礦山充填系統的儀電控一體化方案設計

[摘 要]主要介紹礦山充填系統項目改造的方案設計，具體包括儀表、電氣、控制、工業(yè)視頻1體化設計系統。系統采用美國羅克維爾公司生產(chǎn)的SLC500控制系統，介紹了控制系統的綜合設計思想、上位計算機的組態(tài)方法、下位控制器的編程思路，以及設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)的具體應用情況。系統自2005年在甘肅、浙江等地礦山投入使用以來(lái)，已取得較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

0 引言
礦山充填是井下生產(chǎn)的重要1環(huán)，充填質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)。傳統的充填系統依靠常規儀表控制充填料漿的濃度，人為因素較多，工人的勞動(dòng)強度大，存在不同程度的充填生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題。隨著(zhù)計算機控制系統的普及應用，特別是近年來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)設備的快速發(fā)展，為礦山充填生產(chǎn)線(xiàn)的改造提供了強有力的技術(shù)支持。根據冶金礦山充填的生產(chǎn)現狀及發(fā)展需求，甘肅金川有色總公司龍首礦于2004年6月完成系統初步設計，系統自2005年開(kāi)始陸續在甘肅、浙江等地礦山投入使用，至今已取得較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

1 系統構成
礦山充填系統由儀表、電氣設備、計算機控制系統、工業(yè)電視系統4個(gè)部分組成。其中測量?jì)x表22臺，包括流量（有沖板、電磁）、溫度、物位（雷達式物位）、調節閥等；電氣拖動(dòng)設備19臺，設備網(wǎng)變頻器10臺，設備網(wǎng)現場(chǎng)操作箱12臺，設備智能箱2臺；計算機系統1套；工業(yè)電視1套；6個(gè)點(diǎn)，其中2個(gè)點(diǎn)由云臺控制，帶錄像功能。
系統構成如圖1所示。上位計算機采用工業(yè)級的計算機，Dell/1.5GHz/128MB/40GB，內置音箱。兩臺計算機實(shí)現冗余控制，采用標準電腦鍵盤(pán)便于維護更換，配置軟件包括Windows2000操作系統、RSView32生產(chǎn)設備監控組態(tài)軟件和RSNetWork現場(chǎng)總線(xiàn)（設備網(wǎng)）管理軟件。

下位控制器采用美國歲克維爾公司生產(chǎn)的SLC500控制系統。包括16MHz處理器，帶工業(yè)以太網(wǎng)接口、電源、模擬量輸入輸出模板以及開(kāi)關(guān)量輸入輸出模板。設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)設備包括：設備網(wǎng)適配器，設備網(wǎng)電源以及設備網(wǎng)下掛的操作箱、信號箱、設備網(wǎng)變頻器等。采用現場(chǎng)總線(xiàn)設備后，檢修工作量大大降低，設備能夠長(cháng)期穩定運行。

