基于某現(xiàn)場布料小車無人值守控制

畢貴先， 關(guān)長亮

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司， 遼寧 丹東 118002)

1 前言

某布料小車無人值守控制所在選廠生產(chǎn)能力為6 000t/d，于2001年10月開始施工建設(shè)，2003年3月建成投產(chǎn)。由于選廠的臺時處理量較大，所以前端布料小車的控制較為頻繁并且至關(guān)重要。操作人員在設(shè)備運行期間需要始終值守，且要站在布料小車上通過手動操作分礦閘板進行手動切換，導(dǎo)致崗位勞動強度大。粉礦倉的料位沒有可靠的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，崗位人員只能通過肉眼進行判斷礦倉料位情況，加上現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致人為因素對布料過程的控制影響較大，另外還存在操作過程中存在較大的安全風(fēng)險、崗位退休人員增多等問題亟待解決。

2 工藝描述

碎礦采用由強化預(yù)先篩分和高效破碎機構(gòu)成的二段一閉路工藝流程[1]。礦石經(jīng)預(yù)先篩分后篩上產(chǎn)物進入中碎，中碎產(chǎn)品進入檢查篩分作業(yè)，篩上物料進入細碎，細碎產(chǎn)品返回檢查篩分，預(yù)先篩分與檢查篩分作業(yè)的篩下產(chǎn)品進入磨礦作業(yè)[2]，現(xiàn)場工藝如圖1所示。49#小車是將碎礦處理合格的礦石送入粉礦倉的主要設(shè)備。崗位操作人員日常生產(chǎn)操作中，電動小車換倉較頻繁；礦倉無料位監(jiān)視，崗位人員全憑肉眼觀察礦倉的料位沒有可靠的數(shù)據(jù)作為參考，崗位自動化水平低，崗位人員勞動強度大。

圖1 布料小車現(xiàn)場工藝

3 控制策略

布料小車的控制，對于選礦廠至關(guān)重要，能否對布料小車進行更為智能的控制，除了會降低人員的勞動強度外，還可以更大程度提高整個選廠的自動化水平，為后續(xù)磨礦、浮選的優(yōu)化控制、專家控制等奠定了前提條件，有利于后續(xù)實現(xiàn)大閉環(huán)控制。

3.1 控制目標(biāo)

(1)提高自動化程度，減輕勞動強度，改善工作環(huán)境，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和無人值守功能。

(2)有利于穩(wěn)定工藝生產(chǎn)過程，減少人為因素，提高設(shè)備效率和勞動生產(chǎn)率。

(3)系統(tǒng)具有報警功能。當(dāng)出現(xiàn)問題時可以進行報警顯示，便于工作人員進行及時處理，同時報警信息可以存入數(shù)據(jù)庫供以后參考。

3.2 設(shè)備要求

1)雷達料位計

AC型：220V(±15%)、50Hz、10W；DC型：24V(±25%)、8W。

量程：EC型-75m；ST型-100m；AI型-120m；AII型-150m。

盲區(qū)：0.00m。

精度：±5mm(1m內(nèi)為30mm)。

重復(fù)性：0.5mm。

分辨率：0.3mm。

輸出信號：4～20mA/HART，一路開關(guān)量輸入和輸出。

波束角：18°，以3dB作為分界點。

適應(yīng)最大物位變化率：12m/min。

更新時間：mA輸出和OLED顯示每秒更新一次。

接口：① 4～20mA/HART，信號范圍 4～20mA，失效報警信號：無有效回波時輸出 3.6mA，料位距雷達天線0.50m以內(nèi)輸出22.5mA，負載最大600Ω；HART通訊最小230Ω；

② 開關(guān)量輸入、輸出，開關(guān)量輸入 備用，具體功能可根據(jù)用戶需求定制，開關(guān)量輸出 可實現(xiàn)高/低料位報警或補料區(qū)間指示;

③人機界面顯示：由 OLED 和紅外遙控器組成，可查看及設(shè)置儀表各項參數(shù)紅外線手操器。

環(huán)境溫度：-20 ～ 65℃。

2)定位開關(guān)

