PLC 在金矿设备改造中的应用摘要：本文设计了一套基于PLC 的监控系统，应用于金矿碎矿生产线控制系统改造。系统由性价比高的PLC，工控机和组态软件构成。通过PLC 编程，实现了对生产设备的全面自动 控制、联锁保护、运行状态监测等功能；运用组态软件，设计了具有良好的人/过程接口能 力的监控画面，实现了过程信息的集中显示和处理。实际运行表明，该系统功能设计合理， 运行可靠，显著提高了生产效率。
关键词：金矿；设备改造；监控系统；PLC；组态软件
中图分类号：TP273 文献标识码：B
Application of PLC in Gold Mine Equipment Renovation
Li Chang, Wu Xiaoyan, Bao Xinhua
(Guang Dong Institute of Science and Technology)
Abstract：This paper designs a PLC-based supervisor control system which is applied to the control system renovation in a gold mine ore-crushing production line. The system is composed of PLC, industrial computer and configuration software with high performance. By PLC programming, we achieve the functions of equipment automatic control, safety protection, real-time data collecting, et al. At the supervisor-station, we design man-process interface with animated graphics and rich information by using configuration software. Running results indicate the system is well-designed, reliable, and very efficiency. Keywords：gold mine; equipment renovation; supervisor control system; PLC; configuration software
1 引言
近年我国不少矿山企业为了实现高效、节能、环保等各方面日益增长的要求，积极进行 设备的更新改造。某金矿在碎矿生产环节引进了Nordberg HP 圆锥破碎机，以进一步优化生 产指标和提高效率。但是该矿原先采用的碎矿生产控制系统是以人工操作为主的常规继电器 控制方式，自动化水平低，对生产过程的各种信息缺乏有效的监控手段，不能及时响应各种 情况，加上电气设备老化，故障率高，维护频繁，严重制约了新装备生产效率的发挥。因此， 需要对原有控制系统一并进行改造。可编程控制器（PLC）作为一种先进的工业自动控制装 置，具有功能强大、编程灵活、调试使用方便，且性价比高等众多优点，特别是它适应各种 工业环境的能力和高可靠性，使它得到广泛的应用。因此在本改造项目中，决定采用PLC 来改造并扩展原有控制系统的功能，并且运用组态软件，设计生动直观、功能丰富的监控流 程画面，实现生产过程信息的集中显示和处理。
2 工艺与控制要求
某金矿碎矿工艺为三段一闭路流程：原矿首先从原矿仓通过重型板式给矿机送入鄂式破 碎机进行粗碎，然后由1# 皮带给入标准圆锥破碎机进行中碎，再经2# 皮带给入振动筛， 筛上产品经3# 皮带返回短头圆锥破碎机进行细碎，细碎产品汇入2# 皮带，与振动筛构成 闭路；筛下合格产品由4# 皮带送至粉矿仓。在控制上主要是对破碎、筛分及输送设备的起 /停控制、联锁控制及保护，以及对设备运行状态和关键参数的监测记录，包括：①重板给 矿机、鄂式破碎机、2 台圆锥破碎机、振动筛及4 台皮带设备的电机起停控制、电机过载（热 继电器状态）的监测及自动联锁；②2 个圆锥破碎机稀油站、自动除铁装置、及3 台除尘风 机起停控制和工作状态监测；③粉矿仓超声波料位计的信号监测；④控制室与现场各车间联 络的声光警示信号。
本次改造还增加了以下项目：⑤鄂式破碎机、2 台圆锥破碎机和轴瓦温度监测；⑥2 台 圆锥破碎机的电机工作负荷电流监测，以实现恒定负荷控制；⑦1#和3＃皮带安装电子皮带 秤和变频器，以实现给矿量控制；⑧控制室原有集中操作台和设备就地开关保留，和PLC 控制系统通过转换开关进行工作方式切换。
3 系统硬件配置 根据前述控制要求，在充分考虑了系统的可靠性、稳定性、通用性基础上，确定本监控 系统采用集中式的控制结构，分为3 级：过程监控站、PLC 控制器和现场电气驱动和信号 检测。PLC 控制器选用西门子SIMATIC S7-300，该型PLC 技术成熟可靠，应用广泛，具有 功能强、速度快、模块化等特点，具体配置为：CPU314，带有MPI 接口，配64k EPROM 存储卡做程序掉电保护；16 通道DI 模块SM321，5 个；16 通道DO 模块SM322，3 个；8 通道AI 模块SM331，2 个；4 通道AO 模块SM332，1 个；考虑系统的总点数和今后扩展 的需要，配置了1 个扩展机架，主机架和扩展机架之间通过通信模块IM360 和IM361 通信。 监控站采用研华工控机，运行澳大利亚的CitectSCADA 过程监控组态软件。S7-300 和监控 站计算机的通信采用MPI 接口，在上位机中安装CP5613 通讯卡，通过MPI 电缆进行连接。
