破碎筛分干选干选自动控制系统

 

前言

本报告主要针对类似200万t/a选矿厂三段一闭路的破碎筛分干选工艺流程，本着经济、合理、客观、先进、高效及以人为本的原则，结合多个矿山的实践经验，从检测与控制点、控制方式、控制内容、实现功能、经济效益评价等多方面进行分析，得出破碎筛分干选自动控制系统的可行性、必要性。

所涉及的建筑物及主要设备有：粗碎车间（1台粗碎）、中细碎车间（1台中碎、2台细碎）、筛分车间（三台振动筛）、转运站（2个）、胶带机通廊及磨矿仓上部设施。

1.1工艺概况

根据预先分级和检查分级合二为一的三段一闭路破碎筛分干选工艺流程的特点，矿石经粗碎后经由胶带机运至中细碎车间的中碎缓冲仓，再由仓下的中碎机给料胶带送至中碎破碎机，破碎完的矿石经由皮带送至筛分车间，筛下物送至磨矿仓，筛上物返回细碎缓冲仓。其工艺流程图如图1-1所示。

1.2设计依据及范围

按照相关的设计规范，根据工艺专业委托内容，结合自动化在矿山的发展及应用现状，本工程在粗碎车间、中细碎车间、筛分车间、磨矿仓上部车间等均设置仪表自动化设备进行监控。所参考的相关依据有：

（1）《控制室设计规定》（HG/T 20508-2000）;

（2）《仪表供电设计规定》（HG/T  20509-2000）;

（3）《仪表配线配管设计规定》（HG/T 20512-2000）;

（4）《仪表系统接地设计规定》（HG/T 20513-2000）;

（5）《可编程控制器系统设计规定》（HG/T 20700-2000）;

（6）《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2006）;

（7）《选矿设计手册》（冶金工业出版社ISBN 7-5024-0127-X）。

1.3设计原则

     (1) 本着仪表稳定可靠，切实可行，经济合理的原则；

     (2) 采用当今国内、国际矿山自动化领域最先进和最成熟的技术成果；

     (3) 控制系统应具有维护方面、接口标准、易扩展等原则，且在五年内处于领先水平；

1.4控制方式

粗碎车间、中细碎车间、筛分车间以及磨矿仓上部（以磨矿仓上部胶带机为界）的控制采用PLC系统，并在控制室监控主机上进行监控及操作。相关设备的控制采用就地操作和PLC集中控制两种方式。

就地操作为手动操作控制方式。将设备现场机旁操作箱上的工作制转换开关置于“机旁”位置，机旁操作箱上的控制按钮启动和停止设备。该方式适用于参与联锁的所有设备。且仅在单个设备的维修及试运行时才使用该方式。

集中控制方式为自动操作控制方式。设备现场的机旁操作箱上工作制转换开关置于“集中”位置，在操作员站的操作画面上对各生产控制系统的工艺流程构成进行料线选择、系统启动和停车等操作。控制系统运行用户应用程序及执行操作员站的指令，对生产控制系统中的联锁设备进行集中联锁控制。

1.5检测项目

（1）粗碎车间

1)  粗碎后胶带机运输矿量指示、累积；

（2）中细碎车间

1)  中细碎缓冲仓料位指示、报警、联锁；

2)  中细碎破碎腔料位指示、报警、联锁；

3)  破碎机给料胶带“过铁”指示、报警、联锁。

（3）筛分车间

1)  缓冲仓料位指示、报警、联锁；

1.6控制项目

（1）整个破碎、筛分车间工艺设备的顺序控制：包括顺序启停，故障停车，设备保护，设备故障检测等；

（2）破碎机润滑油路的自动保护：包括油温检测与过高报警，油压检测与过低报警，电机电流检测与过高报警（工艺设备成套）；

（3）  中、细碎工序的优化平衡控制；

（4）  破碎腔挤满给料控制；

（5）给矿皮带上探铁与拣铁控制（可选）。

1.7仪表选型

矿仓料位的检测仪表选用雷达物位计；

计量秤选用电子皮带秤；

探铁器及除铁器选用电磁式（可选）。

1.8仪表电源

（1）现场两线制远传仪表电源，由PLC柜馈出；

（2）现场四线制仪表，其电源由对应仪表箱或PLC柜单独配电；

（3）需要在二次仪表和计算机控制系统上同时显示的仪表，其电源由二次仪表箱供给，其仪表信号送给二次仪表进行显示，并由二次仪表再输出信号至计算机控制系统；

（4）对于计算机控制所用电源，均由就近低压配电室配电，并配置了不间断电源，防止突然停电时的数据丢失。

1.9线路敷设

现场仪表至PLC机柜或就地仪表箱的电缆采用沿电缆沟、电缆桥架、穿管埋地等方式，室外电缆敷设尽量采用电缆沟、局部采用水泥排管或钢管。与电力电缆共沟时，应分层敷设；与电力桥架共用时，桥架中间加隔板或分层敷设；与热力或其他管道平行敷设时应保持一定的安全距离。

