產(chǎn)線連鎖啟停和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等功能;
上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、服務(wù)器組成。硬件采用100M光纖做為通訊介質(zhì)，TCP/IP為通訊協(xié)議。可進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高速的數(shù)據(jù)傳輸。操作系統(tǒng)采用Windows2000 Professional，該操作系統(tǒng)是Microsoft(微軟)公司推出的基于NT架構(gòu)的、多用戶、多任務(wù)的32位操作系統(tǒng)。上位監(jiān)控軟件采用Intellution公司推出的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件(SCADA System)FIX。
7.2 上位機(jī)控制功能
(1) 洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排送的動(dòng)態(tài)模擬顯示;
(2) 洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排送工序設(shè)備運(yùn)行狀況、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示及參數(shù)設(shè)置操作及設(shè)備運(yùn)行情況;
(3) 洗礦、篩分工序報(bào)警事件的存儲(chǔ)和查詢、歷史數(shù)據(jù)的紀(jì)錄、查詢，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間記錄;
(4) 實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線繪制;
(5) 重要設(shè)備電流等參數(shù)顯示，方便維修人員檢查與診斷故障;
(6) 報(bào)表打印及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢;

8 結(jié)束語(yǔ)
這套系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)比較完善。其自動(dòng)化程度在國(guó)內(nèi)外來說時(shí)比較高的。系統(tǒng)采用連鎖控制，任何設(shè)備出現(xiàn)問題，系統(tǒng)均能正確做出判斷，及時(shí)修改運(yùn)行流程，并給出聲光報(bào)警。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)通訊方式控制設(shè)備，減少了系統(tǒng)布線，設(shè)備維護(hù)更為便利。系統(tǒng)自投運(yùn)以來，效果很好，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，方便了維修人員檢修，再加上人機(jī)界面友好，實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)滿足要求，深受客戶的喜愛。