2 系統設計
整個(gè)系統采用了儀表、電氣、控制系統1體化的設計思想�，F場(chǎng)設備數據傳輸以I/O模板和現場(chǎng)總線(xiàn)的方式實(shí)現，采用兩臺冗余上位計算機實(shí)現人機對話(huà)，通過(guò)下位控制器以程序指令方式實(shí)現全部生產(chǎn)過(guò)程的邏輯及復雜控制。
2.1 儀表電氣部分
2.1.1 儀表系統
儀表測量數據的顯示、報警以及調節儀表的參數設定、調節全部在上位計算機上完成。儀表信號采用2線(xiàn)制或4線(xiàn)制兩種方式通過(guò)模擬量輸入板直接采入控制器，采用標準的4～20mADC輸入信號。
現場(chǎng)執行儀表（如調節閥）由控制器的模擬輸出板以標準的4～20mADC信號直接驅動(dòng)。
控制方案、PID回路及相關(guān)參數、連鎖邏輯報警、儀表程序指令等存貯在下位控制器中。
2.1.2 電氣系統
系統中的電氣信號傳輸采用了以下方式：
（1）控制器設置于低壓配電室，來(lái)自低壓柜的開(kāi)關(guān)量輸入（DI）信號以系統配電電源（220VAC）的方式通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入板直接接入控制器，不再另外設置24VDC繼電器轉換隔離。
（2）開(kāi)關(guān)量輸出（DO）通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出板，經(jīng)24VDC繼電器隔離后以無(wú)源方式輸出。
（3）所有電氣設備的機旁操作箱、遠方電氣設備（如遠方皮帶機）、全部變頻器等設備以設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)的方式通過(guò)設備網(wǎng)適配器下掛于SLC500控制器。
（4）所有電氣設備的狀態(tài)顯示、故障報警、啟動(dòng)停止操作，以及有關(guān)數據的修改等全部在上位計算機集中完成。
（5）單臺電氣拖動(dòng)設備的操作方式設置為機旁、檢修和集中3種狀態(tài)。通過(guò)機旁操作箱的轉換開(kāi)關(guān)選擇不同工作方式。當處于檢修狀態(tài)時(shí)，任何地點(diǎn)都不能起動(dòng)設備。停車(chē)功能在任何方式下都可以有效。當設置為機旁工作方式時(shí)，設備處于無(wú)聯(lián)鎖狀態(tài)，主要用于設備檢修后的試車(chē)，正常生產(chǎn)時(shí)設備應處于集中工作方式。
設備的啟動(dòng)停止、控制連鎖邏輯、電氣程序指令以及部分設備的報警功能等存貯在下位控制器中。
2.1.3 設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)
現場(chǎng)操作箱、變頻器等設備以現場(chǎng)總線(xiàn)的方式與設備網(wǎng)相連接，實(shí)現數據和信號傳輸。
設備網(wǎng)的設備通過(guò)1747-SDN適配器下掛于SLC500控制器，網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)采用粗纜，傳輸距離為500m，傳輸速率大于125Kb/s。
現場(chǎng)智能操作箱通過(guò)內配1個(gè)1747-8B8P的BLOCK/IO模塊實(shí)現開(kāi)關(guān)量數據的上下傳輸。
變頻器通過(guò)可選件GM5通信卡實(shí)現包括開(kāi)關(guān)量、模擬量的雙向傳輸（包括設備狀態(tài)、啟動(dòng)停止驅動(dòng)、運行電流、工作頻率等）。
2.2 上位計算機監控組態(tài)
控制系統設置兩臺操作站，位于中央控制室操作臺上，便于生產(chǎn)操作人員對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的監控管理，所有的工藝生產(chǎn)數據實(shí)時(shí)顯示，可以在操作員站啟停所有的運行設備，并對工藝參數進(jìn)行人工干預調整。
實(shí)際生產(chǎn)中的人機對話(huà)通過(guò)上位計算機中的BS View32監控組態(tài)軟件全面實(shí)現。
生產(chǎn)設備以形象化的圖形在上位機上顯示，并且與現場(chǎng)的設備動(dòng)態(tài)對應，同時(shí)附有運行參數，便于生產(chǎn)操作工對設備的實(shí)時(shí)監控管理。上位機組態(tài)畫(huà)面包括：工藝流程畫(huà)面、設備啟停畫(huà)面、工藝參數趨勢畫(huà)面、設備故障報警畫(huà)面和生產(chǎn)報表正常生產(chǎn)時(shí)顯示工藝流程畫(huà)面，出現故障時(shí)報警畫(huà)面自動(dòng)彈出，當操作員需要啟停某1臺設備時(shí)，點(diǎn)擊畫(huà)面上的對應設備后啟停窗口會(huì )自動(dòng)彈出。
在控制系統的組態(tài)上，做到不同班次的操作人員有各自的登錄權限及口令，系統自動(dòng)記錄登陸用戶(hù)、時(shí)間以及發(fā)出的操作指令，維護工程師可以查詢(xún)所有歷史操作，便于系統的維護及管理。
另外，本控制系統支持在車(chē)間調度室對整個(gè)工藝流的監視，但只能監視設備及工藝流程，不能對設備進(jìn)行啟停操作，也不能對任何工藝參數進(jìn)行修改。
常規儀表盤(pán)的數據顯示、電氣操作臺的顯示等操作，全部通過(guò)上位計算機以形象的、可視化圖形方式實(shí)現。
2.3 下位控制器控制程序
整個(gè)工藝流程的控制程序指令框圖如圖2所示。


