小型礦山破碎篩分系統(tǒng)自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜自彬，王應(yīng)麗，孟書強(qiáng)，趙 虎，朱成睿

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

3河南發(fā)恩德礦業(yè)有限公司 河南洛陽 471700

河 南發(fā)恩德礦業(yè)有限公司是加拿大希爾威金屬礦業(yè)有限公司(主要在中國(guó)從事礦山項(xiàng)目的收購(gòu)、勘探、開發(fā)和生產(chǎn)業(yè)務(wù))的一家子公司，現(xiàn)已成為希爾威公司的主力礦山，并發(fā)展成為中國(guó)最大的白銀精粉供應(yīng)商，下轄 6 座鉛鋅銀多金屬礦山和 2 座日處理能力超千噸的選廠。

該公司二選廠設(shè)計(jì)處理鉛鋅銀礦石規(guī)模為 1 000 t/d，年處理礦石 30.0×104t，服務(wù)年限 31 a，穩(wěn)產(chǎn) 29 a。原礦平均品位為：Pb 4.7%，Zn 3.6%，Ag 312 g/t。精礦產(chǎn)品指標(biāo)為：Pb 65%(其中 Ag 3 562 g/t)，回收率93%，產(chǎn)率 6.72%；Zn 50%(其中 Ag 413g/t)，回收率 81.5%，產(chǎn)率 5.87%。尾礦產(chǎn)率 87.41%，尾礦品位為：Pb 0.35%，Zn 0.23%，Ag 55.36 g/t，破碎最終粒度≤15 mm，精礦含水率≤12%[1]。

1 工藝流程及主要設(shè)備

破碎篩分系統(tǒng)工藝流程如圖 1 所示，采用三段一閉路流程，碎礦給料粒度為 500～0 mm，最終產(chǎn)品粒度為 15～0 mm。主要設(shè)備：粗碎采用 1 臺(tái) PE-800×1100 顎式破碎機(jī)，中碎采用 1 臺(tái) PYH－3CC 圓錐破碎機(jī)，細(xì)碎采用 1 臺(tái) PYHD－5C 圓錐破碎機(jī)，篩分采用 1 臺(tái) KR3060 振動(dòng)篩，處理量為 162 t/h，設(shè)備作業(yè)率為 61.7%。該系統(tǒng)包含 5 條帶式輸送機(jī)(其中 3 條為大傾角帶式輸送機(jī))，運(yùn)行維護(hù)成本較高?，F(xiàn)崗位配置操作人員 18 人，由于大傾角帶式輸送機(jī)在運(yùn)行中易產(chǎn)生粉塵，崗位危害也較大。

圖1 破碎篩分系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of crushing and screening system

2 存在的問題及改造目標(biāo)

二選廠現(xiàn)有破碎、篩分工段的設(shè)備操作全部為就地、人工操控，給料量全憑操作人員經(jīng)驗(yàn)，易造成設(shè)備過負(fù)荷跳閘或給料量過小，生產(chǎn)效率低下。同時(shí)需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行全程跟蹤，人員配置多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且現(xiàn)場(chǎng)噪聲、粉塵較大，不利于職業(yè)病防護(hù)。

改造目標(biāo)是通過對(duì)選廠破碎篩分系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化、集中控制改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸送設(shè)備和給料設(shè)備聯(lián)鎖，并保證細(xì)碎圓錐破碎機(jī)滿腔給料等，以降低設(shè)備故障率及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和接塵概率，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和碎礦臺(tái)效，達(dá)到降低能耗，最終實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化無人”的智慧礦山建設(shè)目標(biāo)。

3 改造措施

采用中控室增加工控機(jī)(工業(yè)級(jí)電腦)，通過博圖 WINCC 軟件組態(tài)操作畫面，以西門子 S7-1200 系列 PLC 為核心的就地控制柜并進(jìn)行編程的技術(shù)方案。PLC 控制方式采用多站式分布式控制，在粗破碎、中細(xì)碎、篩分工段分別加裝就地 PLC 站，通過 TCP/IP以太網(wǎng)通信方式連接各個(gè)子站，實(shí)現(xiàn)在中控室全流程控制、設(shè)備分別單獨(dú)啟停、全系列設(shè)備一鍵啟停等功能。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝和設(shè)備實(shí)際布置情況，控制系統(tǒng)共采用 5 個(gè)西門子 S7-1200 系列 PLC 作為主站，其中粗破碎車間、中細(xì)碎車間、篩分車間分別設(shè)置 1 個(gè)S7-1200 主站，用于控制本車間的設(shè)備，新增的控制柜與原有啟動(dòng)控制柜并排放置，以減少電纜敷設(shè)工作量[2]。

中碎液壓潤(rùn)滑站及細(xì)碎液壓潤(rùn)滑站原本自帶就地控制箱，控制回路為傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)，操作和指示采用就地按鈕和指示燈，不具備通信能力和改造潛力。因此決定采用整體替換的改造方式，替換后的液壓潤(rùn)滑站就地操作箱采用 PLC+觸摸屏的控制方式。PLC完成原有繼電器系統(tǒng)的液壓泵、潤(rùn)滑泵、加熱器啟停控制功能，觸摸屏作為就地操作的人機(jī)界面替代原有的按鈕和指示燈。

