摘 要：本文設計了一套基於PLC的監控系統，應用於金礦碎礦生產線控制系統改造。系統由性價比高的PLC，工控機和組態軟體構成。通過PLC編程，實現了對生產設備的全面自動控制、聯鎖保護、運行狀態監測等功能;運用組態軟體，設計了具有良好的人/過程接口能力的監控畫面，實現了過程信息的集中顯示和處理。實際運行表明，該系統功能設計合理，運行可靠，顯著提高了生產效率。
關鍵詞：金礦;設備改造;監控系統;PLC;組態軟體
1 引言
近年我國不少礦山企業為了實現高效、節能、環保等各方面日益增長的要求，積極進行設備的更新改造。某金礦在碎礦生產環節引進了Nordberg HP圓錐破碎機，以進一步優化生產指標和提高效率。但是該礦原先採用的碎礦生產控制系統是以人工操作為主的常規繼電器控制方式，自動化水平低，對生產過程的各種信息缺乏有效的監控手段，不能及時響應各種情況，加上電氣設備老化，故障率高，維護頻繁，嚴重製約了新裝備生產效率的發揮。因此，需要對原有控制系統一併進行改造。
可編程控制器（PLC）作為一種先進的工業自動控制裝置，具有功能強大、編程靈活、調試使用方便，且性價比高等眾多優點，特別是它適應各種工業環境的能力和高可靠性，使它得到廣泛的應用。因此在本改造項目中，決定採用PLC來改造並擴展原有控制系統的功能，並且運用組態軟體，設計生動直觀、功能豐富的監控流程畫面，實現生產過程信息的集中顯示和處理。
2 工藝與控制要求
某金礦碎礦工藝為三段一閉路流程：原礦首先從原礦倉通過重型板式給礦機送入鄂式破碎機進行粗碎，然後由1# 皮帶給入標準圓錐破碎機進行中碎，再經2# 皮帶給入振動篩，篩上產品經3# 皮帶返回短頭圓錐破碎機進行細碎，細碎產品匯入2# 皮帶，與振動篩構成閉路;篩下合格產品由4# 皮帶送至粉礦倉。在控制上主要是對破碎、篩分及輸送設備的起/停控制、聯鎖控制及保護，以及對設備運行狀態和關鍵參數的監測記錄，包括：①重板給礦機、鄂式破碎機、2台圓錐破碎機、振動篩及4台皮帶設備的電機起停控制、電機過載（熱繼電器狀態）的監測及自動聯鎖;②2個圓錐破碎機稀油站、自動除鐵裝置、及3台除塵風機起停控制和工作狀態監測;③粉礦倉超聲波料位計的信號監測;④控制室與現場各車間聯絡的聲光警示信號。
本次改造還增加了以下項目：⑤鄂式破碎機、2台圓錐破碎機和軸瓦溫度監測;⑥2台圓錐破碎機的電機工作負荷電流監測，以實現恆定負荷控制;⑦1#和3#皮帶安裝電子皮帶秤和變頻器，以實現給礦量控制;⑧控制室原有集中操作台和設備就地開關保留，和PLC控制系統通過轉換開關進行工作方式切換。
3 系統硬體配置
根據前述控制要求，在充分考慮了系統的可靠性、穩定性、通用性基礎上，確定本監控系統採用集中式的控制結構，分為3級：過程監控站、PLC控制器和現場電氣驅動和信號檢測。PLC控制器選用西門子SIMATIC S7-300，該型PLC技術成熟可靠，應用廣泛，具有功能強、速度快、模塊化等特點，具體配置為：CPU314，帶有MPI接口，配64k EPROM存儲卡做程序掉電保護;16通道DI模塊SM321，5個;16通道DO模塊SM322，3個;8通道AI模塊SM331，2個;4通道AO模塊SM332，1個;考慮系統的總點數和今後擴展的需要，配置了1個擴展機架，主機架和擴展機架之間通過通信模塊IM360和IM361通信。監控站採用研華工控機，運行澳大利亞的CitectSCADA過程監控組態軟體。S7-300和監控站計算機的通信採用MPI接口，在上位機中安裝CP5613通訊卡，通過MPI電纜進行連接。
4 PLC控制功能設計
PLC程序是實現整個系統功能的核心，設計內容較多，下面主要介紹生產設備的起停聯鎖邏輯控制和破碎機恆定負荷控制。
4.1設備起停聯鎖邏輯控制
碎礦設備控制具有以下特點：逆流程起動，即先起動4 # 皮帶機，最後起動重板給礦機;順流程停機，即先停重板給礦機，最後停4 # 皮帶機，並根據皮帶速度、長度加以延時間隔，以免發生堆料的現象。為保護設備及人員安全，還需要滿足較為複雜的聯鎖關係：
①當皮帶機、振動篩、圓錐破碎機、顎式破碎機中任一設備發生非正常停車或嚴重故障時，立即停止上游設備的運行，下游設備保持原工作狀態不變;當重板給礦機、除塵器和除鐵裝置等輔助設備發生故障跳閘時，只向主控室發出故障信號，而不中斷系統的運行;
②重要設備如圓錐破碎機等受到監測的軸瓦溫度、電機負荷電流和稀油站工作參數信號也參與聯鎖，在信號超限時自動停機，以防止設備受損;
③根據皮帶機系統的故障性質，進行緊急停機、順序停機或發出聲光報警;
④在監控站畫面上及操作台都設有「緊急停止」按鈕，當出現重大險情和故障時，操作「緊急停止」按鈕能立即停止全線設備。
系統從安全可靠、靈活高效的原則出發，設置3種控制方式：
①計算機控制方式，正常生產時使用，操作員在監控站畫面實現設備聯動或單動;
