基于某現場布料小車無人值守控制

畢貴先， 關長亮

(丹東東方測控技術股份有限公司， 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能力為6 000t/d，于2001年10月開始施工建設，2003年3月建成投產。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重要。操作人員在設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，導致崗位勞動強度大。粉礦倉的料位沒有可靠的數據作為依據，崗位人員只能通過肉眼進行判斷礦倉料位情況，加上現場工作環境惡劣導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

碎礦采用由強化預先篩分和高效破碎機構成的二段一閉路工藝流程[1]。礦石經預先篩分后篩上產物進入中碎，中碎產品進入檢查篩分作業，篩上物料進入細碎，細碎產品返回檢查篩分，預先篩分與檢查篩分作業的篩下產品進入磨礦作業[2]，現場工藝如圖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備。崗位操作人員日常生產操作中，電動小車換倉較頻繁；礦倉無料位監視，崗位人員全憑肉眼觀察礦倉的料位沒有可靠的數據作為參考，崗位自動化水平低，崗位人員勞動強度大。

圖1 布料小車現場工藝

3 控制策略

布料小車的控制，對于選礦廠至關重要，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，為后續磨礦、浮選的優化控制、專家控制等奠定了前提條件，有利于后續實現大閉環控制。

3.1 控制目標

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

(2)有利于穩定工藝生產過程，減少人為因素，提高設備效率和勞動生產率。

(3)系統具有報警功能。當出現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據庫供以后參考。

3.2 設備要求

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：0.00m。

精度：±5mm(1m內為30mm)。

重復性：0.5mm。

分辨率：0.3mm。

輸出信號：4～20mA/HART，一路開關量輸入和輸出。

波束角：18°，以3dB作為分界點。

適應最大物位變化率：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以內輸出22.5mA，負載最大600Ω；HART通訊最小230Ω；

② 開關量輸入、輸出，開關量輸入 備用，具體功能可根據用戶需求定制，開關量輸出 可實現高/低料位報警或補料區間指示;

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

環境溫度：-20 ～ 65℃。

2)定位開關

檢測距離：100mm±10%。

設定距離：0～80mm。

應差：檢測距離的15%以下。

可檢測物體：磁性金屬、非磁性金屬。

標準檢測物體：鐵200mm*200mm*1mm。

響應時間：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)。

環境溫度范圍：-25～+55℃，35～95%RH(無結冰、結露)。

溫度的影響：10～+40℃的溫度范圍內，+20℃。

電壓影響：在額定電源電壓的±10%范圍內，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。

保護結構：IEC標準IP66。

材質：外殼是鋁壓鑄，檢測面是環氧樹脂。

連接方式：導線引出型(標準導線長1m)。

3.3 控制策略

布料車是選礦廠實現卸料運輸的關鍵性設備，該現場49#布料小車控制過程如圖2所示，采取均勻布料與優先布料的方式，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 布料小車網路配置圖

1)礦倉料位檢測

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

現場共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。根據現場考察情況，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完成，定位開關定位靈敏、準確，控制簡便且受環境因素影響較小，性價比較高。現場共安裝14臺定位開關，每臺料位計對應位置安裝一臺，行程起點與終點各一臺[5]。

3)視頻監控系統

現場在小車入料口、出料口、布料車間均設置帶有紅外夜視功能智能網絡攝像機，實時遠程監測布料車間工作狀態，結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，使用無線網橋進行無線傳輸。

4)PLC控制系統及網絡

自動化控制系統選用西門子S7- 1200控制器作為控制核心，可滿足大部分中小型自動化設備的控制需求。系統包括電源、CPU和I/O模塊，可以執行完全獨立的操作，CPU可擴展3個通信模塊，內置1個以太網端口，通過普通網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。通過以太網接口可與上位機進行通信[6-7]。布料小車網路配置如圖3所示。

5)控制流程

根據料倉高度，現場設置不同料位級別。

(1)當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，進行優先布料。

(3)如果現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的后續流程已經停車，布料小車將不將這些礦倉納入布料范圍，系統將控制布料小車在指定工作的礦倉上方進行布料。

(4)當現場礦倉料位過高或過低時，實現報警功能。

4 實施過程

4.1 布料系統的運行控制

圖5 49#皮帶布料系統卸料控制原理圖

卸料小車采用無線控制，主要設備是無線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；無線IO模塊B安裝在皮帶西側的墻壁上，硬線連接至控制系統相應的信號模塊上，對應接收或發出無線IO模塊的無線信號和控制系統命令。

通過控制系統和無線IO模塊，可以實現遠程對卸料小車的前進、后退、急停、分料的控制，監控小車的運行狀態。同時，通過遠程/本地的切換實現突發狀態下對卸料小車的本地控制。此外，當皮帶下料口因結塊的物料堵塞時，堵料報警觸發，控制系統會控制分料擋板電機，使分料擋板來回運動，擠碎結塊的物料，保證皮帶下料口通暢。為了實現卸料小車的安全運行，分別在小車南側下料口、北側下料口和分料擋板處增設無線視頻，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控，具體控制原理如圖4所示。

圖4 布料系統無線控制原理圖

4.2 布料系統的卸料控制

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

當小車東行至3#倉限位開關時，控制系統接受到限位信號DW3，小車停止10s，在這10s內，控制系統做出以下判斷：當3#倉北側料位LI1006小于設定值SET6- H時，小車停止前進，給3#倉北側加料；當3#倉北側料位LI1006大于設定值SET6- H時，控制系統控制分料擋板電機，將分料擋板切換至3#倉南側加料；當3#倉南側料位LI1005低于設定值SET5- H，小車仍停止前進，給3#倉南側加料；當3#倉南側料位LI1005大于設定值SET5- H時，小車繼續東行前進，停止加料。小車分別給4#、5#、6#倉自動加料，當6#倉加料完成后，小車東行500mm至東限位開關，控制系統接受到限位信號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1#倉加料完成后，小車西行500mm至西限位開關，控制系統接受到限位信號XW1，小車再向東前進，如此依次往復循環。

4.3 控制系統配置

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

5 應用效果

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

表1 布料系統控制系統測點

圖6 布料小車的現場應用圖

6 結論

該布料小車的無人值守控制，通過對現場的詳細分析和具體控制策略制定，實現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，同時大大提高現場的自動化水平，為后續磨礦、浮選的優化控制、專家控制等奠定了前提條件，有利于后續實現大閉環控制。