礦山充填系統(tǒng)的儀電控一體化方案設(shè)計

[摘 要]主要介紹礦山充填系統(tǒng)項目改造的方案設(shè)計，具體包括儀表、電氣、控制、工業(yè)視頻1體化設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)采用美國羅克維爾公司生產(chǎn)的SLC500控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)的綜合設(shè)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(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線的具體應(yīng)用情況。系統(tǒng)自2005年在甘肅、浙江等地礦山投入使用以來，已取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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)系到整個礦山的安全生產(chǎn)。傳統(tǒng)的充填系統(tǒng)依靠常規(guī)儀表控制充填料漿的濃度，人為因素較多，工人的勞動強度大，存在不同程度的充填生產(chǎn)質(zhì)量問題。隨著計算機控制系統(tǒng)的普及應(yīng)用，特別是近年來現(xiàn)場總線設(shè)備的快速發(fā)展，為礦山充填生產(chǎn)線的改造提供了強有力的技術(shù)支持。根據(jù)冶金礦山充填的生產(chǎn)現(xiàn)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(tǒng)初步設(shè)計，系統(tǒng)自2005年開始陸續(xù)在甘肅、浙江等地礦山投入使用，至今已取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
礦山充填系統(tǒng)由儀表、電氣設(shè)備、計算機控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)4個部分組成。其中測量儀表22臺，包括流量（有沖板、電磁）、溫度、物位（雷達式物位）、調(diào)節(jié)閥等；電氣拖動設(shè)備19臺，設(shè)備網(wǎng)變頻器10臺，設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場操作箱12臺，設(shè)備智能箱2臺；計算機系統(tǒng)1套；工業(yè)電視1套；6個點，其中2個點由云臺控制，帶錄像功能。
系統(tǒng)構(gòu)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(nèi)置音箱。兩臺計算機實現(xiàn)冗余控制，采用標(biāo)準(zhǔn)電腦鍵盤便于維護更換，配置軟件包括Windows2000操作系統(tǒng)、RSView32生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控組態(tài)軟件和RSNetWork現(xiàn)場總線（設(shè)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(tǒng)。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關(guān)量輸入輸出模板。設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線設(shè)備包括：設(shè)備網(wǎng)適配器，設(shè)備網(wǎng)電源以及設(shè)備網(wǎng)下掛的操作箱、信號箱、設(shè)備網(wǎng)變頻器等。采用現(xiàn)場總線設(shè)備后，檢修工作量大大降低，設(shè)備能夠長期穩(wěn)定運行。