②操作台控制，是保留系統原來的操作方式，作為監控站失效時的備用;
③就地控制，可以用機旁電氣開關實現設備的起/停，滿足設備檢修、試車、緊急事故處理的需要;在PLC柜上設有轉換開關和轉換預置按鈕，可在3種控制方式間進行任意轉換。
通過對上述控制功能和PLC各個輸入輸出信號的仔細分析，確定出單台設備的控制邏輯，利用西門子STEP7編程軟體編寫出梯形圖（LAD）程序，見圖1。
其中，K為控制設備起/停的PLC輸出信號，Y為啟動邏輯信號，T為停止邏輯信號，由以下信號按一定邏輯關係產生：L ，與該設備有聯鎖關係的其他設備運行狀態;S1，上台設備啟動後延時觸發信號;S2，轉換開關處於計算機控制方式;S3，監控畫面單動/聯動方式選擇按鈕，「1」為聯動，「0」為單動;S4，監控畫面單動按鈕;S5，控制方式預轉換按鈕;S6，轉換開關狀態，為「1」表示處於就地控制;S7，設備正在運行狀態，是中間繼電器信號;B1，聯動停止信號，由上台設備停止後觸發產生;B2，監控畫面停止按鈕;D1，預轉換過程結束信號，「1」表示轉換結束，由定時器延時觸發;B3，監控畫面緊急停止按鈕;B4，操作台緊急停止按鈕;S8，與該設備存在聯鎖關係的其他設備運行狀態;S9，該設備PLC控制輸出狀態，為「1」表示PLC控制線路接通。
圖1 單台設備起/停控制梯形圖
4.2 破碎機恆定負荷控制
Nordberg HP 圓錐破碎機是本次項目改造中的關鍵設備，為使其穩定在最佳工作負荷狀態，達到最大處理能力，採用恆定功率控制方式，以主傳動電機的功率（電流）作為被控參數，通過變頻調速，動態調整給礦皮帶給礦量的大小。經實驗分析發現，若僅以電機功率作為被控參數構成單迴路控制系統，由於給礦皮帶的傳輸需要一定的時間，即存在純滯後，當給礦量擾動發生後，將導致調節作用大大滯後，且易發生振盪，系統動態品質難以保證。為了克服系統的純滯後，決定採用串級控制：在給礦皮帶上安裝電子皮帶秤，以給礦量為副參數，主傳動電機的功率為主參數構成串級控制系統，見圖2。
圖2 圓錐破碎機恆定負荷控制方框圖
由圖可見，當粒度、硬度、黏度等因素發生變化引起給礦量擾動發生時，給礦串級控制系統多了一個副迴路，不等擾動影響到負荷功率，副迴路立刻進行調節，從而具有較強的抗擾動能力，提高了系統的動態特性和主參數的控制質量。
5 監控站人機界面設計
監控軟體採用澳大利亞的CitectSCADA組態軟體。CitectSCADA採用開放式結構，支持多種型號的PLC和I/O設備，只要在組態時設置PLC類型和通信參數，並在監控畫面的控制項屬性中設置正確的PLC位地址或字地址，監控軟體就能建立起與PLC內部地址的連接和通信。我們利用它強大的圖形組態技術和豐富的用戶函數，設計了以下功能：
①流程監控畫面（見圖3），通過動態、變色、閃爍、數字、棒圖及曲線的方式實時監視各電氣設備、工藝參數的工況，操作人員點擊畫面按鈕可以實現全線設備單動起/停、聯動起/停、緊急停車、現場詢問等控制功能;
②生產數據統計，對設備的起/停時間，班運轉時間、起/停次數累計等信息自動記錄並顯示，對於合理安排生產和設備檢修具有重要意義;
③自動報表，將生產統計數據按生產班次定時列印;同時，在監控畫面設計了報表列印按鈕，可以在任何需要的時候進行列印;
④在線操作指導，採用Windows超級連結文本幫助的形式，向操作人員提供了方便、快捷的查找關於生產工藝操作、軟體使用方法和設備維護等信息;
⑤報警功能，在每幅畫面上都有報警標誌，設備故障、工藝參數異常都會觸發相應的報警，每個報警都有詳細的說明和原因解釋，並有完善的報警確認、報警屏蔽和報警歷史記錄;
⑥權限安全設置，通過設置工程師和操作員2級權限，明確了生產操作和管理職責，防止了誤操作，有效的增強了系統的安全性、可靠性。
圖3 流程監控畫面
6 運行效果
目前本控制系統已成功投入使用，取得了良好的效果：①生產效率顯著提高。破碎機恆定負荷控制後，擠滿給礦率由人工操作的60 %左右提高到90 %以上，主機運行負荷功率由人工操作的170 kW（主機電流28 A）左右，穩定提高到200 kW（主機電流33 A） 以上，處理能力得到充分發揮，台時處理量提高15 %，綜合電耗降低了13%;②設備得到有效保護。破碎機負荷電流和軸溫信號受到監控，一旦超限會及時報警和聯鎖制動，從而解決了因為堵料造成電機超載、皮帶燒毀以及爆軸的問題;③系統故障率明顯下降，維護工作大大減少，設備穩定運轉得到充分保障;④減少了人員編制，僅需要2人就完成相當以前5人的工作。
7 結語
本文作者創新點：採用S7-300 PLC和CitectSCADA過程監控組態軟體，對金礦碎礦生產控制系統進行了設備改造，實現了生產設備操作的自動控制、聯鎖保護、數據集中顯示和處理等較為全面的功能。從實際運行的效果來看，該系統設計合理，穩定可靠，顯著提高了生產效率。