下位程序指令是整個(gè)控制系統的核心部分，所有控制功能的實(shí)現、設備的連鎖保護、數據的采集處理計算、復雜調節回路的完成等全部由存貯在下位控制器中的程序指令完成。數據采集由SCP指令完成，前級通過(guò)GEQ指令做比較，采用MOVE指令進(jìn)行數據清0。
所有電氣設備的機旁操作箱采用了設備網(wǎng)智能操作箱，指示燈、操作按鈕等指令全部通過(guò)設備網(wǎng)總線(xiàn)方式傳輸。部分儀表測量數據的簡(jiǎn)單報警保護直接在上位計算機通過(guò)RSView32實(shí)現，復雜的邏輯控制及報警保護可以通過(guò)下位控制程序實(shí)現。有關(guān)儀表、電氣、控制系統的重故障報警可以通過(guò)外部警鈴向生產(chǎn)操作人員及時(shí)提示。
2.4 控制關(guān)鍵技術(shù)
（1）攪拌筒液位自動(dòng)控制。攪拌筒砂漿液位的穩定是控制的關(guān)鍵。影響液位變化的變量包括：灰漿量、水量以及攪拌筒出口砂漿閥的開(kāi)度。攪拌筒前的各供給量，包括水泥、水、棒磨砂等的量是穩定連續的，攪拌筒的液位通過(guò)出口閥的開(kāi)度自動(dòng)調節，以實(shí)現液位的穩定，液位的保持高度可以通過(guò)人機界面輸入，也可根據需要給出液位高度的死區誤差。在給定的區域內可視為液位正常，出口閥不動(dòng)作。
（2）砂漿濃度控制。砂漿濃度與水泥量、水量、砂量相關(guān)。濃度是工藝關(guān)鍵指標，是必須確保的。砂漿濃度指標可以通過(guò)人機界面給定，根據工作需要可以隨時(shí)個(gè)性調整。具體控制中以砂漿量的給定值為基準，按比例計算出需要的水泥量、棒磨砂量、水量等，這些需要各自形成閉環(huán)自動(dòng)調節并穩定供給。通過(guò)濃度計實(shí)現砂漿濃度檢測，根據測試值的偏離大小及時(shí)調整相關(guān)量的給定系數，數據采集由SCP指令完成。
（3）給水量自動(dòng)控制。給水量控制是濃度控制的關(guān)鍵，水流量只與給水閥門(mén)的開(kāi)度有關(guān)。水流量的控制目標值在手動(dòng)方式時(shí)由操作員輸入、自動(dòng)方式時(shí)根據棒磨砂量按比例計算得出。
（4）給砂量自動(dòng)控制。給砂量通過(guò)變頻器調節。以砂漿濃度為目標，形成閉環(huán)控制，實(shí)現給砂量的自動(dòng)調節。其中的控制難點(diǎn)在于皮帶過(guò)長(cháng)，造成的控制滯后，在控制方法上通過(guò)微分環(huán)節的系數設定解決。

3 結束語(yǔ)
儀、電、控、視頻1體化方案在礦山充填系統的成功應用，徹底改變了傳統工業(yè)生產(chǎn)模式。在礦山生產(chǎn)的發(fā)展中，具有深遠的意義。特別是采用了設備網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后，從設計、施工到生產(chǎn)運行中的在線(xiàn)維護、以及系統后期的設備增容等都10分便利�？s短了設備維護處理時(shí)間，提高了設備開(kāi)動(dòng)率，降低了停工時(shí)間和間接費用，特別是降低了工人的勞動(dòng)強度，提高了企業(yè)生產(chǎn)率。項目投產(chǎn)后，年節約水泥、棒磨砂、尾礦等物料及人工費用達100多萬(wàn)元，經(jīng)濟效益10分顯著(zhù)。

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