PLC 在金礦設(shè)備改造中的應(yīng)用摘要：本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC 的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用于金礦碎礦生產(chǎn)線控制系統(tǒng)改造。系統(tǒng)由性價(jià)比高的PLC，工控機(jī)和組態(tài)軟件構(gòu)成。通過PLC 編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的全面自動(dòng) 控制、聯(lián)鎖保護(hù)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能；運(yùn)用組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了具有良好的人/過程接口能 力的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了過程信息的集中顯示和處理。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)合理， 運(yùn)行可靠，顯著提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：金礦；設(shè)備改造；監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；組態(tài)軟件

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Application of PLC in Gold Mine Equipment Renovation

Li Chang, Wu Xiaoyan, Bao Xinhua

(Guang Dong Institute of Science and Technology)

Abstract：This paper designs a PLC-based supervisor control system which is applied to the control system renovation in a gold mine ore-crushing production line. The system is composed of PLC, industrial computer and configuration software with high performance. By PLC programming, we achieve the functions of equipment automatic control, safety protection, real-time data collecting, et al. At the supervisor-station, we design man-process interface with animated graphics and rich information by using configuration software. Running results indicate the system is well-designed, reliable, and very efficiency. Keywords：gold mine; equipment renovation; supervisor control system; PLC; configuration software

1 引言

近年我國(guó)不少礦山企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保等各方面日益增長(zhǎng)的要求，積極進(jìn)行 設(shè)備的更新改造。某金礦在碎礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)引進(jìn)了Nordberg HP 圓錐破碎機(jī)，以進(jìn)一步優(yōu)化生 產(chǎn)指標(biāo)和提高效率。但是該礦原先采用的碎礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)是以人工操作為主的常規(guī)繼電器 控制方式，自動(dòng)化水平低，對(duì)生產(chǎn)過程的各種信息缺乏有效的監(jiān)控手段，不能及時(shí)響應(yīng)各種 情況，加上電氣設(shè)備老化，故障率高，維護(hù)頻繁，嚴(yán)重制約了新裝備生產(chǎn)效率的發(fā)揮。因此， 需要對(duì)原有控制系統(tǒng)一并進(jìn)行改造。可編程控制器（PLC）作為一種先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)控制裝 置，具有功能強(qiáng)大、編程靈活、調(diào)試使用方便，且性價(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)各種 工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使它得到廣泛的應(yīng)用。因此在本改造項(xiàng)目中，決定采用PLC 來改造并擴(kuò)展原有控制系統(tǒng)的功能，并且運(yùn)用組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)生動(dòng)直觀、功能豐富的監(jiān)控流 程畫面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中顯示和處理。

2 工藝與控制要求

某金礦碎礦工藝為三段一閉路流程：原礦首先從原礦倉(cāng)通過重型板式給礦機(jī)送入鄂式破 碎機(jī)進(jìn)行粗碎，然后由1# 皮帶給入標(biāo)準(zhǔn)圓錐破碎機(jī)進(jìn)行中碎，再經(jīng)2# 皮帶給入振動(dòng)篩， 篩上產(chǎn)品經(jīng)3# 皮帶返回短頭圓錐破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)碎，細(xì)碎產(chǎn)品匯入2# 皮帶，與振動(dòng)篩構(gòu)成 閉路；篩下合格產(chǎn)品由4# 皮帶送至粉礦倉(cāng)。在控制上主要是對(duì)破碎、篩分及輸送設(shè)備的起 /停控制、聯(lián)鎖控制及保護(hù)，以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)記錄，包括：①重板給 礦機(jī)、鄂式破碎機(jī)、2 臺(tái)圓錐破碎機(jī)、振動(dòng)篩及4 臺(tái)皮帶設(shè)備的電機(jī)起?？刂?、電機(jī)過載（熱 繼電器狀態(tài)）的監(jiān)測(cè)及自動(dòng)聯(lián)鎖；②2 個(gè)圓錐破碎機(jī)稀油站、自動(dòng)除鐵裝置、及3 臺(tái)除塵風(fēng) 機(jī)起?？刂坪凸ぷ鳡顟B(tài)監(jiān)測(cè)；③粉礦倉(cāng)超聲波料位計(jì)的信號(hào)監(jiān)測(cè)；④控制室與現(xiàn)場(chǎng)各車間聯(lián) 絡(luò)的聲光警示信號(hào)。