1.10计算机控制系统1.10.1概述

设置1套PLC控制系统破碎筛分干选流程各车间相关设备参数及进行状态进行远程监控。

1.10.2控制内容

通过PLC控制系统及2台上位监控主机，实现对破碎筛分干选系统的控制，主要包括集中联锁、破碎筛分干选系统安全监视及保护、破碎筛分干选系统优化控制等。

（1）集中联锁

以缓冲仓、矿仓为分界，实现破碎、筛分、输送皮带等设备相互联锁控制，设备启动顺序原则上按照物料走向的逆向顺序依次启动，正常停机的顺序按照物料走向的正向顺序依次延时停车，延时时间间隔应足以能处理该设备上的剩余物料；根据工艺要求对设备实施设备运行检测、启停控制、开车鸣铃和联锁保护，实现生产过程的集中监视和集中管理。需要说明的是，中碎机设备带有成套的单元机组（油泵、加热电机等），这些单元机组设备的启停控制不在联锁启停范围之内。

（2）破碎生产的安全监控

破碎生产的安全监控主要实现矿仓料位的检测报警、圆锥破碎机的工作状态监控、运输皮带的状态监控、除尘风机的控制以及金属检测与除铁控制、设备安全管理等。

1）矿仓料位检测、显示及报警

对中细碎矿仓、筛分缓冲仓、当矿仓料位接近料位上限和料位下限时候，系统将立刻报警提示矿仓料位情况，并且根据工艺要求和供矿、排矿设备情况作出相对应控制，避免将矿仓中的矿石放空以及冒尖，确保适宜的矿仓料位，确保安全生产。

2）卸料车的控制

利用对射式红外开关对卸料车位置进行定位，利用雷达物位计对缓冲仓料位进行检测，控制卸料车实现最低点布料及均匀布料，还能保证检修矿仓时的无料通过。

3）圆锥破碎机工作状态监控

圆锥破碎机自身设备的保护由其自身自带的PLC控制系统完成，设备参数信号可以经过网络通信或者接线方式进入破碎筛分干选PLC控制系统，系统应根据接受的数据情况，综合判断，在控制室及时报警，实现对远程设备状态的显示监控和整个系统连锁控制。

4）皮带运输机工作状态检测

皮带运输机是选矿厂实现矿料运输的关键性设备，通过对皮带运输机的工作状态进行监控，保证选矿厂矿料的物流正常，为破碎工艺设备的高效运行提供可靠保障。

对各皮带运输机实现跑偏、打滑、拉绳、撕裂异常状态检测，实现皮带运输机的工作状态监测和安全保护。

5）除尘风机的控制

矿山日常生产过程中，不可避免地产生粉尘。大量地粉尘不仅会造成环境污染，更重要的是对现场工人的身体健康带来严重地威胁。破碎筛分干选环节的破碎机、筛分机、胶带运输机是产生大量粉尘的关键点，当破碎机、筛分机、胶带运输机启动时同时开启除尘风机除尘；当破碎机、筛分机、胶带运输机停止工作时延时停止除尘风机，节省电能。

6）金属探测与报警控制

在破碎机正常生产过程中，当不能被破碎的金属块进入破碎腔时，假如不及时采取措施就会导致破碎机设备出现损坏，影响破碎机的正常运转。为防止破碎机设备损坏，在破碎机给料皮带上安装2台探铁器、1台除铁器，探铁器分别装于除铁器的前后，如果前面的探铁器有过铁信号，则启动报警信号，对于除铁器后的探铁器有过铁信号发生，则说明有除铁器不能除去的锰钢等金属通过胶带机，此时应该联锁停止胶带机，用人工的方式进行除铁，保证了破碎机的安全。

7）设备安全管理功能

控制系统对各控制设备的运行时间做统计，间接反映磨损情况，为设备的维护（比如减速机加油）更换提供依据。更换好设备后，通过人工点击按钮来清零。还应对重要设备的故障时间、故障次数等信息进行记录和统计，为故障分析提供参考。

