破碎作業自動化控制系統的智能升級改造

喬 嬌

（山東黃金礦業（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441）

1 焦家金礦破碎自動控制系統架構

焦家金礦選礦車間破碎作業采用三段一閉路+洗礦工藝流程，小時處理能力為600噸左右。破碎作業所有設備都已納入自動控制系統，該系統采用“3+2”工業測控網絡架構，“3+2”指的是三層設備和兩層網絡。

三層設備包括：管理層設備、控制層設備、執行層設備。

管理層設備：采用CS結構搭建的計算機監控設備層，即控制中心[1]。控制層設備：采用PLC技術搭建的數據采集、運算、控制的控制層。破碎作業控制單元CPU為RX3i310一臺，無備用設備。其洗篩遠程I/O站NIU配置為一臺IC695NKT001。執行層設備：儀表、執行機構、電氣和復雜設備的自動化系統[2]。

兩層網絡包括：控制網與監控網。控制網：執行層與控制層之間通信網絡，包括ROFIBUS-DP；PROFIBUSPA；MODBUS RTU等協議。監控網：控制層與管理層設備之間的通信網絡，采用TCP/IP的工業以太網進行通信。

2 破碎自動控制系統存在的問題

勒索病毒等問題的爆發，這類病毒容易通過局域網進行傳播，擴散到選礦車間工業網。工業網一旦遇到服務器死機等故障，將造成操作員站控制失靈而導致的皮帶壓礦、球磨機不能正常供料、停料等事故的發生。

破碎自動控制系統的核心就是CPU柜，破碎段自動控制系統現在只有一個CPU柜，只安裝有一臺RX3i310，既無熱備也無冷備，一旦此CPU柜的模塊、電源或者其他組件出現故障，將導致破碎段整個自動控制系統失靈。

執行層設備（儀表與設備）存在的問題：①粉礦倉布料小車激光測距定位系統腐蝕嚴重、定位失靈。②選礦車間破碎篩分流程缺少有效的篩網狀態監測手段，一旦篩網出現破損，大塊礦石直接進入磨礦流程，影響磨礦效率。

Profibus DP：因DC24V供電不穩、信號干擾等問題，ABB軟啟DP通訊經常出現設備失聯等故障。因料倉進料時，粉塵大、濕度大，造成料位計的數據誤判斷。線路敷設對PA通訊存在一定的電磁干擾，造成料位計的通訊異常。

監控網（PLC與服務器之間的通訊）：

破碎PLC與服務器之間采用以太網通訊，網線為普通超五類雙絞線，無屏蔽層，抗干擾性能差，通信速度慢。并且已敷設10年，部分網線出現彎折、破損，影響了信號傳輸的穩定性，今年來通訊問題頻發。

3 自動化提升方案措施

管理層設備——進行選礦車間工業網優化改造。與選礦車間各工段溝通，利用分段停車時間，對選礦車間的服務器、交換機、光纖以及供電線路進行改造。將四臺服務器有步驟、按順序地撤離，并安裝在工業網新柜內。對交換機進行提速擴容，將其升級為光纜交換機。對接入選礦工業網的所有網線進行制作更換，并進行有效防護。為避免各種網絡病毒的侵襲，專門制定了信息安全防范方案，并聯合北京礦業研究總院人員對選礦車間服務器、工程師站以及操作員站進行深度病毒查殺，以此徹底杜絕網絡病毒的侵害。

控制層設備——增加CPU控制柜，進行CPU柜冗余（雙機熱備）設計，新增一套CPU柜，完成此CPU柜的設計、組態、安裝(包括控制柜1臺，I/O機架電源2個，I/O架16槽1個，CPE330兩臺，以太網模塊，32DI，32DO，8AI，前連接器，Profibus-DP主通訊模塊，空槽模塊，24VDC電源，交換機EDS-405A，modbus主站以及其他柜內附件等)，完成此CPU柜的電氣接線、程序遷移，系統調試。

執行層設備，在粉礦倉的布料小車上，安裝基于無載波技術的UWB系統。該系統采用非接觸式測量，系統不受粉塵影響，測量精度高、刷新速度快。建立篩分環節篩網異常偵測及塊度聯動報警系統。

控制網——進行改造，DP通訊分類敷設，PA通訊。對破碎段配電室的DP通訊進行重新梳理，按類別區分為三類：變頻器類、軟啟動器類、馬達保護器類。每一類驅動設備用一路DP通訊線纜進行連接，并將其連接到各自的DP主站。

在DP通訊線纜的進線出線側都做好標簽記錄，以便日后維修。對PA保護線路進行優化升級。將原有PA線路的鍍鋅鋼管保護全部更換，換成貼地敷設的，不易腐蝕的高壓膠管。為了減少電磁干擾，對PA線路和DP線路進行全面改造，重新規劃敷設路線，規定安全距離，進行隔離，單獨敷設。

監控網——升級光纜及交換機：

（1）對監控網進行全面升級，將破碎PLC主站至服務器的交換機、洗篩遠程I/O分站至破碎PLC主站的交換機升級為光纜交換機，將通訊線纜升級為光纜。

（2）破碎段AB PLC、GE PLC、RED LION、上位機之間使用的通訊線為超五類4對非屏蔽雙絞線電纜，全部更換為超六類無氧銅雙屏蔽電纜線。確保通訊網線有很好的抗干擾性，保持信號傳輸正常，降低線纜間的相互干擾，屏蔽外界的電磁信號。

（3）破碎段AB PLC、GE PLC、上位機等12臺設備連接在同一網段，用1臺TL-SL1218P千兆上聯以太網PoE交換機，16個10/100 Base-T RJ45端口，將12臺設備整合以便統一管理，避免破碎段因通訊中斷、信號傳輸不穩影響正常生產。

4 效益和效果

項目對基礎自動化技術進行完善，實現了自動化控制系統向智能化控制的升級，經運行驗證，控制效果良好。

4.1 管理層

工業網自改造以來，在車間各工段作業流程都運用良好，服務器運行更加穩定，自動控制更加靈敏，此前因服務器故障而導致自動控制失靈的問題得到徹底解決。

4.2 控制層

項目改造完成后，有效減少了因plc自動控制柜硬件、軟件故障導致的破碎停車事故，每年增加破碎開車時間約10個小時，有效提升磨機處理量。

4.3 設備層

采用基于UWB的無載波技術的定位系統，可實現布料小車的精準定位。技術人員在此基礎上進行了軟件設計，優化了布料小車的控制程序，實現了優先布料、自動布料、均勻布料、故障報警等功能，球磨機的處理能力因此得以進一步提高。

4.4 控制網

通過對各類電機驅動設備分類敷設DP通訊線路，對軟啟進行獨立DC24V供電，提高了DP通訊線路的穩定性和可靠性，避免了因通訊故障而導致的設備故障停車事故，提高了設備運轉率。

通過對選礦廠自動控制系統通訊的完善改造，基本避免了因通訊不穩造成了料倉溢礦、掩埋給料機等事故的產生，保障了設備開車時間，確保了破碎處理量。

4.5 監控網

將監控網的無屏蔽的超5類網線升級為光纜，監控網的交換機也更新為光纜交換機，工業網通信速率更快、穩定性更高，為選礦自動化的高效運行奠定了基礎。