石人溝鐵礦破碎系統(tǒng)皮帶機(jī)自動控制研究與應(yīng)用

閆寶軍

（河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計有限公司，河北灤縣063700）

石人溝鐵礦破碎系統(tǒng)為三段一閉路破碎干選流程工藝［1］，后續(xù)增加10萬t擴(kuò)能項目、懸浮干選等工藝技改工程，皮帶機(jī)數(shù)量已由15條增加至25條。根據(jù)石人溝鐵礦的實際需求，結(jié)合破碎系統(tǒng)皮帶機(jī)現(xiàn)狀，依據(jù)“自動化控制+視頻監(jiān)測”的技術(shù)路線，實現(xiàn)皮帶機(jī)的全保護(hù)系統(tǒng)，其中包括皮帶的跑偏、打滑、防撕裂檢測，料倉料位在線檢測、報警及自動控制布料小車，最終實現(xiàn)皮帶機(jī)集中管控+區(qū)域巡檢的生產(chǎn)組織方式，達(dá)到減人目的?，F(xiàn)有系統(tǒng)改造和完善后，對提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和操作運行的簡便性［2］意義重大，同時為破碎設(shè)備全壽命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題和不足

石人溝鐵礦現(xiàn)有破碎控制系統(tǒng)包括西門子S7-300系列PLC控制主站和6個控制分站，主站和分站之間采用PROFIBUS-DP通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。中控室內(nèi)服務(wù)端安裝有WINCC7.0組態(tài)軟件，時時監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)各個設(shè)備運行參數(shù)。原控制系統(tǒng)存在線路老化、原理復(fù)雜、故障點多和維修難度大等問題，經(jīng)實地踏勘，石人溝鐵礦破碎車間地面生產(chǎn)系統(tǒng)，主要存在下述6個方面的問題。

（1）皮帶機(jī)經(jīng)常跑偏。當(dāng)皮帶機(jī)皮帶張力的中心線偏離皮帶幾何中心線時，會產(chǎn)生側(cè)向力，使得皮帶跑偏。包括：1#皮帶機(jī)，機(jī)尾落料點為緩床，經(jīng)常跑偏；5#皮帶機(jī)，長度200 m，機(jī)尾落料點為自制緩沖托輥，經(jīng)常跑偏；6#皮帶機(jī)和7#皮帶機(jī)，皮帶下半截經(jīng)常跑偏；10#皮帶機(jī)，皮帶機(jī)頭和中間經(jīng)常跑偏；11#皮帶機(jī)，皮帶上部嚴(yán)重跑偏；12#皮帶機(jī)，由于皮帶接口問題經(jīng)常跑偏。

（2）個別皮帶機(jī)缺少必要的防撕裂、堵塞、失速等保護(hù)開關(guān)。個別雖然配備有拉繩、跑偏保護(hù)開關(guān)，但動作靈敏度設(shè)置不合適，經(jīng)常由于開關(guān)誤動作造成設(shè)備停機(jī)。

（3）現(xiàn)有地面生產(chǎn)系統(tǒng)的視頻監(jiān)控點數(shù)量不足，并且有些監(jiān)控攝像機(jī)已經(jīng)損壞，需在原有監(jiān)控點的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充完善。部分?jǐn)z像機(jī)傳輸?shù)氖悄M信號，數(shù)據(jù)經(jīng)常失真。

（4）皮帶機(jī)電機(jī)配電柜中未安裝電流互感器，導(dǎo)致在中控室內(nèi)無法顯示電機(jī)運行電流。

（5）PLC從站的I/O模塊不足，后續(xù)增加生產(chǎn)設(shè)備，需要對其進(jìn)行擴(kuò)容。

（6）考慮到本系統(tǒng)分站數(shù)目較多，并且現(xiàn)有通訊卡（CP5611）將要停產(chǎn)，今后無法采購備件，變更PLC主站和分站之間通訊協(xié)議為以太網(wǎng)Industrial Ethernet，保證數(shù)據(jù)的傳輸速度和穩(wěn)定性。

2 生產(chǎn)控制系統(tǒng)升級改造方案

針對石人溝鐵礦破碎系統(tǒng)皮帶機(jī)存在的以上問題，制定改造技術(shù)方案，利用原有PLC系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。改造擴(kuò)展后的總體系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)、核心服務(wù)器、交換機(jī)、光纖、PLC控制主站、皮帶機(jī)信號雙向傳輸裝置、現(xiàn)場PLC控制從站、皮帶機(jī)變頻器、皮帶機(jī)電機(jī)、皮帶跑偏開關(guān)、皮帶機(jī)拉繩開關(guān)、皮帶機(jī)打滑開關(guān)、皮帶機(jī)縱向防撕裂開關(guān)、皮帶機(jī)溜槽堵塞開關(guān)、皮帶機(jī)液壓調(diào)偏器、現(xiàn)場視頻監(jiān)控箱、視頻攝像機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

