自动化控制技术在铝土矿生产的应用

1 引言
中国铝业广西分公司矿山二期项目是该公司二期40万吨氧化铝项目配套工程，设计年产量为110万吨标准铝土矿。工程采用先进的控制设备和功能强大的上位机监控软件构成监控中心，实现对整个矿山生产工艺的全方位监控管理，从采矿、洗矿、破碎筛分至皮带称计量、配矿、堆场和污泥沉降及排送处理等全部工艺流程集中控制，完成铝土矿生产工艺全程自动化。

2 设计依据
铝土矿生产是露天采矿，采出的矿石直接投入到铝土矿生产流程中，经过清洗、粗碎、中间堆场、细碎、筛分至产成品铝土矿，还包含辅助流程: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，沉降絮凝剂搅拌及其添加等。整个系统生产区域分布广、设备分散、环境恶劣。特别是设备在生产流程中连锁运行，若控制不当，任何设备问题都可能引起控制流程改变，如果控制系统不能够对这些改变做出正确的判断，则容易引发更为严重的安全事故。因此整个系统需要有一个高稳定性的控制器和高可靠性的通讯控制系统。其应具备可靠性、准确性、开放性、安全性和易维护性等特点。
2.1 可靠性
对铝土矿生产系统在恶劣条件下无故障工作能力有着较高的要求。这就要求我们要把系统的安全、可靠运行作为设计的首要原则。根据铝土矿生产工艺流程，系统分为主站和从站两部分，主站负责主要流程:洗矿与筛分;从站负责辅助流程:污泥沉降及排放。两者互不干扰，通过冗余通讯网络相连。主站与从站均采用了双机热备控制系统，包括电源冗余、CPU冗余、通讯冗余，机架冗余。控制器与上位机通讯网络采用100M工业以太环网，构成冗余通讯，以太网连接设备出现问题不会影响其他设备通讯。整个控制系统网络具有无以伦比的可靠性。
2.2 准确性
在铝土矿生产系统中，各监测点数据的实时、准确的采集，并且可以准确地控制设备无疑是系统的核心，这就要求系统硬件要具有高可靠性的数据采集、控制能力并有可靠的通讯方式，系统软件必须可以及时准确的对数据进行分析处理。系统采用业内公认标准通讯协议Modbus，并且物理信道采用TCP/IP，Modbus完善、简洁的通讯指令集，TCP/IP传输的方便、快捷，这些都为系统数据的实时传输和控制提供了更高的可靠性。
2.3 开放性
要组成一个最优的自动化系统。除了选用高品质、高性能的自动化产品，还需是具有标准通讯协议的产品。配置的系统控制器提供了串行的MODBUS通讯接口和上位机以太网接口，具有标准接口的设备如软启动器、重型板式给矿机均接入MODBUS通讯网络，也提供MB+网络实现与变频器的通讯连接。而对于其他没有标准通讯协议的设备如电机智能保护器、水位控制仪等特配置MB+通讯网桥，利用其提供的通道方便接入到控制系统。并且上位机通讯为以太网络, 以太网络的便捷提供了更加丰富监控管理功能。
2.4 安全性
通信安全性与系统控制安全性。硬件配备有不间断电源UPS，PLC采用双机热备，上位机互相备用。可以保证系统任何一个单一元件出现问题均不会影响矿山的安全生产。系统控制操作的安全性是对控制软件设置加密手段。
2.5 维护性
编程与监控软件易学易用;重要设备的电机电流、电压、故障等参数在上位可以检测到;故障声光报警，可以通知维护人员;操作有历史纪录。
2.6 系统防雷
矿山所处地理环境特殊，属于雷电多发地带。为保证系统可靠运行，避免从天馈线、电源线、遥测设备与传感器间的信号线引入雷电损坏设备，采用下列避雷措施:
●安装避雷针，避雷针的接地电阻应小于4Ω。天线系统安装天馈避雷器;
●通讯网络采用数据信号专用避雷器;
●室外传输电缆加装继电器保护。