4 PLC 控制功能设计
PLC 程序是实现整个系统功能的核心，设计内容较多，下面主要介绍生产设备的起停联 锁逻辑控制和破碎机恒定负荷控制。
4.1 设备起停联锁逻辑控制
碎矿设备控制具有以下特点：逆流程起动，即先起动4 # 皮带机，最后起动重板给矿机； 顺流程停机，即先停重板给矿机，最后停4 # 皮带机，并根据皮带速度、长度加以延时间隔， 以免发生堆料的现象。为保护设备及人员安全，还需要满足较为复杂的联锁关系：①当皮带 机、振动筛、圆锥破碎机、颚式破碎机中任一设备发生非正常停车或严重故障时，立即停止 上游设备的运行，下游设备保持原工作状态不变；当重板给矿机、除尘器和除铁装置等辅助 设备发生故障跳闸时，只向主控室发出故障信号，而不中断系统的运行；②重要设备如圆锥 破碎机等受到监测的轴瓦温度、电机负荷电流和稀油站工作参数信号也参与联锁，在信号超 限时自动停机，以防止设备受损；③根据皮带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机 或发出声光报警；④在监控站画面上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现重大险情和 故障时，操作“紧急停止”按钮能立即停止全线设备。
系统从安全可靠、灵活高效的原则出发，设置3 种控制方式：①计算机控制方式，正常 生产时使用，操作员在监控站画面实现设备联动或单动；②操作台控制，是保留系统原来的 操作方式，作为监控站失效时的备用；③就地控制，可以用机旁电气开关实现设备的起/停， 满足设备检修、试车、紧急事故处理的需要；在PLC 柜上设有转换开关和转换预置按钮， 可在3 种控制方式间进行任意转换。
通过对上述控制功能和PLC 各个输入输出信号的仔细分析，确定出单台设备的控制逻 辑，利用西门子STEP7 编程软件编写出梯形图（LAD）程序，见图1。其中，K 为控制设备起 /停的PLC 输出信号，Y 为启动逻辑信号，T 为停止逻辑信号，由以下信号按一定逻辑关系产 生：L ，与该设备有联锁关系的其他设备运行状态；S1，上台设备启动后延时触发信号；S2， 转换开关处于计算机控制方式；S3，监控画面单动/联动方式选择按钮，“1”为联动，“0” 为单动；S4，监控画面单动按钮；S5，控制方式预转换按钮；S6，转换开关状态，为“1”表 示处于就地控制；S7，设备正在运行状态，是中间继电器信号；B1，联动停止信号，由上台 设备停止后触发产生；B2，监控画面停止按钮；D1，预转换过程结束信号，“1”表示转换结 束，由定时器延时触发；B3，监控画面紧急停止按钮；B4，操作台紧急停止按钮；S8，与该 设备存在联锁关系的其他设备运行状态；S9，该设备PLC 控制输出状态，为“1”表示PLC 控制线路接通。
图1 单台设备起/停控制梯形图
4.2 破碎机恒定负荷控制
Nordberg HP 圆锥破碎机是本次项目改造中的关键设备，为使其稳定在最佳工作负荷状 态，达到最大处理能力，采用恒定功率控制方式，以主传动电机的功率(电流)作为被控参数， 通过变频调速，动态调整给矿皮带给矿量的大小。经实验分析发现，若仅以电机功率作为被 控参数构成单回路控制系统，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，当给矿 量扰动发生后，将导致调节作用大大滞后，且易发生振荡，系统动态品质难以保证。为了克 服系统的纯滞后，决定采用串级控制：在给矿皮带上安装电子皮带秤，以给矿量为副参数， 主传动电机的功率为主参数构成串级控制系统，见图2。
图2 圆锥破碎机恒定负荷控制方框图
由图可见，当粒度、硬度、黏度等因素发生变化引起给矿量扰动发生时，给矿串级控制 系统多了一个副回路，不等扰动影响到负荷功率，副回路立刻进行调节，从而具有较强的抗 扰动能力，提高了系统的动态特性和主参数的控制质量。
5 监控站人机界面设计
监控软件采用澳大利亚的CitectSCADA 组态软件。CitectSCADA 采用开放式结构，支 持多种型号的PLC 和I/O 设备，只要在组态时设置PLC 类型和通信参数，并在监控画面的 控件属性中设置正确的PLC 位地址或字地址，监控软件就能建立起与PLC 内部地址的连接和 通信。我们利用它强大的图形组态技术和丰富的用户函数，设计了以下功能：①流程监控画 面（见图3），通过动态、变色、闪烁、数字、棒图及曲线的方式实时监视各电气设备、工 艺参数的工况，操作人员点击画面按钮可以实现全线设备单动起/停、联动起/停、紧急停车、 现场询问等控制功能；②生产数据统计，对设备的起/停时间，班运转时间、起/停次数累计 等信息自动记录并显示，对于合理安排生产和设备检修具有重要意义；③自动报表，将生产 统计数据按生产班次定时打印；同时，在监控画面设计了报表打印按钮，可以在任何需要的 时候进行打印；④在线操作指导，采用Windows 超级链接文本帮助的形式，向操作人员提 供了方便、快捷的查找关于生产工艺操作、软件使用方法和设备维护等信息；
