小型礦山破碎篩分系統自動化改造設計及應用

杜自彬，王應麗，孟書強，趙 虎，朱成睿

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3河南發恩德礦業有限公司 河南洛陽 471700

河 南發恩德礦業有限公司是加拿大希爾威金屬礦業有限公司(主要在中國從事礦山項目的收購、勘探、開發和生產業務)的一家子公司，現已成為希爾威公司的主力礦山，并發展成為中國最大的白銀精粉供應商，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。

該公司二選廠設計處理鉛鋅銀礦石規模為 1 000 t/d，年處理礦石 30.0×104t，服務年限 31 a，穩產 29 a。原礦平均品位為：Pb 4.7%，Zn 3.6%，Ag 312 g/t。精礦產品指標為：Pb 65%(其中 Ag 3 562 g/t)，回收率93%，產率 6.72%；Zn 50%(其中 Ag 413g/t)，回收率 81.5%，產率 5.87%。尾礦產率 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 工藝流程及主要設備

破碎篩分系統工藝流程如圖 1 所示，采用三段一閉路流程，碎礦給料粒度為 500～0 mm，最終產品粒度為 15～0 mm。主要設備：粗碎采用 1 臺 PE-800×1100 顎式破碎機，中碎采用 1 臺 PYH－3CC 圓錐破碎機，細碎采用 1 臺 PYHD－5C 圓錐破碎機，篩分采用 1 臺 KR3060 振動篩，處理量為 162 t/h，設備作業率為 61.7%。該系統包含 5 條帶式輸送機(其中 3 條為大傾角帶式輸送機)，運行維護成本較高。現崗位配置操作人員 18 人，由于大傾角帶式輸送機在運行中易產生粉塵，崗位危害也較大。

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

2 存在的問題及改造目標

二選廠現有破碎、篩分工段的設備操作全部為就地、人工操控，給料量全憑操作人員經驗，易造成設備過負荷跳閘或給料量過小，生產效率低下。同時需要對設備運行情況進行全程跟蹤，人員配置多、勞動強度大，而且現場噪聲、粉塵較大，不利于職業病防護。

改造目標是通過對選廠破碎篩分系統現有設備進行自動化、集中控制改造，實現設備運行參數實時監控，輸送設備和給料設備聯鎖，并保證細碎圓錐破碎機滿腔給料等，以降低設備故障率及工人的勞動強度和接塵概率，提高設備運轉率和碎礦臺效，達到降低能耗，最終實現“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的智慧礦山建設目標。

3 改造措施

采用中控室增加工控機(工業級電腦)，通過博圖 WINCC 軟件組態操作畫面，以西門子 S7-1200 系列 PLC 為核心的就地控制柜并進行編程的技術方案。PLC 控制方式采用多站式分布式控制，在粗破碎、中細碎、篩分工段分別加裝就地 PLC 站，通過 TCP/IP以太網通信方式連接各個子站，實現在中控室全流程控制、設備分別單獨啟停、全系列設備一鍵啟停等功能。

根據現場工藝和設備實際布置情況，控制系統共采用 5 個西門子 S7-1200 系列 PLC 作為主站，其中粗破碎車間、中細碎車間、篩分車間分別設置 1 個S7-1200 主站，用于控制本車間的設備，新增的控制柜與原有啟動控制柜并排放置，以減少電纜敷設工作量[2]。

中碎液壓潤滑站及細碎液壓潤滑站原本自帶就地控制箱，控制回路為傳統繼電器系統，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的液壓泵、潤滑泵、加熱器啟停控制功能，觸摸屏作為就地操作的人機界面替代原有的按鈕和指示燈。

3.1 控制系統網絡

如圖 2 所示，控制系統采用星形網絡架構，中控室工控機與分布在現場車間內的 5 個 S7-1200 PLC 控制站接在同一臺交換機上，中碎液壓潤滑站觸摸屏、細碎液壓潤滑站觸摸屏通過交換機分別與對應的 PLC連接。為了兼容未來智能化控制系統和物聯網系統，還預留了第三方系統的網絡通信接口，通信協議為OPC 協議。