3 系统工艺流程
整个矿山工艺流程共分为四大部分:洗矿、筛分、污泥沉降、污泥排放，洗矿和筛分为主要流程，污泥沉降和排放为辅助流程。
由采矿车运来的原始铝土矿含泥量多，其由选矿机送入重型板式给矿机，然后进入圆筒筛洗机进行第一遍洗泥，大块的较易清洗的矿石由皮带运行至破碎机进行破碎,小块的不太干净的由槽式洗矿机进行第二次清洗后直接送入中间堆场。对于3、4年矿含泥量高则需要进入难洗流程然后再送入中间堆场。中间堆场的半成品在颗粒大小上还不符合铝土矿的要求，需再进行第二次破碎即细碎，为保证生产出完全合格的铝土矿，在细碎后铝土矿会通过一个振动筛对细碎后的矿石进行筛选，合格的铝土矿直接送入成品仓库，不合格的继续破碎直到符合要求。为了环境保护,洗矿流程中产生的废水泥浆要进行处理，通过专用管道洗矿流程产生的泥浆直接排放到浓密池中进行沉降，沉降过程中需要根据矿浆的浓度调节絮凝剂的用量，使用量不够则沉降泥浆浓度低浪费能源，使用量过多则沉降泥浆浓度大，不易排出。浓度合适泥浆最后由排泥加压泵打至排泥库，返还给大地。

4 系统组成及网络通信功能
4.1 洗矿流程PLC主站基本要求
(1) 开关量输入:300点;
(2) 开关量输出:500点;
(3) 模拟量输入:30点;
(4) 模拟量输出:16点;
(5) 通过MB+通讯总线连接变频器，通过MODBUS 连接软启动器和重型板式给矿机;
(6) 通过MB+多功能通讯网桥连接智能设备、智能仪表共65台;
(7) 通过AS-i通讯总线连接现场检测感应开关共100只;
(8) CPU采用双机热备，PLC电源采用双电源热备;
(9) 采用5KVA/2小时的在线转换式UPS供电;
(10) 配置操作站(带21″纯平显示器)二台，打印机二台。
4.2 辅助流程PLC从站基本要求
(1) 开关量输入:350点;
(2) 开关量输出:500点;
(3) 模拟量输入:32点;
(4) 模拟量输出:15点;
(5)通过MB+通讯总线连接变频器，通过MODBUS 连接软启动器;
(6)通过MB+多功能通讯网桥连接智能设备、智能仪表共60台;
(7)CPU采用双机热备，PLC电源采用双电源热备;
(8)采用5KVA/2小时的在线转换式UPS供电。
4.3 系统网络结构
PLC控制系统分为主站(洗矿及细碎筛流程)、从站(污泥沉降及排送)两个控制站，两个控制站的现场数据可进行交换。硬件系统均采用双机热备，通过MB+总线连接，整个通讯网络采用冗余以太网络。如图1所示:

图1 矿山综合自动化网络结构图
网络配置由PLC主控站、PLC工作从站、中心监控站、变电站、地磅房、调度室等通过光纤环网作为通讯主干网连接。光纤环网是典型的冗余通讯网络。在每个站点设置有一个光纤接线盒，通讯主干环网的光缆连接到它，在接线盒中完成光纤跳线、光纤熔接工作，再由光纤跳线连接到以太网交换机的二个光纤端口，构成环形拓扑。PLC主控站、PLC工作从站和监控站三个站点，分别设置了一个工业以太网交换机，具有五个10BaseT/100BaseTX(RJ45)端口外，还有二个100BaseFX光纤端口，支持环网连接，为通讯网络提供了良好的冗余通讯能力。

5 技术方案特点
(1) 施耐德QUANTUM系列PLC，性能优越，可靠性高;
(2) PLC控制器采用双机架、双CPU、双电源、双通讯模块的全冗余方案，是真正的冗余控制器;
(3) 施耐德QUANTUM系列PLC的双CPU冗余系统具有热备功能，实践已证明了其无扰动切换的真实性;
(4) PLC从站配置有冗余控制器，可以独立工作，而不必依赖主站的CPU;
(5) PLC从站与PLC主站采用完全相同的模块，可以相互替换，减少了备件数量;
(6) 采用完全工业级的以太网交换机，构成光纤环网，通讯网络冗余性好，可靠性高;
(7) 以太网交换机具有电源、通讯链路等冗余能力，确保网络通讯永不中断;
(8) 以太网交换机为每个端口提供100M的通讯速率，与集线器相比，网络通讯更加畅通;
(9) 网络上的每个站点都配置有光纤接线盒，便于光纤通讯网络的施工和维护;
(10) 已配置一个工业级的100M的光纤收发器，用于将来通过100M以太网连接至山下矿山管理部;
(11) 监控站采用自动化界流行的FIX7.0监控软件，用户比较熟悉，便于学习和掌握;
(12) FIX7.0监控软件的强大功能和稳定性已得到业界公认;
(13) 已充分考虑了矿山设备流水作业的特点，控制设备的可靠性、软件的稳定性、系统的控制功能等已在系统配置中得到充分体现;
(14) 系统具有:设备连锁自动开机功能、设备连锁自动停机功、故障连锁自动停机功能、手动开机功能和手动停机功能;
(15) 通讯总线上所需的现场安装设备，全部选用的是防护等级为IP67的产品;
(16) 配置施耐德多功能的BM85网桥，支持多种通讯协议和用户自由通讯协议，可与任何其他品牌的变频器、软启动器、仪器仪表、计算机、专用控制器等总线通讯设备进行连接，不需要另外增加硬件。完全满足设计依据，性价比不错。

