自動化控制技術在鋁土礦生產的應用

1 引言
中國鋁業廣西分公司礦山二期項目是該公司二期40萬噸氧化鋁項目配套工程，設計年產量為110萬噸標準鋁土礦。工程采用先進的控制設備和功能強大的上位機監控軟件構成監控中心，實現對整個礦山生產工藝的全方位監控管理，從采礦、洗礦、破碎篩分至皮帶稱計量、配礦、堆場和污泥沉降及排送處理等全部工藝流程集中控制，完成鋁土礦生產工藝全程自動化。

2 設計依據
鋁土礦生產是露天采礦，采出的礦石直接投入到鋁土礦生產流程中，經過清洗、粗碎、中間堆場、細碎、篩分至產成品鋁土礦，還包含輔助流程:污泥沉降及其排放，其中污泥沉降流程包含沉降溢水及其回收利用，沉降絮凝劑攪拌及其添加等。整個系統生產區域分布廣、設備分散、環境惡劣。特別是設備在生產流程中連鎖運行，若控制不當，任何設備問題都可能引起控制流程改變，如果控制系統不能夠對這些改變做出正確的判斷，則容易引發更為嚴重的安全事故。因此整個系統需要有一個高穩定性的控制器和高可靠性的通訊控制系統。其應具備可靠性、準確性、開放性、安全性和易維護性等特點。
2.1 可靠性
對鋁土礦生產系統在惡劣條件下無故障工作能力有著較高的要求。這就要求我們要把系統的安全、可靠運行作為設計的首要原則。根據鋁土礦生產工藝流程，系統分為主站和從站兩部分，主站負責主要流程:洗礦與篩分;從站負責輔助流程:污泥沉降及排放。兩者互不干擾，通過冗余通訊網絡相連。主站與從站均采用了雙機熱備控制系統，包括電源冗余、CPU冗余、通訊冗余，機架冗余。控制器與上位機通訊網絡采用100M工業以太環網，構成冗余通訊，以太網連接設備出現問題不會影響其他設備通訊。整個控制系統網絡具有無以倫比的可靠性。
2.2 準確性
在鋁土礦生產系統中，各監測點數據的實時、準確的采集，并且可以準確地控制設備無疑是系統的核心，這就要求系統硬件要具有高可靠性的數據采集、控制能力并有可靠的通訊方式，系統軟件必須可以及時準確的對數據進行分析處理。系統采用業內公認標準通訊協議Modbus，并且物理信道采用TCP/IP，Modbus完善、簡潔的通訊指令集，TCP/IP傳輸的方便、快捷，這些都為系統數據的實時傳輸和控制提供了更高的可靠性。
2.3 開放性
要組成一個最優的自動化系統。除了選用高品質、高性能的自動化產品，還需是具有標準通訊協議的產品。配置的系統控制器提供了串行的MODBUS通訊接口和上位機以太網接口，具有標準接口的設備如軟啟動器、重型板式給礦機均接入MODBUS通訊網絡，也提供MB+網絡實現與變頻器的通訊連接。而對于其他沒有標準通訊協議的設備如電機智能保護器、水位控制儀等特配置MB+通訊網橋，利用其提供的通道方便接入到控制系統。并且上位機通訊為以太網絡, 以太網絡的便捷提供了更加豐富監控管理功能。
2.4 安全性
通信安全性與系統控制安全性。硬件配備有不間斷電源UPS，PLC采用雙機熱備，上位機互相備用。可以保證系統任何一個單一元件出現問題均不會影響礦山的安全生產。系統控制操作的安全性是對控制軟件設置加密手段。
2.5 維護性
編程與監控軟件易學易用;重要設備的電機電流、電壓、故障等參數在上位可以檢測到;故障聲光報警，可以通知維護人員;操作有歷史紀錄。
2.6 系統防雷
礦山所處地理環境特殊，屬于雷電多發地帶。為保證系統可靠運行，避免從天饋線、電源線、遙測設備與傳感器間的信號線引入雷電損壞設備，采用下列避雷措施:
●安裝避雷針，避雷針的接地電阻應小于4Ω。天線系統安裝天饋避雷器;
●通訊網絡采用數據信號專用避雷器;
●室外傳輸電纜加裝繼電器保護。