檢測距離：100mm±10%。

設(shè)定距離：0～80mm。

應(yīng)差：檢測距離的15%以下。

可檢測物體：磁性金屬、非磁性金屬。

標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：鐵200mm*200mm*1mm。

響應(yīng)時間：100ms以下。

電源電壓：使用電壓范圍DC10～30V(P- P)10%。

消耗電流：DC40mA以下。

控制輸出：殘留電壓DC200mA以下(1V以下)。

環(huán)境溫度范圍：-25～+55℃，35～95%RH(無結(jié)冰、結(jié)露)。

溫度的影響：10～+40℃的溫度范圍內(nèi)，+20℃。

電壓影響：在額定電源電壓的±10%范圍內(nèi)，額定電壓時。

耐電壓：AC500V 50/60Hz 1min充電部整體與外殼間。

振動(耐久)：10～55Hz上下振動1.5mm，X、Y、Z各方向2h。

沖擊(耐久)：200m/s2，X、Y、Z各方向10次。

保護結(jié)構(gòu)：IEC標(biāo)準(zhǔn)IP66。

材質(zhì)：外殼是鋁壓鑄，檢測面是環(huán)氧樹脂。

連接方式：導(dǎo)線引出型(標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線長1m)。

3.3 控制策略

布料車是選礦廠實現(xiàn)卸料運輸?shù)年P(guān)鍵性設(shè)備，該現(xiàn)場49#布料小車控制過程如圖2所示，采取均勻布料與優(yōu)先布料的方式，保證每個礦倉都達到滿倉不冒的效果。

圖2 布料小車控制過程示意圖

圖3 布料小車網(wǎng)路配置圖

1)礦倉料位檢測

本項目粉礦倉有粉塵較大，倉內(nèi)物料分布不均勻等特點，故選用頻率可調(diào)，抗干擾能力強，適用于高粉塵環(huán)境的DF- 6201雷達料位計進行料位檢測[3-4]。

現(xiàn)場共6個料倉，每個料倉有4個下料口，分布于料倉四角。選擇料倉中軸線兩個下料口中間位置安裝料位計，共計安裝12臺。根據(jù)現(xiàn)場考察情況，該位置料位情況最具有代表性。

2)小車定位檢測

布料小車的位置檢測通過定位開關(guān)完成，定位開關(guān)定位靈敏、準(zhǔn)確，控制簡便且受環(huán)境因素影響較小，性價比較高?，F(xiàn)場共安裝14臺定位開關(guān)，每臺料位計對應(yīng)位置安裝一臺，行程起點與終點各一臺[5]。

3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場在小車入料口、出料口、布料車間均設(shè)置帶有紅外夜視功能智能網(wǎng)絡(luò)攝像機，實時遠程監(jiān)測布料車間工作狀態(tài)，結(jié)合雷達料位計料位檢測，雙重保險防止料倉冒礦。布料小車入料口、出料口攝像機安裝于布料小車上，使用無線網(wǎng)橋進行無線傳輸。

4)PLC控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)

自動化控制系統(tǒng)選用西門子S7- 1200控制器作為控制核心，可滿足大部分中小型自動化設(shè)備的控制需求。系統(tǒng)包括電源、CPU和I/O模塊，可以執(zhí)行完全獨立的操作，CPU可擴展3個通信模塊，內(nèi)置1個以太網(wǎng)端口，通過普通網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，或上傳至上位機中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網(wǎng)接口可與上位機進行通信[6-7]。布料小車網(wǎng)路配置如圖3所示。

5)控制流程

根據(jù)料倉高度，現(xiàn)場設(shè)置不同料位級別。

(1)當(dāng)各礦倉料位均在正常水平，并且都需要進行布料時，布料小車在礦倉上進行往復(fù)運動，在每個倉上稍作停留，以進行均勻布料，使各礦倉料位基本一致。

(2)當(dāng)有某個礦倉料位過低時，布料小車在其上方停留，將其料位補齊，進行優(yōu)先布料。

(3)如果現(xiàn)場有某個或者某幾個礦倉不需要布料，或者某些礦倉所對應(yīng)的后續(xù)流程已經(jīng)停車，布料小車將不將這些礦倉納入布料范圍，系統(tǒng)將控制布料小車在指定工作的礦倉上方進行布料。

(4)當(dāng)現(xiàn)場礦倉料位過高或過低時，實現(xiàn)報警功能。

4 實施過程

4.1 布料系統(tǒng)的運行控制

圖5 49#皮帶布料系統(tǒng)卸料控制原理圖

卸料小車采用無線控制，主要設(shè)備是無線IO模塊，無線IO模塊A安裝在卸料小車上，隨小車移動，發(fā)出卸料小車的前進、后退、急停和分料控制命令(DO)，接收卸料小車的前進、后退、急停、集中控制和分料擋板的狀態(tài)；無線IO模塊B安裝在皮帶西側(cè)的墻壁上，硬線連接至控制系統(tǒng)相應(yīng)的信號模塊上，對應(yīng)接收或發(fā)出無線IO模塊的無線信號和控制系統(tǒng)命令。