6 现场设备控制
系统配置的控制器上提供众多的通讯接口实现对现场设备的控制。控制器提供快速的MB+端口构成MB+现场总线控制网络，现场所有施耐德变频器均接入MB+网络，采用采用MB+网络协议独有的Peer Cop通讯方式，它完全屏蔽了PLC与变频器之间的数据传递细节，在PLC和变频器中只需配置很少的参数就能够实现两者的通讯。系统还提供标准MODBUS串行通讯接口，实现与现场重型板式给矿机和软启动器通讯连接，另外，系统还配置一个多功能MB+通讯网桥，为其它第三方设备或不具备标准协议的设备进入控制系统提供了方便，只需对其进行少量的程序设计，就可以把任何第三方公开自由协议设备接入本系统。本系统大量的智能电机保护器和智能水位控制仪均采用此法接入系统，实现了系统的集中控制。基于配矿的需求，系统需要对放料小车进行定位控制，系统配置有AS-i总线对现场放料小车位移定位的100个感应开关进行实时检测，实现了放料小车的精确定位和无人值守功能。提高了配矿精度和效率。对于其他不能够用网络进行控制的大量设备如圆筒筛洗机、槽式洗矿机、擦洗机、螺旋分级机、破碎机、振动筛、众多的皮带等设备通过开关量输出模块直接控制。这些设备通过各种方式接入系统，在系统程序的控制下，协同完成整个铝土矿生产流程。

7 PLC与组态软件功能
Concept是一种基于Microsoft Windows环境的编程工具，提供包括FBD、LD、SFC、IL、ST、LL984等多种编程语言的单一开发环境，用于生成控制系统程序。使用汇集在一个应用中的熟悉的标准化的编辑器，能够生成逻辑、通信和诊断，并将他们与同一数据库和选择的6个编辑器集成在一起。
7.1 PLC控制功能
(1) 洗矿、筛分、污泥沉降、污泥排送控制;
(2) 电动机软启动器的运行控制及连锁，电机智能保护器的信号采集、记录以及现场设备的报警信号采集;
(3) 皮带输送、配矿、称重计量;皮带机软启动;
(4) 水泵变频调速控制;
(5) 生产线连锁启停和计算机监控等功能;
上位监控计算机系统由工业控制计算机、服务器组成。硬件采用100M光纤做为通讯介质，TCP/IP为通讯协议。可进行远距离、高速的数据传输。操作系统采用Windows2000 Professional，该操作系统是Microsoft(微软)公司推出的基于NT架构的、多用户、多任务的32位操作系统。上位监控软件采用Intellution公司推出的监控与数据采集系统软件(SCADA System)FIX。
7.2 上位机控制功能
(1) 洗矿、筛分、污泥沉降、污泥排送的动态模拟显示;
(2) 洗矿、筛分、污泥沉降、污泥排送工序设备运行状况、参数实时显示及参数设置操作及设备运行情况;
(3) 洗矿、筛分工序报警事件的存储和查询、历史数据的纪录、查询，设备运行时间记录;
(4) 实时曲线与历史曲线绘制;
(5) 重要设备电流等参数显示，方便维修人员检查与诊断故障;
(6) 报表打印及数据库数据查询;

8 结束语
这套系统通信网络与控制系统比较完善。其自动化程度在国内外来说时比较高的。系统采用连锁控制，任何设备出现问题，系统均能正确做出判断，及时修改运行流程，并给出声光报警。系统采用标准通讯方式控制设备，减少了系统布线，设备维护更为便利。系统自投运以来，效果很好，大大减轻了工人的劳动强度，方便了维修人员检修，再加上人机界面友好，实时性、稳定性等技术指标满足要求，深受客户的喜爱。