基于某现场布料小车无人值守控制

时间：2024-07-28

毕贵先，关长亮

(丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁丹东 118002)

1 前言

某布料小车无人值守控制所在选厂生产能力为6 000t/d，于2001年10月开始施工建设，2003年3月建成投产。由于选厂的台时处理量较大，所以前端布料小车的控制较为频繁并且至关重要。操作人员在设备运行期间需要始终值守，且要站在布料小车上通过手动操作分矿闸板进行手动切换，导致岗位劳动强度大。粉矿仓的料位没有可靠的数据作为依据，岗位人员只能通过肉眼进行判断矿仓料位情况，加上现场工作环境恶劣导致人为因素对布料过程的控制影响较大，另外还存在操作过程中存在较大的安全风险、岗位退休人员增多等问题亟待解决。

2 工艺描述

碎矿采用由强化预先筛分和高效破碎机构成的二段一闭路工艺流程[1]。矿石经预先筛分后筛上产物进入中碎，中碎产品进入检查筛分作业，筛上物料进入细碎，细碎产品返回检查筛分，预先筛分与检查筛分作业的筛下产品进入磨矿作业[2]，现场工艺如图1所示。49#小车是将碎矿处理合格的矿石送入粉矿仓的主要设备。岗位操作人员日常生产操作中，电动小车换仓较频繁；矿仓无料位监视，岗位人员全凭肉眼观察矿仓的料位没有可靠的数据作为参考，岗位自动化水平低，岗位人员劳动强度大。

图1 布料小车现场工艺

3 控制策略

布料小车的控制，对于选矿厂至关重要，能否对布料小车进行更为智能的控制，除了会降低人员的劳动强度外，还可以更大程度提高整个选厂的自动化水平，为后续磨矿、浮选的优化控制、专家控制等奠定了前提条件，有利于后续实现大闭环控制。

3.1 控制目标

(1)提高自动化程度，减轻劳动强度，改善工作环境，实现远程监视和无人值守功能。

(2)有利于稳定工艺生产过程，减少人为因素，提高设备效率和劳动生产率。

(3)系统具有报警功能。当出现问题时可以进行报警显示，便于工作人员进行及时处理，同时报警信息可以存入数据库供以后参考。

3.2 设备要求

1)雷达料位计

AC型：220V(±15%)、50Hz、10W；DC型：24V(±25%)、8W。

量程：EC型-75m；ST型-100m；AI型-120m；AII型-150m。

盲区：0.00m。

精度：±5mm(1m内为30mm)。

重复性：0.5mm。

分辨率：0.3mm。

输出信号：4～20mA/HART，一路开关量输入和输出。

波束角：18°，以3dB作为分界点。

适应最大物位变化率：12m/min。

更新时间：mA输出和OLED显示每秒更新一次。

接口：① 4～20mA/HART，信号范围 4～20mA，失效报警信号：无有效回波时输出 3.6mA，料位距雷达天线0.50m以内输出22.5mA，负载最大600Ω；HART通讯最小230Ω；

② 开关量输入、输出，开关量输入备用，具体功能可根据用户需求定制，开关量输出可实现高/低料位报警或补料区间指示;

③人机界面显示：由 OLED 和红外遥控器组成，可查看及设置仪表各项参数红外线手操器。

环境温度：-20 ～ 65℃。

2)定位开关

检测距离：100mm±10%。

设定距离：0～80mm。

应差：检测距离的15%以下。

可检测物体：磁性金属、非磁性金属。

标准检测物体：铁200mm*200mm*1mm。

响应时间：100ms以下。

电源电压：使用电压范围DC10～30V(P- P)10%。

消耗电流：DC40mA以下。

控制输出：残留电压DC200mA以下(1V以下)。

环境温度范围：-25～+55℃，35～95%RH(无结冰、结露)。

温度的影响：10～+40℃的温度范围内，+20℃。

电压影响：在额定电源电压的±10%范围内，额定电压时。

耐电压：AC500V 50/60Hz 1min充电部整体与外壳间。

振动(耐久)：10～55Hz上下振动1.5mm，X、Y、Z各方向2h。

冲击(耐久)：200m/s2，X、Y、Z各方向10次。

保护结构：IEC标准IP66。

材质：外壳是铝压铸，检测面是环氧树脂。

连接方式：导线引出型(标准导线长1m)。

3.3 控制策略

布料车是选矿厂实现卸料运输的关键性设备，该现场49#布料小车控制过程如图2所示，采取均匀布料与优先布料的方式，保证每个矿仓都达到满仓不冒的效果。

图2 布料小车控制过程示意图

图3 布料小车网路配置图

1)矿仓料位检测

本项目粉矿仓有粉尘较大，仓内物料分布不均匀等特点，故选用频率可调，抗干扰能力强，适用于高粉尘环境的DF- 6201雷达料位计进行料位检测[3-4]。

现场共6个料仓，每个料仓有4个下料口，分布于料仓四角。选择料仓中轴线两个下料口中间位置安装料位计，共计安装12台。根据现场考察情况，该位置料位情况最具有代表性。

2)小车定位检测

布料小车的位置检测通过定位开关完成，定位开关定位灵敏、准确，控制简便且受环境因素影响较小，性价比较高。现场共安装14台定位开关，每台料位计对应位置安装一台，行程起点与终点各一台[5]。