現(xiàn)場PLC控制從站通過分布在皮帶機(jī)上各個位置的各種監(jiān)測傳感器，把皮帶機(jī)的各種參數(shù)采集到核心服務(wù)器中，對皮帶機(jī)進(jìn)行安全監(jiān)測；同時能夠通過核心服務(wù)器根據(jù)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)向PLC控制主站發(fā)出指令，PLC控制主站與現(xiàn)場PLC控制從站通信進(jìn)而控制皮帶機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速。達(dá)到良好生產(chǎn)效果，消除安全隱患，保證安全生產(chǎn)。帶式輸送機(jī)自控設(shè)備可根據(jù)生產(chǎn)實際情況、各設(shè)備的特點以及可能存在的問題，綜合各方面因素后采取報警，緊急停車等措施［3］。多個交換機(jī)由光纖連接組成環(huán)形數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。改造后的系統(tǒng)延長設(shè)備使用壽命，優(yōu)化設(shè)備啟停和轉(zhuǎn)速達(dá)到集中、自動控制的目的，操作方便，運行可靠。

2.1 PLC及其擴(kuò)展模塊硬件設(shè)計

在PLC主站內(nèi)增加工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊1臺，型號CP343-1，將西門子300PLC主站與從站的通訊由原來的PROFIBUS-DP調(diào)整為以太網(wǎng)Industrial Ethernet?？紤]到以后破碎系統(tǒng)皮帶數(shù)量的增加，需要使用的PLC主要模塊見表1所示。

2.2 皮帶機(jī)保護(hù)裝置硬件設(shè)計

原有系統(tǒng)皮帶機(jī)上面安裝有拉繩開關(guān)、跑偏開關(guān)、打滑開關(guān)、縱向防撕裂開關(guān)，經(jīng)過現(xiàn)場排查和維護(hù)均能繼續(xù)使用。皮帶機(jī)檢測裝置監(jiān)測到皮帶機(jī)跑偏，現(xiàn)場不能自身調(diào)節(jié)，只能安裝糾偏器，來保證皮帶機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運行。利用糾偏器使皮帶始終在設(shè)定的寬度范圍內(nèi)運行，避免皮帶跑偏撕帶、跑偏停機(jī)、跑偏撒料，確保皮帶機(jī)正常運行。對皮帶機(jī)電機(jī)增加電流監(jiān)測，使用電流互感器檢測電流信號，同時用電流變送器把電流輸送到PLC模擬量信號采集模塊，上位機(jī)畫面實時顯示電機(jī)電流。皮帶機(jī)保護(hù)裝置需要增加的主要設(shè)備見表2所示。

2.3 視頻監(jiān)控部分設(shè)計

破碎車間原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)為模擬信號，畫面不清楚，已經(jīng)在日常檢修維護(hù)中逐步換成數(shù)字信號攝像機(jī)。需要把余下10臺模擬信號攝像機(jī)換成數(shù)字信號攝像機(jī)，原有模擬信號攝像機(jī)位置如下：1號皮帶頭、1號皮帶尾、5號皮帶頭、5號皮帶頭尾、細(xì)1頭、細(xì)1尾、細(xì)2頭、細(xì)2尾、6號皮帶頭、6號皮帶尾。另外在1號、5號、6號、11號、13號皮帶中間增加攝像機(jī)5臺，合計需要安裝15臺攝像機(jī)。

破碎車間現(xiàn)場每個轉(zhuǎn)運站處均有交換機(jī)箱。交換機(jī)箱內(nèi)有信號和電源接口，所安裝攝像機(jī)用網(wǎng)線和電源線直接接入交換機(jī)箱。交換機(jī)箱距離攝像機(jī)安裝位置均在100 m之內(nèi)，不必增加中繼器。每個交換機(jī)箱均有光纖連接到破碎車間中控室。此次新增加視頻設(shè)備在選型上與原視頻監(jiān)控系統(tǒng)完全兼容。新增視頻監(jiān)控設(shè)備見表3所示。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)破碎系統(tǒng)皮帶機(jī)的工藝流程和控制要求，系統(tǒng)的程序由主程序、診斷程序和多個子程序組成。PLC編程語言有梯形圖、指令表、順序功能流程圖和功能塊等。梯形圖是一種圖形化的編程語言［4］，本項目使用梯形圖進(jìn)行編程。系統(tǒng)有閉鎖、集控、就地檢修等多種工作模式［5］。其主程序流程如圖2所示。

3 結(jié)語

石人溝鐵礦破碎系統(tǒng)皮帶機(jī)自動控制的改造項目堅持充分利用原有自動化、視頻監(jiān)控、電線電纜等設(shè)備設(shè)施，最大限度降低項目投資的原則，實現(xiàn)皮帶機(jī)運行的全自動保護(hù)，其中包括皮帶的跑偏、急停、打滑、防撕裂以及堵料等，料倉料位在線檢測、報警及自動控制布料小車，最終實現(xiàn)皮帶機(jī)集中管控+區(qū)域巡檢、清掃的生產(chǎn)組織方式。實現(xiàn)碎礦系統(tǒng)皮帶機(jī)自動化運行，取消皮帶看護(hù)性崗位，最終達(dá)到減員增效的目的。該項目的完成對河鋼集團(tuán)內(nèi)部其他礦山有著非常好的借鑒意義，為以后的新建和改建項目提供重要依據(jù)。