通過控制系統(tǒng)和無線IO模塊，可以實現(xiàn)遠程對卸料小車的前進、后退、急停、分料的控制，監(jiān)控小車的運行狀態(tài)。同時，通過遠程/本地的切換實現(xiàn)突發(fā)狀態(tài)下對卸料小車的本地控制。此外，當(dāng)皮帶下料口因結(jié)塊的物料堵塞時，堵料報警觸發(fā)，控制系統(tǒng)會控制分料擋板電機，使分料擋板來回運動，擠碎結(jié)塊的物料，保證皮帶下料口通暢。為了實現(xiàn)卸料小車的安全運行，分別在小車南側(cè)下料口、北側(cè)下料口和分料擋板處增設(shè)無線視頻，控制室的崗位人員可以參照視頻進行對小車下料口的定位和監(jiān)控，具體控制原理如圖4所示。

圖4 布料系統(tǒng)無線控制原理圖

4.2 布料系統(tǒng)的卸料控制

首先在DCS工控機上設(shè)定每個倉南北兩側(cè)的高料位設(shè)定值(上位可調(diào))和自動投入聯(lián)鎖按鈕，布料系統(tǒng)卸料控制系統(tǒng)如圖5所示。假如小車正向東行駛且分料擋板給南側(cè)倉加料，當(dāng)小車東行至2#倉限位開關(guān)時，控制系統(tǒng)接受到限位信號DW2，小車停止10s，在這10s內(nèi)，控制系統(tǒng)做出以下判斷：當(dāng)2#倉南側(cè)料位LI1003小于設(shè)定值SET3- H時，小車停止前進，給2#倉南側(cè)加料；當(dāng)2#倉南側(cè)料位LI1003大于設(shè)定值SET3- H時，控制系統(tǒng)控制分料擋板電機，將分料擋板切換至2#倉北側(cè)加料；當(dāng)2#倉北側(cè)料位LI1004低于設(shè)定值SET4- H，小車仍停止前進，給2#倉北側(cè)加料；當(dāng)2#倉北側(cè)料位LI1004大于設(shè)定值SET4- H時，小車?yán)^續(xù)東行前進，停止加料。

當(dāng)小車東行至3#倉限位開關(guān)時，控制系統(tǒng)接受到限位信號DW3，小車停止10s，在這10s內(nèi)，控制系統(tǒng)做出以下判斷：當(dāng)3#倉北側(cè)料位LI1006小于設(shè)定值SET6- H時，小車停止前進，給3#倉北側(cè)加料；當(dāng)3#倉北側(cè)料位LI1006大于設(shè)定值SET6- H時，控制系統(tǒng)控制分料擋板電機，將分料擋板切換至3#倉南側(cè)加料；當(dāng)3#倉南側(cè)料位LI1005低于設(shè)定值SET5- H，小車仍停止前進，給3#倉南側(cè)加料；當(dāng)3#倉南側(cè)料位LI1005大于設(shè)定值SET5- H時，小車?yán)^續(xù)東行前進，停止加料。小車分別給4#、5#、6#倉自動加料，當(dāng)6#倉加料完成后，小車東行500mm至東限位開關(guān)，控制系統(tǒng)接受到限位信號XW2，小車再向西后退，小車分別給6#、5#、4#、3#、2#、1#倉自動加料，當(dāng)1#倉加料完成后，小車西行500mm至西限位開關(guān)，控制系統(tǒng)接受到限位信號XW1，小車再向東前進，如此依次往復(fù)循環(huán)。

4.3 控制系統(tǒng)配置

基于對49#皮帶布料系統(tǒng)的控制要求和成本考慮，采用和利時DCS控制系統(tǒng)(SmartPro 3.1.3)，其中該控制系統(tǒng)配備一臺工控機，控制系統(tǒng)控制柜安裝在49#皮帶西側(cè)的二樓工具間，工控機安裝在49#皮帶西側(cè)的小屋內(nèi)，此外控制系統(tǒng)接地和供電符合要求，控制系統(tǒng)測點見表1。

5 應(yīng)用效果

實現(xiàn)改造項目后，49#皮帶崗位可以實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守，卸料小車自動給各料倉投料。小車依據(jù)料位高低，進行判斷，對低于要求的料倉，依次前進到位后，進行加料，待料倉一側(cè)料滿后，小車分料板打向另一側(cè)加料，依次將6個料倉加滿，投料期間順序循環(huán)投料，控制室人員通過視頻監(jiān)控小車運行及料位情況，對突發(fā)事件進行預(yù)判及處置，現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖6所示。

表1 布料系統(tǒng)控制系統(tǒng)測點

圖6 布料小車的現(xiàn)場應(yīng)用圖

6 結(jié)論

該布料小車的無人值守控制，通過對現(xiàn)場的詳細分析和具體控制策略制定，實現(xiàn)了布料小車對布料的自動控制，不僅解決了人工控制的勞動強度大、粉塵干擾大、人工操作影響強等不利因素，同時大大提高現(xiàn)場的自動化水平，為后續(xù)磨礦、浮選的優(yōu)化控制、專家控制等奠定了前提條件，有利于后續(xù)實現(xiàn)大閉環(huán)控制。