（3）破碎筛分干选系统优化控制

破碎生产的过程控制主要实现破碎机给矿自动控制，实现破碎机的“挤满”给矿控制。

  针对选矿厂破碎工艺流程的特点，破碎生产自动控制的关键在于如何充分发挥破碎机的生产效率，实现破碎设备的高效率运行。破碎机的工作负荷情况直接影响着破碎的生产效率指标。系统检测圆锥破碎机的破碎腔料位以及功率，判断目前破碎机的负荷，然后变频调节给料机的给矿量，实现破碎机的满腔给矿控制，达到最大的生产效率。

1.10.3监控内容

上位监控选用专用的监控软件，具有用户界面友好，操作方便等特点。主要监控画面有：总貌画面，流程图画面，分组画面，趋势画面，报警画面等。

     (1)       工艺流程图

工艺流程图是指根据实际的工艺流程，在上位监控软件中以多种形式（如图形、动画、声音等）动态反映生产和设备运行实际情况。用户可以在工艺流程图上直观的监控设备启停情况，还能时时反映现场各个工艺参数，为生产提供参考依据。

     (2)       分组画面

以工艺功能或区域分界，单独显示设备的详细参数及故障信息，如电机电流、拉绳动作统计等。

     (3)       历史曲线

借助于曲线图，用户可以很方便直观观察历史数据的变化趋势和数据间的影响关系，有助于工艺参数的优化和设备的合理调度。

     (4)       参数设置

上位监控层可对现场控制层PLC的启动参数、控制参数进行在线设置。

     (5)       报警查询

对现场设备的各种异常状态提供各种形式（如声音、颜色）的报警查询方式，方便用户进行紧急故障处理，保证安全高效生产。

     (6)       用户登录

提供用户登录和注销操作，以防止非法操作，保证系统安全。们对每个用户都设有访问权限，用户登录后才能获取相应的访问权限，执行相应的操作。并对各级用户的使用和管理权限进行分配，以保证系统安全，防止非法操作。

     (7)       数据存储

利用服务器将运行数据长期保存在硬盘介质中，最多可持续一个月，为车间管理提供。

1.10.4集中控制室设置

设在中细碎车间低压配电室旁，面积约40 m2（不包括机柜室），净高3.5m，设置2台监控主机（1台工程师站兼操作员站、1台操作员站）及UPS不间断电源，负责破碎、筛分、磨矿仓等车间工艺设备的监控。

1.10.5控制系统组成及网络结构

控制系统采用分散控制和集中管理的分布式控制模式。控制系统总体由三部分组成，分别为PLC，工业控制机以及高速的通讯网络。PLC系统以主控制站与远程I/O控制站相结合的形式进行配置，具有数据采集、数据处理、顺序控制、过程控制、参数指示、超限报警等功能。工业控制机具有设备操作、运行参数监控、趋势显示、数据存储、生产报表及打印等功能。另外，工业控制机和PLC之间的通讯网络也是控制系统里必不可少的一部分，通讯网络的高速、可靠、抗干扰能力强是控制系统的关键所在。

控制系统网络由三层构成，即现场设备层、过程控制层、生产管理层，并且预留了数据接口，可将生产数据及时上传至公司级管理网络。

现场设备层主要由相应的现场仪表和相关的控制设备（压力、液位、温度、调节阀、变频器）组成，完成相应的数据采集及相应设备的自动控制。

过程控制层主要完成现场设备数据采集、控制以及与生产管理层计算机的通讯和数据交换。

生产管理层由工程师站、操作员站组成，完成现场设备的监控与数据管理等功能。

1.10.6控制系统选型

控制系统选用国外进口品牌，如西门子、AB、施耐德、GE等，各I/O模块要求可带电插拔，更换故障I/O模块时，能继续维持系统正常运行。另外，开关量输入选用端子型继电器进行隔离，开关量输出选用工业继电器进行隔离，模拟量输入输出均选用隔离器/配电器进行隔离， I/O点数备用量占20%，I/O模块选型为：

开关量输入模块选用DC24V  32点；

开关量输出模块选用DC24V  32点；

模拟量输入模块选用8点多类型输入，13位精度；

模拟量输出模块选用8点多类型输出；

热电阻模块选用通道间带隔离的 8点多类型输入模块；

热电偶模块选用通道间带隔离的8点多分度号输入模块。

工业控制机选用进口原装机型，操作系统平台软件基于WIN7系统，并配有相关应用开发软件。

1.10.7控制站的设置及各站的控制范围

设置控制主站1个，远程I/O站4个，具体数量及分布见表1-1所示。

表1-1控制系统主站与远程I/O分布表

控制主站位置	控制主站数量	I/O站位置	I/O站数量
中细碎车间低压配电室	1	粗碎车间低压配电室	1
		中细碎车间低压配电室	1
		筛分车间低压配电室	1
		磨矿仓仓上设备配电室	1