本次改造還增加了以下項(xiàng)目：⑤鄂式破碎機(jī)、2 臺(tái)圓錐破碎機(jī)和軸瓦溫度監(jiān)測(cè)；⑥2 臺(tái) 圓錐破碎機(jī)的電機(jī)工作負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)恒定負(fù)荷控制；⑦1#和3＃皮帶安裝電子皮帶 秤和變頻器，以實(shí)現(xiàn)給礦量控制；⑧控制室原有集中操作臺(tái)和設(shè)備就地開關(guān)保留，和PLC 控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行工作方式切換。

3 系統(tǒng)硬件配置 根據(jù)前述控制要求，在充分考慮了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、通用性基礎(chǔ)上，確定本監(jiān)控 系統(tǒng)采用集中式的控制結(jié)構(gòu)，分為3 級(jí)：過程監(jiān)控站、PLC 控制器和現(xiàn)場(chǎng)電氣驅(qū)動(dòng)和信號(hào) 檢測(cè)。PLC 控制器選用西門子SIMATIC S7-300，該型PLC 技術(shù)成熟可靠，應(yīng)用廣泛，具有 功能強(qiáng)、速度快、模塊化等特點(diǎn)，具體配置為：CPU314，帶有MPI 接口，配64k EPROM 存儲(chǔ)卡做程序掉電保護(hù)；16 通道DI 模塊SM321，5 個(gè)；16 通道DO 模塊SM322，3 個(gè)；8 通道AI 模塊SM331，2 個(gè)；4 通道AO 模塊SM332，1 個(gè)；考慮系統(tǒng)的總點(diǎn)數(shù)和今后擴(kuò)展 的需要，配置了1 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間通過通信模塊IM360 和IM361 通信。 監(jiān)控站采用研華工控機(jī)，運(yùn)行澳大利亞的CitectSCADA 過程監(jiān)控組態(tài)軟件。S7-300 和監(jiān)控 站計(jì)算機(jī)的通信采用MPI 接口，在上位機(jī)中安裝CP5613 通訊卡，通過MPI 電纜進(jìn)行連接。

4 PLC 控制功能設(shè)計(jì)

PLC 程序是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的核心，設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，下面主要介紹生產(chǎn)設(shè)備的起停聯(lián) 鎖邏輯控制和破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制。

4.1 設(shè)備起停聯(lián)鎖邏輯控制

碎礦設(shè)備控制具有以下特點(diǎn)：逆流程起動(dòng)，即先起動(dòng)4 # 皮帶機(jī)，最后起動(dòng)重板給礦機(jī)； 順流程停機(jī)，即先停重板給礦機(jī)，最后停4 # 皮帶機(jī)，并根據(jù)皮帶速度、長(zhǎng)度加以延時(shí)間隔， 以免發(fā)生堆料的現(xiàn)象。為保護(hù)設(shè)備及人員安全，還需要滿足較為復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系：①當(dāng)皮帶 機(jī)、振動(dòng)篩、圓錐破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)中任一設(shè)備發(fā)生非正常停車或嚴(yán)重故障時(shí)，立即停止 上游設(shè)備的運(yùn)行，下游設(shè)備保持原工作狀態(tài)不變；當(dāng)重板給礦機(jī)、除塵器和除鐵裝置等輔助 設(shè)備發(fā)生故障跳閘時(shí)，只向主控室發(fā)出故障信號(hào)，而不中斷系統(tǒng)的運(yùn)行；②重要設(shè)備如圓錐 破碎機(jī)等受到監(jiān)測(cè)的軸瓦溫度、電機(jī)負(fù)荷電流和稀油站工作參數(shù)信號(hào)也參與聯(lián)鎖，在信號(hào)超 限時(shí)自動(dòng)停機(jī)，以防止設(shè)備受損；③根據(jù)皮帶機(jī)系統(tǒng)的故障性質(zhì)，進(jìn)行緊急停機(jī)、順序停機(jī) 或發(fā)出聲光報(bào)警；④在監(jiān)控站畫面上及操作臺(tái)都設(shè)有“緊急停止”按鈕，當(dāng)出現(xiàn)重大險(xiǎn)情和 故障時(shí)，操作“緊急停止”按鈕能立即停止全線設(shè)備。