3)视频监控系统

现场在小车入料口、出料口、布料车间均设置带有红外夜视功能智能网络摄像机，实时远程监测布料车间工作状态，结合雷达料位计料位检测，双重保险防止料仓冒矿。布料小车入料口、出料口摄像机安装于布料小车上，使用无线网桥进行无线传输。

4)PLC控制系统及网络

自动化控制系统选用西门子S7- 1200控制器作为控制核心，可满足大部分中小型自动化设备的控制需求。系统包括电源、CPU和I/O模块，可以执行完全独立的操作，CPU可扩展3个通信模块，内置1个以太网端口，通过普通网线即可将程序下载到PLC中，或上传至上位机中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口可与上位机进行通信[6-7]。布料小车网路配置如图3所示。

5)控制流程

根据料仓高度，现场设置不同料位级别。

(1)当各矿仓料位均在正常水平，并且都需要进行布料时，布料小车在矿仓上进行往复运动，在每个仓上稍作停留，以进行均匀布料，使各矿仓料位基本一致。

(2)当有某个矿仓料位过低时，布料小车在其上方停留，将其料位补齐，进行优先布料。

(3)如果现场有某个或者某几个矿仓不需要布料，或者某些矿仓所对应的后续流程已经停车，布料小车将不将这些矿仓纳入布料范围，系统将控制布料小车在指定工作的矿仓上方进行布料。

(4)当现场矿仓料位过高或过低时，实现报警功能。

4 实施过程

4.1 布料系统的运行控制

图5 49#皮带布料系统卸料控制原理图

卸料小车采用无线控制，主要设备是无线IO模块，无线IO模块A安装在卸料小车上，随小车移动，发出卸料小车的前进、后退、急停和分料控制命令(DO)，接收卸料小车的前进、后退、急停、集中控制和分料挡板的状态；无线IO模块B安装在皮带西侧的墙壁上，硬线连接至控制系统相应的信号模块上，对应接收或发出无线IO模块的无线信号和控制系统命令。

通过控制系统和无线IO模块，可以实现远程对卸料小车的前进、后退、急停、分料的控制，监控小车的运行状态。同时，通过远程/本地的切换实现突发状态下对卸料小车的本地控制。此外，当皮带下料口因结块的物料堵塞时，堵料报警触发，控制系统会控制分料挡板电机，使分料挡板来回运动，挤碎结块的物料，保证皮带下料口通畅。为了实现卸料小车的安全运行，分别在小车南侧下料口、北侧下料口和分料挡板处增设无线视频，控制室的岗位人员可以参照视频进行对小车下料口的定位和监控，具体控制原理如图4所示。

图4 布料系统无线控制原理图

4.2 布料系统的卸料控制

首先在DCS工控机上设定每个仓南北两侧的高料位设定值(上位可调)和自动投入联锁按钮，布料系统卸料控制系统如图5所示。假如小车正向东行驶且分料挡板给南侧仓加料，当小车东行至2#仓限位开关时，控制系统接受到限位信号DW2，小车停止10s，在这10s内，控制系统做出以下判断：当2#仓南侧料位LI1003小于设定值SET3- H时，小车停止前进，给2#仓南侧加料；当2#仓南侧料位LI1003大于设定值SET3- H时，控制系统控制分料挡板电机，将分料挡板切换至2#仓北侧加料；当2#仓北侧料位LI1004低于设定值SET4- H，小车仍停止前进，给2#仓北侧加料；当2#仓北侧料位LI1004大于设定值SET4- H时，小车继续东行前进，停止加料。

当小车东行至3#仓限位开关时，控制系统接受到限位信号DW3，小车停止10s，在这10s内，控制系统做出以下判断：当3#仓北侧料位LI1006小于设定值SET6- H时，小车停止前进，给3#仓北侧加料；当3#仓北侧料位LI1006大于设定值SET6- H时，控制系统控制分料挡板电机，将分料挡板切换至3#仓南侧加料；当3#仓南侧料位LI1005低于设定值SET5- H，小车仍停止前进，给3#仓南侧加料；当3#仓南侧料位LI1005大于设定值SET5- H时，小车继续东行前进，停止加料。小车分别给4#、5#、6#仓自动加料，当6#仓加料完成后，小车东行500mm至东限位开关，控制系统接受到限位信号XW2，小车再向西后退，小车分别给6#、5#、4#、3#、2#、1#仓自动加料，当1#仓加料完成后，小车西行500mm至西限位开关，控制系统接受到限位信号XW1，小车再向东前进，如此依次往复循环。

4.3 控制系统配置

基于对49#皮带布料系统的控制要求和成本考虑，采用和利时DCS控制系统(SmartPro 3.1.3)，其中该控制系统配备一台工控机，控制系统控制柜安装在49#皮带西侧的二楼工具间，工控机安装在49#皮带西侧的小屋内，此外控制系统接地和供电符合要求，控制系统测点见表1。

5 应用效果

实现改造项目后，49#皮带岗位可以实现现场无人值守，卸料小车自动给各料仓投料。小车依据料位高低，进行判断，对低于要求的料仓，依次前进到位后，进行加料，待料仓一侧料满后，小车分料板打向另一侧加料，依次将6个料仓加满，投料期间顺序循环投料，控制室人员通过视频监控小车运行及料位情况，对突发事件进行预判及处置，现场应用效果如图6所示。

表1 布料系统控制系统测点

图6 布料小车的现场应用图