西門子 PLC CPU1214C 本體集成了 1 個 PROFINET 通信口，支持以太網和基于 TCP/IP 的通信協議，使用這個通信口可以實現 S7-1200 CPU 之間的通信，以及與編程設備、觸摸屏、PC 端 WinCC 人機界面之間的通信。這個 PROFINET 物理接口采用 RJ45口，支持 10/100 Mb/s 網線直連和交叉連接。

3.2 硬件設計

圖2 控制系統網絡簡圖Fig.2 Sketch of control system network

控制系統在硬件架構上分為上位監控部分和下位控制部分，其中上位監控部分采用單站結構，即采用1 臺工控機，同時承擔服務器、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]。

工控機首先需要滿足人機界面和 PLC 編程工作，實現操作員監視和操作功能；同時還可作為服務器存儲控制系統的實時數據和歷史數據，包括報警、日志、事故記錄追憶等。工控機的配置要求如表 1 所列。

表1 工控機配置要求Tab.1 Configuration requirements of industrial personal computer

現場控制核心設備為西門子 S7-1200 系列 PLC，CPU 型號為 1214C，該 CPU 是西門子主推的 1200 系列緊湊的高性能 CPU，自帶有 24 點集成輸入/輸出、可擴展 1 個信號板、8 個信號模板、3 個通信模塊。中碎和細碎潤滑液壓站現場操作箱人機界面選用 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，面板支持觸摸操作的同時還配有 6 個可自由組態的功能鍵，是用于 S7-1200 控制器系統的理想 HMI 組件。

3.3 軟件設計

控制系統軟件 PLC 及工控機人機界面編程均采用 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軟件就能對觸摸屏、PLC、驅動裝置進行編程調試和仿真操作。

SIMATIC TIA 博途 STEP 7 V15 專業版用于編程組態 S7-1200、S7-1500、S7-300/400 和 WinAC。S7-1200 PLC 是針對中小型項目開發的產品，在 DCS項目上應用不多，故其編程庫中自帶的標準功能塊很少。為了克服這個缺點，本設計針對電動機控制、模擬量信號轉換等通用功能均編寫了相應的 FB 功能塊。如圖 3 所示，在編寫 2 號帶式輸送機控制程序時，只需直接調用電機塊“MOTOR_S_dd”并且將其背景數據塊命名為“2# 皮帶機 DB”就可以了。2 號輸送機人機界面操作面板上的按鈕、指示燈只需要直接訪問對應的 DB 塊“2# 皮帶機 DB”，大大簡化了編程和通信組態工作[4]。

該控制系統人機界面編程采用 SIMATIC TIA 博途 WinCC V15 專業版完成，博途 WinCC 用于組態SCADA 系統，配套 WinCC Runtime 專業版使用。根據二選廠破碎篩分系統改造項目特點，系統操作畫面分為工藝主流程、中碎油站、細碎油站、報警畫面、趨勢畫面共 5 個畫面[5]。

如圖 4 所示，工藝主流程畫面集中顯示了生產線主要設備的運行狀態，操作人員平時通過此畫面即可監控整個系統的實際運行狀態。當需要查看具體細節時再通過切換畫面或者畫面彈出框來實現；當單獨對具體設備進行操作時，只需用鼠標點擊相應設備的圖標即可彈出對應的彈出框。

4 結語

該控制系統根據發恩德二選廠破碎篩分自動化改造項目的實際特點和技術要求，經過現場調研、方案制定、工廠設計、安裝調試及現場整改等，目前已投入實際運行。現系統運行穩定可靠，達到了減員增效的預期目標，為中小型礦山自動化改造提供了一種有效解決方案，值得推廣。