系統(tǒng)從安全可靠、靈活高效的原則出發(fā)，設(shè)置3 種控制方式：①計(jì)算機(jī)控制方式，正常 生產(chǎn)時(shí)使用，操作員在監(jiān)控站畫面實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)或單動(dòng)；②操作臺(tái)控制，是保留系統(tǒng)原來的 操作方式，作為監(jiān)控站失效時(shí)的備用；③就地控制，可以用機(jī)旁電氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的起/停， 滿足設(shè)備檢修、試車、緊急事故處理的需要；在PLC 柜上設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)和轉(zhuǎn)換預(yù)置按鈕， 可在3 種控制方式間進(jìn)行任意轉(zhuǎn)換。

通過對(duì)上述控制功能和PLC 各個(gè)輸入輸出信號(hào)的仔細(xì)分析，確定出單臺(tái)設(shè)備的控制邏 輯，利用西門子STEP7 編程軟件編寫出梯形圖（LAD）程序，見圖1。其中，K 為控制設(shè)備起 /停的PLC 輸出信號(hào)，Y 為啟動(dòng)邏輯信號(hào)，T 為停止邏輯信號(hào)，由以下信號(hào)按一定邏輯關(guān)系產(chǎn) 生：L ，與該設(shè)備有聯(lián)鎖關(guān)系的其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；S1，上臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)后延時(shí)觸發(fā)信號(hào)；S2， 轉(zhuǎn)換開關(guān)處于計(jì)算機(jī)控制方式；S3，監(jiān)控畫面單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)方式選擇按鈕，“1”為聯(lián)動(dòng)，“0” 為單動(dòng)；S4，監(jiān)控畫面單動(dòng)按鈕；S5，控制方式預(yù)轉(zhuǎn)換按鈕；S6，轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)，為“1”表 示處于就地控制；S7，設(shè)備正在運(yùn)行狀態(tài)，是中間繼電器信號(hào)；B1，聯(lián)動(dòng)停止信號(hào)，由上臺(tái) 設(shè)備停止后觸發(fā)產(chǎn)生；B2，監(jiān)控畫面停止按鈕；D1，預(yù)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束信號(hào)，“1”表示轉(zhuǎn)換結(jié) 束，由定時(shí)器延時(shí)觸發(fā)；B3，監(jiān)控畫面緊急停止按鈕；B4，操作臺(tái)緊急停止按鈕；S8，與該 設(shè)備存在聯(lián)鎖關(guān)系的其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；S9，該設(shè)備PLC 控制輸出狀態(tài)，為“1”表示PLC 控制線路接通。

圖1 單臺(tái)設(shè)備起/?？刂铺菪螆D

4.2 破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制

Nordberg HP 圓錐破碎機(jī)是本次項(xiàng)目改造中的關(guān)鍵設(shè)備，為使其穩(wěn)定在******工作負(fù)荷狀 態(tài)，達(dá)到******處理能力，采用恒定功率控制方式，以主傳動(dòng)電機(jī)的功率(電流)作為被控參數(shù)， 通過變頻調(diào)速，動(dòng)態(tài)調(diào)整給礦皮帶給礦量的大小。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，若僅以電機(jī)功率作為被 控參數(shù)構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，由于給礦皮帶的傳輸需要一定的時(shí)間，即存在純滯后，當(dāng)給礦 量擾動(dòng)發(fā)生后，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)作用大大滯后，且易發(fā)生振蕩，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)難以保證。為了克 服系統(tǒng)的純滯后，決定采用串級(jí)控制：在給礦皮帶上安裝電子皮帶秤，以給礦量為副參數(shù)， 主傳動(dòng)電機(jī)的功率為主參數(shù)構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，見圖2。

圖2 圓錐破碎機(jī)恒定負(fù)荷控制方框圖

由圖可見，當(dāng)粒度、硬度、黏度等因素發(fā)生變化引起給礦量擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，給礦串級(jí)控制 系統(tǒng)多了一個(gè)副回路，不等擾動(dòng)影響到負(fù)荷功率，副回路立刻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而具有較強(qiáng)的抗 擾動(dòng)能力，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和主參數(shù)的控制質(zhì)量。