2 系統(tǒng)設(shè)計
整個系統(tǒng)采用了儀表、電氣、控制系統(tǒng)1體化的設(shè)計思想�，F(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸以I/O模板和現(xiàn)場總線的方式實現(xiàn)，采用兩臺冗余上位計算機實現(xiàn)人機對話，通過下位控制器以程序指令方式實現(xiàn)全部生產(chǎn)過程的邏輯及復(fù)雜控制。
2.1 儀表電氣部分
2.1.1 儀表系統(tǒng)
儀表測量數(shù)據(jù)的顯示、報警以及調(diào)節(jié)儀表的參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)全部在上位計算機上完成。儀表信號采用2線制或4線制兩種方式通過模擬量輸入板直接采入控制器，采用標(biāo)準(zhǔn)的4～20mADC輸入信號。
現(xiàn)場執(zhí)行儀表（如調(diào)節(jié)閥）由控制器的模擬輸出板以標(biāo)準(zhǔn)的4～20mADC信號直接驅(qū)動。
控制方案、PID回路及相關(guān)參數(shù)、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(tǒng)
系統(tǒng)中的電氣信號傳輸采用了以下方式：
（1）控制器設(shè)置于低壓配電室，來自低壓柜的開關(guān)量輸入（DI）信號以系統(tǒng)配電電源（220VAC）的方式通過開關(guān)量輸入板直接接入控制器，不再另外設(shè)置24VDC繼電器轉(zhuǎn)換隔離。
（2）開關(guān)量輸出（DO）通過開關(guān)量輸出板，經(jīng)24VDC繼電器隔離后以無源方式輸出。
（3）所有電氣設(shè)備的機旁操作箱、遠(yuǎn)方電氣設(shè)備（如遠(yuǎn)方皮帶機）、全部變頻器等設(shè)備以設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線的方式通過設(shè)備網(wǎng)適配器下掛于SLC500控制器。
（4）所有電氣設(shè)備的狀態(tài)顯示、故障報警、啟動停止操作，以及有關(guān)數(shù)據(jù)的修改等全部在上位計算機集中完成。
（5）單臺電氣拖動設(shè)備的操作方式設(shè)置為機旁、檢修和集中3種狀態(tài)。通過機旁操作箱的轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇不同工作方式。當(dāng)處于檢修狀態(tài)時，任何地點都不能起動設(shè)備。停車功能在任何方式下都可以有效。當(dāng)設(shè)置為機旁工作方式時，設(shè)備處于無聯(lián)鎖狀態(tài)，主要用于設(shè)備檢修后的試車，正常生產(chǎn)時設(shè)備應(yīng)處于集中工作方式。
設(shè)備的啟動停止、控制連鎖邏輯、電氣程序指令以及部分設(shè)備的報警功能等存貯在下位控制器中。
2.1.3 設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線
現(xiàn)場操作箱、變頻器等設(shè)備以現(xiàn)場總線的方式與設(shè)備網(wǎng)相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號傳輸。
設(shè)備網(wǎng)的設(shè)備通過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(xiàn)場智能操作箱通過內(nèi)配1個1747-8B8P的BLOCK/IO模塊實現(xiàn)開關(guān)量數(shù)據(jù)的上下傳輸。
變頻器通過可選件GM5通信卡實現(xiàn)包括開關(guān)量、模擬量的雙向傳輸（包括設(shè)備狀態(tài)、啟動停止驅(qū)動、運行電流、工作頻率等）。
2.2 上位計算機監(jiān)控組態(tài)
控制系統(tǒng)設(shè)置兩臺操作站，位于中央控制室操作臺上，便于生產(chǎn)操作人員對整個生產(chǎn)過程的監(jiān)控管理，所有的工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時顯示，可以在操作員站啟停所有的運行設(shè)備，并對工藝參數(shù)進行人工干預(yù)調(diào)整。
實際生產(chǎn)中的人機對話通過上位計算機中的BS View32監(jiān)控組態(tài)軟件全面實現(xiàn)。
生產(chǎn)設(shè)備以形象化的圖形在上位機上顯示，并且與現(xiàn)場的設(shè)備動態(tài)對應(yīng)，同時附有運行參數(shù)，便于生產(chǎn)操作工對設(shè)備的實時監(jiān)控管理。上位機組態(tài)畫面包括：工藝流程畫面、設(shè)備啟停畫面、工藝參數(shù)趨勢畫面、設(shè)備故障報警畫面和生產(chǎn)報表正常生產(chǎn)時顯示工藝流程畫面，出現(xiàn)故障時報警畫面自動彈出，當(dāng)操作員需要啟停某1臺設(shè)備時，點擊畫面上的對應(yīng)設(shè)備后啟停窗口會自動彈出。
在控制系統(tǒng)的組態(tài)上，做到不同班次的操作人員有各自的登錄權(quán)限及口令，系統(tǒng)自動記錄登陸用戶、時間以及發(fā)出的操作指令，維護工程師可以查詢所有歷史操作，便于系統(tǒng)的維護及管理。
另外，本控制系統(tǒng)支持在車間調(diào)度室對整個工藝流的監(jiān)視，但只能監(jiān)視設(shè)備及工藝流程，不能對設(shè)備進行啟停操作，也不能對任何工藝參數(shù)進行修改。
常規(guī)儀表盤的數(shù)據(jù)顯示、電氣操作臺的顯示等操作，全部通過上位計算機以形象的、可視化圖形方式實現(xiàn)。
2.3 下位控制器控制程序
整個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控制系統(tǒng)的核心部分，所有控制功能的實現(xiàn)、設(shè)備的連鎖保護、數(shù)據(jù)的采集處理計算、復(fù)雜調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)采集由SCP指令完成，前級通過GEQ指令做比較，采用MOVE指令進行數(shù)據(jù)清0。
所有電氣設(shè)備的機旁操作箱采用了設(shè)備網(wǎng)智能操作箱，指示燈、操作按鈕等指令全部通過設(shè)備網(wǎng)總線方式傳輸。部分儀表測量數(shù)據(jù)的簡單報警保護直接在上位計算機通過RSView32實現(xiàn)，復(fù)雜的邏輯控制及報警保護可以通過下位控制程序?qū)崿F(xiàn)。有關(guān)儀表、電氣、控制系統(tǒng)的重故障報警可以通過外部警鈴向生產(chǎn)操作人員及時提示。
2.4 控制關(guān)鍵技術(shù)
（1）攪拌筒液位自動控制。攪拌筒砂漿液位的穩(wěn)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度。攪拌筒前的各供給量，包括水泥、水、棒磨砂等的量是穩(wěn)定連續(xù)的，攪拌筒的液位通過出口閥的開度自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)液位的穩(wěn)定，液位的保持高度可以通過人機界面輸入，也可根據(jù)需要給出液位高度的死區(qū)誤差。在給定的區(qū)域內(nèi)可視為液位正常，出口閥不動作。
（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(biāo)，是必須確保的。砂漿濃度指標(biāo)可以通過人機界面給定，根據(jù)工作需要可以隨時個性調(diào)整。具體控制中以砂漿量的給定值為基準(zhǔn)，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)自動調(diào)節(jié)并穩(wěn)定供給。通過濃度計實現(xiàn)砂漿濃度檢測，根據(jù)測試值的偏離大小及時調(diào)整相關(guān)量的給定系數(shù)，數(shù)據(jù)采集由SCP指令完成。
（3）給水量自動控制。給水量控制是濃度控制的關(guān)鍵，水流量只與給水閥門的開度有關(guān)。水流量的控制目標(biāo)值在手動方式時由操作員輸入、自動方式時根據(jù)棒磨砂量按比例計算得出。
（4）給砂量自動控制。給砂量通過變頻器調(diào)節(jié)。以砂漿濃度為目標(biāo)，形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)給砂量的自動調(diào)節(jié)。其中的控制難點在于皮帶過長，造成的控制滯后，在控制方法上通過微分環(huán)節(jié)的系數(shù)設(shè)定解決。

3 結(jié)束語
儀、電、控、視頻1體化方案在礦山充填系統(tǒng)的成功應(yīng)用，徹底改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式。在礦山生產(chǎn)的發(fā)展中，具有深遠(yuǎn)的意義。特別是采用了設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)后，從設(shè)計、施工到生產(chǎn)運行中的在線維護、以及系統(tǒng)后期的設(shè)備增容等都10分便利。縮短了設(shè)備維護處理時間，提高了設(shè)備開動率，降低了停工時間和間接費用，特別是降低了工人的勞動強度，提高了企業(yè)生產(chǎn)率。項目投產(chǎn)后，年節(jié)約水泥、棒磨砂、尾礦等物料及人工費用達100多萬元，經(jīng)濟效益10分顯著。

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