3.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

如圖 2 所示，控制系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，中控室工控機(jī)與分布在現(xiàn)場(chǎng)車間內(nèi)的 5 個(gè) S7-1200 PLC 控制站接在同一臺(tái)交換機(jī)上，中碎液壓潤(rùn)滑站觸摸屏、細(xì)碎液壓潤(rùn)滑站觸摸屏通過交換機(jī)分別與對(duì)應(yīng)的 PLC連接。為了兼容未來智能化控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，還預(yù)留了第三方系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信接口，通信協(xié)議為OPC 協(xié)議。

西門子 PLC CPU1214C 本體集成了 1 個(gè) PROFINET 通信口，支持以太網(wǎng)和基于 TCP/IP 的通信協(xié)議，使用這個(gè)通信口可以實(shí)現(xiàn) S7-1200 CPU 之間的通信，以及與編程設(shè)備、觸摸屏、PC 端 WinCC 人機(jī)界面之間的通信。這個(gè) PROFINET 物理接口采用 RJ45口，支持 10/100 Mb/s 網(wǎng)線直連和交叉連接。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of control system network

控制系統(tǒng)在硬件架構(gòu)上分為上位監(jiān)控部分和下位控制部分，其中上位監(jiān)控部分采用單站結(jié)構(gòu)，即采用1 臺(tái)工控機(jī)，同時(shí)承擔(dān)服務(wù)器、工程師站、操作員站的角色，在滿足功能需要的前提下，最大程度地降低成本[3]。

工控機(jī)首先需要滿足人機(jī)界面和 PLC 編程工作，實(shí)現(xiàn)操作員監(jiān)視和操作功能；同時(shí)還可作為服務(wù)器存儲(chǔ)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，包括報(bào)警、日志、事故記錄追憶等。工控機(jī)的配置要求如表 1 所列。

表1 工控機(jī)配置要求Tab.1 Configuration requirements of industrial personal computer

現(xiàn)場(chǎng)控制核心設(shè)備為西門子 S7-1200 系列 PLC，CPU 型號(hào)為 1214C，該 CPU 是西門子主推的 1200 系列緊湊的高性能 CPU，自帶有 24 點(diǎn)集成輸入/輸出、可擴(kuò)展 1 個(gè)信號(hào)板、8 個(gè)信號(hào)模板、3 個(gè)通信模塊。中碎和細(xì)碎潤(rùn)滑液壓站現(xiàn)場(chǎng)操作箱人機(jī)界面選用 5.7英寸 KTP600 TFT 觸摸屏，320×240 的像素分辨率足以顯示所需要的參數(shù)，面板支持觸摸操作的同時(shí)還配有 6 個(gè)可自由組態(tài)的功能鍵，是用于 S7-1200 控制器系統(tǒng)的理想 HMI 組件。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件 PLC 及工控機(jī)人機(jī)界面編程均采用 TIA Portal V15 完成，TIA Portal V15 又稱博途V15，是一款由西門子打造的全集成自動(dòng)化編程軟件，整合了 STEP7、WINCC、STARTDRIVE 等編程軟件，因此只需用博途一個(gè)軟件就能對(duì)觸摸屏、PLC、驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行編程調(diào)試和仿真操作。

SIMATIC TIA 博途 STEP 7 V15 專業(yè)版用于編程組態(tài) S7-1200、S7-1500、S7-300/400 和 WinAC。S7-1200 PLC 是針對(duì)中小型項(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品，在 DCS項(xiàng)目上應(yīng)用不多，故其編程庫(kù)中自帶的標(biāo)準(zhǔn)功能塊很少。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制、模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換等通用功能均編寫了相應(yīng)的 FB 功能塊。如圖 3 所示，在編寫 2 號(hào)帶式輸送機(jī)控制程序時(shí)，只需直接調(diào)用電機(jī)塊“MOTOR_S_dd”并且將其背景數(shù)據(jù)塊命名為“2# 皮帶機(jī) DB”就可以了。2 號(hào)輸送機(jī)人機(jī)界面操作面板上的按鈕、指示燈只需要直接訪問對(duì)應(yīng)的 DB 塊“2# 皮帶機(jī) DB”，大大簡(jiǎn)化了編程和通信組態(tài)工作[4]。

該控制系統(tǒng)人機(jī)界面編程采用 SIMATIC TIA 博途 WinCC V15 專業(yè)版完成，博途 WinCC 用于組態(tài)SCADA 系統(tǒng)，配套 WinCC Runtime 專業(yè)版使用。根據(jù)二選廠破碎篩分系統(tǒng)改造項(xiàng)目特點(diǎn)，系統(tǒng)操作畫面分為工藝主流程、中碎油站、細(xì)碎油站、報(bào)警畫面、趨勢(shì)畫面共 5 個(gè)畫面[5]。

如圖 4 所示，工藝主流程畫面集中顯示了生產(chǎn)線主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，操作人員平時(shí)通過此畫面即可監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)需要查看具體細(xì)節(jié)時(shí)再通過切換畫面或者畫面彈出框來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)單獨(dú)對(duì)具體設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備的圖標(biāo)即可彈出對(duì)應(yīng)的彈出框。

4 結(jié)語

該控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)恩德二選廠破碎篩分自動(dòng)化改造項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)和技術(shù)要求，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、方案制定、工廠設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)整改等，目前已投入實(shí)際運(yùn)行?，F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了減員增效的預(yù)期目標(biāo)，為中小型礦山自動(dòng)化改造提供了一種有效解決方案，值得推廣。