3 系統工藝流程
整個礦山工藝流程共分為四大部分:洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排放，洗礦和篩分為主要流程，污泥沉降和排放為輔助流程。
由采礦車運來的原始鋁土礦含泥量多，其由選礦機送入重型板式給礦機，然后進入圓筒篩洗機進行第一遍洗泥，大塊的較易清洗的礦石由皮帶運行至破碎機進行破碎,小塊的不太干凈的由槽式洗礦機進行第二次清洗后直接送入中間堆場。對于3、4年礦含泥量高則需要進入難洗流程然后再送入中間堆場。中間堆場的半成品在顆粒大小上還不符合鋁土礦的要求，需再進行第二次破碎即細碎，為保證生產出完全合格的鋁土礦，在細碎后鋁土礦會通過一個振動篩對細碎后的礦石進行篩選，合格的鋁土礦直接送入成品倉庫，不合格的繼續破碎直到符合要求。為了環境保護,洗礦流程中產生的廢水泥漿要進行處理，通過專用管道洗礦流程產生的泥漿直接排放到濃密池中進行沉降，沉降過程中需要根據礦漿的濃度調節絮凝劑的用量，使用量不夠則沉降泥漿濃度低浪費能源，使用量過多則沉降泥漿濃度大，不易排出。濃度合適泥漿最后由排泥加壓泵打至排泥庫，返還給大地。

4 系統組成及網絡通信功能
4.1 洗礦流程PLC主站基本要求
(1) 開關量輸入:300點;
(2) 開關量輸出:500點;
(3) 模擬量輸入:30點;
(4) 模擬量輸出:16點;
(5) 通過MB+通訊總線連接變頻器，通過MODBUS 連接軟啟動器和重型板式給礦機;
(6) 通過MB+多功能通訊網橋連接智能設備、智能儀表共65臺;
(7) 通過AS-i通訊總線連接現場檢測感應開關共100只;
(8) CPU采用雙機熱備，PLC電源采用雙電源熱備;
(9) 采用5KVA/2小時的在線轉換式UPS供電;
(10) 配置操作站(帶21″純平顯示器)二臺，打印機二臺。
4.2 輔助流程PLC從站基本要求
(1) 開關量輸入:350點;
(2) 開關量輸出:500點;
(3) 模擬量輸入:32點;
(4) 模擬量輸出:15點;
(5)通過MB+通訊總線連接變頻器，通過MODBUS 連接軟啟動器;
(6)通過MB+多功能通訊網橋連接智能設備、智能儀表共60臺;
(7)CPU采用雙機熱備，PLC電源采用雙電源熱備;
(8)采用5KVA/2小時的在線轉換式UPS供電。
4.3 系統網絡結構
PLC控制系統分為主站(洗礦及細碎篩流程)、從站(污泥沉降及排送)兩個控制站，兩個控制站的現場數據可進行交換。硬件系統均采用雙機熱備，通過MB+總線連接，整個通訊網絡采用冗余以太網絡。如圖1所示:

圖1 礦山綜合自動化網絡結構圖
網絡配置由PLC主控站、PLC工作從站、中心監控站、變電站、地磅房、調度室等通過光纖環網作為通訊主干網連接。光纖環網是典型的冗余通訊網絡。在每個站點設置有一個光纖接線盒，通訊主干環網的光纜連接到它，在接線盒中完成光纖跳線、光纖熔接工作，再由光纖跳線連接到以太網交換機的二個光纖端口，構成環形拓撲。PLC主控站、PLC工作從站和監控站三個站點，分別設置了一個工業以太網交換機，具有五個10BaseT/100BaseTX(RJ45)端口外，還有二個100BaseFX光纖端口，支持環網連接，為通訊網絡提供了良好的冗余通訊能力。

5 技術方案特點
(1) 施耐德QUANTUM系列PLC，性能優越，可靠性高;
(2) PLC控制器采用雙機架、雙CPU、雙電源、雙通訊模塊的全冗余方案，是真正的冗余控制器;
(3) 施耐德QUANTUM系列PLC的雙CPU冗余系統具有熱備功能，實踐已證明了其無擾動切換的真實性;
(4) PLC從站配置有冗余控制器，可以獨立工作，而不必依賴主站的CPU;
(5) PLC從站與PLC主站采用完全相同的模塊，可以相互替換，減少了備件數量;
(6) 采用完全工業級的以太網交換機，構成光纖環網，通訊網絡冗余性好，可靠性高;
(7) 以太網交換機具有電源、通訊鏈路等冗余能力，確保網絡通訊永不中斷;
(8) 以太網交換機為每個端口提供100M的通訊速率，與集線器相比，網絡通訊更加暢通;
(9) 網絡上的每個站點都配置有光纖接線盒，便于光纖通訊網絡的施工和維護;
(10) 已配置一個工業級的100M的光纖收發器，用于將來通過100M以太網連接至山下礦山管理部;
(11) 監控站采用自動化界流行的FIX7.0監控軟件，用戶比較熟悉，便于學習和掌握;
(12) FIX7.0監控軟件的強大功能和穩定性已得到業界公認;
(13) 已充分考慮了礦山設備流水作業的特點，控制設備的可靠性、軟件的穩定性、系統的控制功能等已在系統配置中得到充分體現;
(14) 系統具有:設備連鎖自動開機功能、設備連鎖自動停機功、故障連鎖自動停機功能、手動開機功能和手動停機功能;
(15) 通訊總線上所需的現場安裝設備，全部選用的是防護等級為IP67的產品;
(16) 配置施耐德多功能的BM85網橋，支持多種通訊協議和用戶自由通訊協議，可與任何其他品牌的變頻器、軟啟動器、儀器儀表、計算機、專用控制器等總線通訊設備進行連接，不需要另外增加硬件。完全滿足設計依據，性價比不錯。

