【正文】 善，取得了比較好的效果，并且相繼推出了眾多可靠、高效、節(jié)能的新產(chǎn)品。 PLC在安全、可靠及抗干擾的性能上比較出色。在該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，我對(duì)整個(gè)礦石破碎系統(tǒng)經(jīng)行了電氣原理設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件部分進(jìn)行選型，對(duì) PLC 控制柜進(jìn)行了礦石破碎部分設(shè)計(jì)及內(nèi)部設(shè)計(jì)。硬件的選型還包括各種傳感器（溫度、濃度、料位等）和變頻器的選型，各種開關(guān)，接觸器，繼電器等低壓控制設(shè)備的選型；在電氣原理設(shè)計(jì)方面，完成了礦石破碎選礦工藝流程圖的設(shè)計(jì)及礦石破碎系統(tǒng)整體的電氣連接圖和各部分屏圖的設(shè)計(jì)。 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 2 1 選礦自動(dòng)化綜述 選礦自動(dòng)化及其主要內(nèi)容 選礦自動(dòng)化 (automation of mineral proeess ing)在選礦生產(chǎn)中，采用儀表、自動(dòng)裝置、電子計(jì) 算機(jī)等技術(shù)和設(shè)備，對(duì)選礦生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)和選礦生產(chǎn) 流程狀況實(shí)行監(jiān)測(cè)、模擬、控制，并對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行管理的技術(shù)。選礦自動(dòng)化綜合應(yīng)用了傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、通訊技術(shù)及電子計(jì)算機(jī)科學(xué)等多方面的成就，選礦自動(dòng)化的發(fā)展與這些學(xué)科密切相關(guān)。而礦物資源的貧化，選礦設(shè)備的大型化和智能化，以及選礦工藝的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備的效率和可靠性、過(guò)程參數(shù)的穩(wěn)定及各段產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，這就促進(jìn)了選礦自動(dòng)化的發(fā)展，使其成為選礦廠正常生產(chǎn)的必要手段和提高選礦廠綜合效益的有效途徑。 20 世紀(jì) 50年代，選礦自動(dòng)化是對(duì)選礦工藝中某單個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)或控制，如蘇聯(lián)、瑞典、日本等的一些選廠對(duì)混入礦石中的金屬物體進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)，在蘇聯(lián)的一些選廠采用差壓式或了射線密度計(jì)對(duì)分級(jí)機(jī)溢流濃度進(jìn)行檢測(cè)并構(gòu)成閉環(huán)控制。60 年代末期，開始采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接數(shù)字控制 (如加拿大的累克一杜 弗特選廠用 PDPS計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) DDc 控制 )，用于流程分析的‘ 在線 X熒光分析儀’也已在個(gè)別選廠應(yīng)用， (如芬蘭皮卡薩爾米選礦廠 )到了 70 年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在線品位分析儀、粒度分析儀、電子皮帶秤等檢測(cè)儀表的應(yīng)用數(shù)量不斷增多，有更多的選礦廠采用了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，除 DDC 外，也有了用兩、三臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的多級(jí)控制系統(tǒng)，測(cè)量、控制的參數(shù)覆蓋了整個(gè)選礦過(guò)程 。同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)磨礦、浮選過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究，以進(jìn)行過(guò)程的數(shù)學(xué)模 擬 。 80 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣，選礦廠使用的測(cè)量控制裝置在信號(hào)規(guī)范化、數(shù)字化方面有了較大發(fā)展，很多儀表自身帶有計(jì)算機(jī)芯片或設(shè)備 。一些基于單板機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器、智能調(diào)節(jié)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，以及一些集檢測(cè)、控制功能于一體的專用智能儀表，在各個(gè)選礦作業(yè)過(guò)程中得到應(yīng)用 。如中國(guó)研制的自 學(xué)習(xí)模糊控制器，用于破碎機(jī)負(fù)荷控制，有的選礦廠還采用了專家系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè) 。 測(cè)量和控制的主要參數(shù)選礦生產(chǎn)的特點(diǎn)是生產(chǎn) 具有連續(xù)性 。設(shè)備類型多、能耗大 。