1.10.8通讯线路敷设

控制系统中主控制器与远程I/O站之间的通讯电缆超过200m在或两个建筑物之间敷设时，采用光纤传输。在敷设通讯电缆（光缆）时，如果与电力电缆共电缆沟，则要与电力电缆分层敷设；与电力电缆同桥架敷设时，采用电缆桥架中间加隔板分开敷设；沿通廊单独敷设时，采用穿保护管的方式；没条件时可以和通信系统一起沿厂区外线敷设；在敷设光缆时，其信号不受电磁干扰的影响。

1.10.9控制系统电源

控制系统及其上位监控主机采用AC 380/220V不间断交流UPS电源，市电与UPS电源自动切换，正常情况下用UPS电源供电，当UPS电源出现故障时，自动切换到市电，切换间隔小于3ms。UPS电源具有故障报警功能，当UPS出现故障时能通过无源节点把该信号送至PLC系统。

UPS电源容量按照所带负载总容量的1.5倍来计算，且断电后能维持最少30分钟，UPS电源的数量是按照PLC机柜及监控主机所在地的数量来确定，如破碎筛分干选控制系统PLC机柜共分布在4个配电室内，UPS数量共设4台。

1.10.10控制系统接地

PLC机柜的保护接线和工作接地均通过各自的接地连接线接至保护地汇流排和工作地汇流排上，然后通过各自的接地连接线接至回流总板上，再通过接地总干线接至总接地极。主接地极距离电气主接地极大于15m，接地电阻不大于4欧姆。

1.11设备清单

破碎筛分干选自动控制系统设备清单如表1-2所示。

 

 

 

表1-2破碎筛分干选自动控制系统设备清单

序号	设备名称规格及型号	单位	数量	重量(吨)		容量（kW)		备注
				单重	总重	单容	总容
	仪表自动化
一	粗碎车间
1	电子皮带秤	台	1
二	中细碎车间仪表
1	雷达物位计	台	3
2	雷达物位计（测破碎腔）	台	3
3	探铁器	台	2
4	除铁器	台	1
三	筛分车间仪表
1	雷达物位计	台	3
四	破碎筛分干选干选车间计算机控制系统
1	控制主站	套	1
2	远程I/O站	套	4
3	监控软件	套	2
4	编程软件	套	1
5	工业控制机	台	2
6	显示器21英寸液晶	台	2
7	网络交换机	台	1
8	PLC控制机柜	面	5
9	柜内附件(隔离模块,继电器等)	套	5
10	操作系统	套	2
11	不间断电源	台	5
12	光纤配件及附件	套	5
13	光纤(铠装12芯)	m
14	通讯总线	m

1.12经济效益分析1.12.1直接经济效益

破碎筛分干选自动控制系统的直接经济效益来源于减员增效，假定破碎筛分干选工艺生产的生产制度为4班3运转，传统破碎筛分干选定员配置如表1-3所示，应用自动控制系统之后的定员配置如表1-4所示。

表1-3传统破碎筛分干选工艺定员配置表

序号	作业工序	定员配置/班	备注
1	粗破碎车间	1	共4人
2	中细碎车间	3+1	共13人，1个为天车工，不倒班
3	筛分车间	3+1	共13人，1个为天车工，不倒班
4	磨矿仓	1	共4人
5	转运站（2个）	2	共8人，1个转运站1个人
6	合计		43人

表1-4应用自动控制系统之后的破碎筛分干选工艺定员配置表

序号	作业工序	定员配置/班	备注
1	控制室操作员	2+1	共9人
2	巡检工	2	共8人
3	清扫工	1	共4人
4	仪表及自控系统维护	2	共8人
5	合计		29人

由表1-3、表1-4可以得知，应用自动控制系统之后的破碎筛分干选工艺流程在生产过程中比传统工艺流程减少了14人。

假定人员平均工资为5万/年，则每年能节省70万投资，1-2年即可收回成本。一次投资少、见效快，且多年受益。

1.12.2间接经济效益

（1）人员配置减少、减少了发生伤亡事故的可能性；

（2）操作人员远离噪音、远离粉尘，降低了造成职业病的可能性；

（3）为设备的检修及维护提供可靠的数据支持；

（4）能够对故障及警告进行及时报警，减少生产事故率；

（5）提供企业管理水平。