6 現場設備控制
系統配置的控制器上提供眾多的通訊接口實現對現場設備的控制。控制器提供快速的MB+端口構成MB+現場總線控制網絡，現場所有施耐德變頻器均接入MB+網絡，采用采用MB+網絡協議獨有的Peer Cop通訊方式，它完全屏蔽了PLC與變頻器之間的數據傳遞細節，在PLC和變頻器中只需配置很少的參數就能夠實現兩者的通訊。系統還提供標準MODBUS串行通訊接口，實現與現場重型板式給礦機和軟啟動器通訊連接，另外，系統還配置一個多功能MB+通訊網橋，為其它第三方設備或不具備標準協議的設備進入控制系統提供了方便，只需對其進行少量的程序設計，就可以把任何第三方公開自由協議設備接入本系統。本系統大量的智能電機保護器和智能水位控制儀均采用此法接入系統，實現了系統的集中控制。基于配礦的需求，系統需要對放料小車進行定位控制，系統配置有AS-i總線對現場放料小車位移定位的100個感應開關進行實時檢測，實現了放料小車的精確定位和無人值守功能。提高了配礦精度和效率。對于其他不能夠用網絡進行控制的大量設備如圓筒篩洗機、槽式洗礦機、擦洗機、螺旋分級機、破碎機、振動篩、眾多的皮帶等設備通過開關量輸出模塊直接控制。這些設備通過各種方式接入系統，在系統程序的控制下，協同完成整個鋁土礦生產流程。

7 PLC與組態軟件功能
Concept是一種基于Microsoft Windows環境的編程工具，提供包括FBD、LD、SFC、IL、ST、LL984等多種編程語言的單一開發環境，用于生成控制系統程序。使用匯集在一個應用中的熟悉的標準化的編輯器，能夠生成邏輯、通信和診斷，并將他們與同一數據庫和選擇的6個編輯器集成在一起。
7.1 PLC控制功能
(1) 洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排送控制;
(2) 電動機軟啟動器的運行控制及連鎖，電機智能保護器的信號采集、記錄以及現場設備的報警信號采集;
(3) 皮帶輸送、配礦、稱重計量;皮帶機軟啟動;
(4) 水泵變頻調速控制;
(5) 生產線連鎖啟停和計算機監控等功能;
上位監控計算機系統由工業控制計算機、服務器組成。硬件采用100M光纖做為通訊介質，TCP/IP為通訊協議。可進行遠距離、高速的數據傳輸。操作系統采用Windows2000 Professional，該操作系統是Microsoft(微軟)公司推出的基于NT架構的、多用戶、多任務的32位操作系統。上位監控軟件采用Intellution公司推出的監控與數據采集系統軟件(SCADA System)FIX。
7.2 上位機控制功能
(1) 洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排送的動態模擬顯示;
(2) 洗礦、篩分、污泥沉降、污泥排送工序設備運行狀況、參數實時顯示及參數設置操作及設備運行情況;
(3) 洗礦、篩分工序報警事件的存儲和查詢、歷史數據的紀錄、查詢，設備運行時間記錄;
(4) 實時曲線與歷史曲線繪制;
(5) 重要設備電流等參數顯示，方便維修人員檢查與診斷故障;
(6) 報表打印及數據庫數據查詢;

8 結束語
這套系統通信網絡與控制系統比較完善。其自動化程度在國內外來說時比較高的。系統采用連鎖控制，任何設備出現問題，系統均能正確做出判斷，及時修改運行流程，并給出聲光報警。系統采用標準通訊方式控制設備，減少了系統布線，設備維護更為便利。系統自投運以來，效果很好，大大減輕了工人的勞動強度，方便了維修人員檢修，再加上人機界面友好，實時性、穩定性等技術指標滿足要求，深受客戶的喜愛。