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化可以提高有用礦物回收率、產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效 益，改善勞動(dòng)條件，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效和安全。隨著電子技術(shù)、控 制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的不斷發(fā)展，以及選礦廠對(duì)自動(dòng)化的重視，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力作用下，我國(guó)選礦自動(dòng)化將得到迅速的發(fā)展。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80年代以后，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力下，選礦自動(dòng)化技術(shù)逐步得到重視，自動(dòng)化水平得到提高，許多新建的礦山引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)控制設(shè)備，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)進(jìn)行選廠自動(dòng)化控制，一些先進(jìn)技術(shù)得到應(yīng)用。一些選礦關(guān)鍵過(guò)程傳感器仍然存在安裝復(fù)雜、可靠性低、測(cè)量精度低等老問(wèn)題，這是影響選礦自動(dòng)化應(yīng)用和發(fā)展的最重要的因素。 2)選礦自動(dòng)控制設(shè)計(jì)、開發(fā)不合理。有的設(shè)計(jì)開發(fā)不切合實(shí)際，主要表現(xiàn)在控制過(guò)程的程序設(shè)計(jì)不合理；儀表選型不合理，不能充 分發(fā)揮其性能，對(duì)儀表可能出現(xiàn)的問(wèn)題沒(méi)有充分估計(jì)。有的需要維護(hù)人員頻繁處理或頻繁更換儀表。一旦系統(tǒng)開發(fā)方的技術(shù)支持減弱，系統(tǒng)很可能因?yàn)樵O(shè)備故障、工況變化、人員變化等情況而難以正常運(yùn)行。 選礦廠破碎工藝流程及流程圖 當(dāng)前我們國(guó)內(nèi)選礦廠處理的鐵礦石主要有磁鐵礦和赤鐵礦兩大類，其中磁鐵精礦產(chǎn)量約占我國(guó)鐵精礦產(chǎn)量的 3/4，而且國(guó)內(nèi)大部分鐵礦山在選礦技術(shù)革新方面針對(duì)的也主要是這兩類礦石。近年來(lái)出現(xiàn)的比較成功的新工藝具有代表性的主要有：“階段磨礦﹑弱磁選―反浮選工藝”，“全磁選 選別工藝”，“超細(xì)碎―濕式磁選拋尾工藝”。[3] 圖 1 破碎環(huán)節(jié)工藝流程圖 圖 1 破碎環(huán)節(jié)工藝流程圖 破碎環(huán)節(jié)是選礦的第一環(huán)節(jié)，其工藝流程如圖 1所示。至此整個(gè)破碎篩分過(guò)程完成。這就要求我們對(duì)以往的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，落后的手工操作將人的因素引選礦生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使先進(jìn)工藝難以在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的穩(wěn)定及進(jìn)一步提高。以前在這類控制中大多是以繼電器，接觸器等電器設(shè)備來(lái)或是用單片機(jī)來(lái)完成控制，自動(dòng)化程度低，規(guī)模小，穩(wěn)定性和安全性也小。首先 PLC技術(shù)的具有很多優(yōu)點(diǎn)如可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活。編程方便，易于使用。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便。功能完善。組態(tài)軟件技術(shù)具有直觀，實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)廣為使用。也正是我們需要解決的問(wèn)題。其中，最主要的將會(huì)是各種硬件的選型、連接以及 PLC控制柜和控制臺(tái)的設(shè)計(jì)。 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 6 2 選礦廠礦石破碎系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 選礦自動(dòng)化主要以 提高產(chǎn)量與品位，節(jié)能降耗，增加效益為目標(biāo)。穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性是系統(tǒng)必備的要素。在工業(yè)生產(chǎn)中大力開發(fā)使用 PLC完成控制功能的選礦自動(dòng)化系統(tǒng)是非常必要的。 系統(tǒng)應(yīng)該具有以下兩個(gè)特點(diǎn)： 高靠性。位機(jī)通 過(guò) Wincc組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì) 整 個(gè) 生 產(chǎn)過(guò) 程的集中管理 ,分析系 統(tǒng) 的 運(yùn) 行 狀態(tài) 及 實(shí)時(shí)進(jìn) 行 監(jiān) 控 ,當(dāng)過(guò)程參數(shù) 出 現(xiàn) 偏差或故障 時(shí)能迅速 響應(yīng) ,予以判 斷 并 實(shí)時(shí)處 理 ,下位機(jī)完成 實(shí)時(shí) 控制和操作。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多廠商從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上對(duì)該類設(shè)備不斷地進(jìn) 行改進(jìn)、完善，取得了比較好的效果，并相繼推出眾多高效、可靠、節(jié)能的新產(chǎn)品。