5 監(jiān)控站人機(jī)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件采用澳大利亞的CitectSCADA 組態(tài)軟件。CitectSCADA 采用開放式結(jié)構(gòu)，支 持多種型號(hào)的PLC 和I/O 設(shè)備，只要在組態(tài)時(shí)設(shè)置PLC 類型和通信參數(shù)，并在監(jiān)控畫面的 控件屬性中設(shè)置正確的PLC 位地址或字地址，監(jiān)控軟件就能建立起與PLC 內(nèi)部地址的連接和 通信。我們利用它強(qiáng)大的圖形組態(tài)技術(shù)和豐富的用戶函數(shù)，設(shè)計(jì)了以下功能：①流程監(jiān)控畫 面（見圖3），通過動(dòng)態(tài)、變色、閃爍、數(shù)字、棒圖及曲線的方式實(shí)時(shí)監(jiān)視各電氣設(shè)備、工 藝參數(shù)的工況，操作人員點(diǎn)擊畫面按鈕可以實(shí)現(xiàn)全線設(shè)備單動(dòng)起/停、聯(lián)動(dòng)起/停、緊急停車、 現(xiàn)場(chǎng)詢問等控制功能；②生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)設(shè)備的起/停時(shí)間，班運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、起/停次數(shù)累計(jì) 等信息自動(dòng)記錄并顯示，對(duì)于合理安排生產(chǎn)和設(shè)備檢修具有重要意義；③自動(dòng)報(bào)表，將生產(chǎn) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按生產(chǎn)班次定時(shí)打印；同時(shí)，在監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)了報(bào)表打印按鈕，可以在任何需要的 時(shí)候進(jìn)行打??；④在線操作指導(dǎo)，采用Windows 超級(jí)鏈接文本幫助的形式，向操作人員提 供了方便、快捷的查找關(guān)于生產(chǎn)工藝操作、軟件使用方法和設(shè)備維護(hù)等信息；⑤報(bào)警功能， 在每幅畫面上都有報(bào)警標(biāo)志，設(shè)備故障、工藝參數(shù)異常都會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警，每個(gè)報(bào)警都有 詳細(xì)的說明和原因解釋，并有完善的報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警屏蔽和報(bào)警歷史記錄；⑥權(quán)限安全設(shè)置， 通過設(shè)置工程師和操作員2 級(jí)權(quán)限，明確了生產(chǎn)操作和管理職責(zé)，防止了誤操作，有效的增 強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性、可靠性。

圖3 流程監(jiān)控畫面

6 運(yùn)行效果

目前本控制系統(tǒng)已成功投入使用，取得了良好的效果：①生產(chǎn)效率顯著提高。破碎機(jī)恒 定負(fù)荷控制后，擠滿給礦率由人工操作的60 %左右提高到90 %以上，主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷功率由 人工操作的170 kW（主機(jī)電流28 A）左右，穩(wěn)定提高到200 kW（主機(jī)電流33 A） 以上， 處理能力得到充分發(fā)揮，臺(tái)時(shí)處理量提高15 %，綜合電耗降低了13%；②設(shè)備得到有效保 護(hù)。破碎機(jī)負(fù)荷電流和軸溫信號(hào)受到監(jiān)控，一旦超限會(huì)及時(shí)報(bào)警和聯(lián)鎖制動(dòng)，從而解決了因 為堵料造成電機(jī)超載、皮帶燒毀以及爆軸的問題；③系統(tǒng)故障率明顯下降，維護(hù)工作大大減 少，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)得到充分保障；④減少了人員編制，僅需要2 人就完成相當(dāng)以前5 人的工 作。

7 結(jié)語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用S7-300 PLC 和CitectSCADA 過程監(jiān)控組態(tài)軟件，對(duì)金礦碎礦生 產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備改造，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備操作的自動(dòng)控制、聯(lián)鎖保護(hù)、數(shù)據(jù)集中顯示和 處理等較為全面的功能。從實(shí)際運(yùn)行的效果來看，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定可靠，顯著提高了 生產(chǎn)效率。

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作者簡(jiǎn)介

李昌（1972 - ），男，東北大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化碩士，工程師，現(xiàn)工作于廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，主要從事工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)；

通信地址：珠海市金灣區(qū)廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系辦公室，郵編519090；

電子信箱：li_chang@163.com

Biography: Li Chang(1972-),Male(Chinese),received his M.Eng. of Industrial Automation from Northeastern University. He is now an engineer in Dept. of Mechanical and Electronic Engineering, Guangdong Institute of Science and Technology. His research area includes industrial automation and embedded system.