若對(duì)這些老設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在礦山具有廣闊的前景。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一種高效破碎機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)油溫、油位的檢測(cè)實(shí)施對(duì)破碎機(jī)安全工作狀態(tài)的分析和報(bào)警；通過(guò)對(duì)破碎機(jī)工作電流 和給礦量的檢測(cè)和分析實(shí)施破碎機(jī)優(yōu)化給礦的控制；通過(guò)對(duì)料倉(cāng)料位的檢測(cè)和各破 碎機(jī)能力的分析實(shí)施自動(dòng)布料和破碎機(jī)工作的優(yōu)化平衡；最終使整個(gè)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。此外，由于穩(wěn)定了破碎工況，從而最終提高了與之相關(guān)的磁選、篩分等相關(guān)工藝流程的整體運(yùn)行效率。 圖 2 破碎環(huán)節(jié)系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)分為三級(jí)系統(tǒng)，各級(jí)系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)控制的目的，亦可通過(guò)集中控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。此過(guò)程主要在設(shè)備檢修及調(diào)試過(guò)程中使用，亦可作為緊急狀態(tài)下的控制。一級(jí)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)集中管理任務(wù)。 [7]系統(tǒng)的硬件組成為： Ⅰ、上位機(jī) (工業(yè)控制計(jì)算機(jī) ):包括 1 臺(tái)工業(yè)控制機(jī) ,顯示器 ,UPS 電源 ,打印機(jī)和操作鍵盤等是系統(tǒng)的中樞 ,它接收下位機(jī)的信 號(hào) ,除顯示打印存儲(chǔ)外 ,還按照程序要求回饋下位機(jī)運(yùn)行方式和數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)總體布局圖 圖 3 系統(tǒng)總體布局圖 現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程中央控制 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制柜設(shè)有啟停等操作按鈕，為繼電接觸器控制系統(tǒng)；遠(yuǎn)程中控室設(shè)置操作臺(tái)和上位機(jī)，操作臺(tái)上分別設(shè)置每個(gè)設(shè)備的啟停等操作按鈕，這些操作按鈕連接 PLC輸入端，由按鈕通過(guò) PLC 控制設(shè)備運(yùn)行；遠(yuǎn)程中控室設(shè)置操作臺(tái)設(shè)有“現(xiàn)場(chǎng)”和“手動(dòng)”和“自動(dòng)”切換開關(guān)，當(dāng)開關(guān)放在“現(xiàn)場(chǎng)”位置時(shí)遠(yuǎn)程 中央控制失效，由操作員現(xiàn)場(chǎng)本地操作控制；當(dāng)開關(guān)放在“手動(dòng)”位置時(shí)，操作員可通過(guò)中控室操作臺(tái)人工操作控制系統(tǒng)運(yùn)行。 3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介 紹及選型 9 3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介紹及選型 由于可編程序控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域中所占的核心地位和日趨重要的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 S7300 PLC 及 PLC 選型要點(diǎn) S7300 簡(jiǎn)介 西門子 S7300可編程序控制器是模塊化小型 PLC系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展，能滿足中等性能要求。 S7300系統(tǒng)組成如圖 4所示。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商 PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整。CPUPS SM SM SM SM SMSMSM SM河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 10 設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此大體上都是按數(shù)字量 I/O點(diǎn)數(shù)的 10～15倍，加上模擬 I/O點(diǎn)數(shù)的 100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點(diǎn)數(shù)選型。 ②輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出 模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。 可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。 ③電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn) PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般 PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用 220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。 如果 PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。 ④存儲(chǔ)器的選擇 由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求 PLC的存儲(chǔ)器容量，按 256個(gè) I/O點(diǎn)至少選 8K存儲(chǔ)器選擇。 PLC 及模塊選型 鑒于以上要點(diǎn)，由于該選礦系統(tǒng)工藝過(guò)程比較固定，不易選用整體式結(jié)構(gòu)的3 綜合自動(dòng)化破碎系統(tǒng)硬件介 紹及選型 11 PLC，易選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC；系統(tǒng)以開關(guān)量控制為主、帶少量數(shù)字量控制，對(duì)控制速度沒(méi)有太多要求，帶 A/D轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能就能滿足要求；此外系統(tǒng)控制功能要求要實(shí)現(xiàn) PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用西門子 (Siemens)公司的 SIMATIC S7300模塊化 PLC系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。 [9]CPU315－ 2DP是唯一帶現(xiàn)場(chǎng)總線（ PROFIBUS） SINEC L2DP接口的 CPU模板，具有 48KB的 RAM, 80KB的裝載存儲(chǔ)器，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)乳容量最大到 512KB。 3152DP具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果需要，可以供 SIMATIC功能工具使用，它對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力，可用于大規(guī)模的 I/O配置，建立分布式 I/O結(jié)構(gòu)。 [10] 圖 5 CPU315模塊面板布置示意圖 圖 5 CPU315模塊面板布置示意圖 PLC 數(shù)字量輸入 /輸出模塊的選型與線路連接 數(shù)字 I/O模塊包括用于 SIMATIC S7300的數(shù)字輸入和輸出 ,通過(guò)這些模塊，可將數(shù)字傳感器和執(zhí)行元件與 SIMATIC S7300相連。在本系統(tǒng)中我們采用 SM321 以及 SM322來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。因?yàn)槠扑殡A段統(tǒng)計(jì)出 DI=46點(diǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的 I/O點(diǎn)數(shù)，選擇直流 32點(diǎn)和直流 16點(diǎn)輸入的 SM321數(shù)字量輸入模塊。 圖 6 SM321數(shù)字量輸入模塊線路連接圖 圖 6 SM321數(shù)字量輸入模塊線路連接圖 SM322數(shù)字量輸出模板將 S7300內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成所要求的外部信號(hào)電平，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電動(dòng)機(jī)、燈和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等。選用的模塊為： SM322(6ES7 3221FL000AA0)為 DO 32 120/230VAC/1A；如下圖 7所示。 SM331模擬輸入模塊將擴(kuò)展過(guò)程中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為 S7300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。 在選礦自動(dòng)化系統(tǒng)中需要采集多種模擬的信 號(hào)輸送到 PLC中，這就需要用到模擬量的輸入模板，模擬量的輸入模板為 SM331. 本階段選用 SM331 AI 8 12位模擬量輸入模塊。 A/D轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。積分時(shí)間越長(zhǎng)，被測(cè)值的精度越高。相 對(duì)應(yīng)的以位表示的精度為 112和 14。 S7300的 CPU用 16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示模擬量的值，其中最高位為符號(hào)位 S。 S7300模擬輸入模塊的輸入測(cè)量值范圍很寬，可直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)。 SM331的 8個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式 A/D轉(zhuǎn)換部件。某一通道從開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起，一直持續(xù)到再次開始轉(zhuǎn)換的時(shí)間稱為輸入模塊的循環(huán)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)積分時(shí)間設(shè)定為 20ms, 8個(gè)輸入通道都接有外部信號(hào)且都需斷線監(jiān)視的 SM331,其循環(huán)時(shí)間為 (22+10) 8=256ms。模塊上需接 24VDC的負(fù)載電壓 L+，有反接保護(hù)功能。