全流程自动化控制系统设计方案及对策

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罗河铁矿选矿
全流程自动化控制系统设计方案
金建立计研究工程二〇〇九年八月
罗河铁矿选矿全流程自动化控制系统设计方案
目录
前言 (1)
一. 公司简介2
1.公司概况2
2.工程业绩表3
二.设计概要8
1.设计依据8
2.设计原那么8
3.设计目标9
三. 系统设计11
1．系统构成11
1.1过程控制系统11
1.2网络通讯系统13
1.3网络数字监控系统13
2．监控及操作设计14
2.1上位机监控14
2.2系统操作15
3．过程控制设计17
3.1破碎过程自动控制系统17
3.1.1工艺过程17
3.1.2控制思想18
3.1.3系统控制方案19
3.2 磨选及浓缩过程自动控制系统22
3.2.1工艺过程分析22
3.2.2 控制思想25
3.2.3系统控制方案28
3.3 恒压供水控制43
4．控制系统主控单元44
4.1硬件设计44
4.2 软件设计47
4.3 控制设备选择52
4.4 系统其它设计53
5．多媒体电视监控系统55
5.1系统优势55
5.2 设计原那么57
5.3 系统功能58
5.4系统构成59
5.5系统设计方案62
四. I/O点统计65
五. 设备表86
前言
冶金行业的选矿厂工艺流程包括破碎、筛分、磨矿和选别等几个主要生产过程，国大多数矿山存在生产环境恶劣、自动化水平较低，磨机给料采用手动给矿，人工观察出矿浆粒度、浓度，根据人工判断磨机负荷对给矿机的运行状况和水路进展调节。

由于调节不及时，运行不稳定，常常使磨机出现“空腹〞或“胀肚〞的现象，影响整个磨选工艺流程的稳定性。

因此，对选矿厂实施自动控制意义重大。

同时，由于选矿厂工艺流程的特点，大的用电设备较多，如破碎机、磨机等，有的甚至是高压设备，成为生产环境中的干扰源，如高压电磁场干扰、强电信号干扰、大型用电设备启／停信号的干扰等，只有采用合理有效的防干扰措施，才能使自动控制系统正常稳定地运行。

结合国黑色矿山选矿厂自动化的运行情况和罗河铁矿选
矿厂的实际流程，此次罗河铁矿选矿厂的全流程自动控制方案的设计本着“简捷、平安、实用、可靠〞的原那么，采用目前国际领先的通讯技术方式，该控制系统的实施能及时掌握和了解工艺流程中各设备的运行工况、工艺参数的变化，有效优化工艺流程，保证工艺流程稳定、平安的运行，并降低运行本钱，提高管理水平，使之长期稳定地运行，对罗河铁矿的生产具有重要的意义。

一. 公司简介
1.公司概况
金建立计研究工程〔简称金建公司〕成立于1996年，是一个集黑色、有色、黄金矿山工程设计、自动化控制、工程施工、新产品开发为一体的综合性高科技企业。

经过10多年来的不懈的努力和追求，金建公司现已成为国业知名的工程技术公司，工程工程普及全国各地以及俄罗斯、哈萨克斯坦、委瑞拉、朝鲜、缅甸、越南、里南等世界10多个国家。

金建公司不断引进国外先进技术，培养专业人才，凭借雄厚的技术力量和人才优势，在矿山数字化方面取得了不俗的业绩，踏实的工作作风、诚信的企业品质为金建赢得了良好的声誉。

在矿山工业控制和自动化领域十年的经历积累，使公司在工矿企业生产自动化、楼宇自动化系统，特别是在选矿厂生产过程智能控制、卷扬机提升交流及直流自动控制、矿山井下通风及排水控制、充填系统自动控制、井下人员车辆定位、井下无线通讯、工业电视监控系统、工矿企业局域网及办公自动化系统、物资管理智能控制等方面取得了显著成效，成功实施了大量矿山自动控制工程，其中选矿自动控制工程四十余项，提升自动控制五十余项，井下通风、排水、充填自动控制十余项，尤其是由我公司设计实施的全数字化矿山系统，目前已将招金股分大格庄金矿、夏甸金矿打造为业数字矿山的典型代表，成为文明生产和平安生产示矿山。

与此同时，金建公司还不断加强同国外高等院校及科研院所的合作，进展科研、技术创新和人才培养，特别是与东北大学的合作，开发出针对黑色冶金矿山的行业软件，并以软件开发、系统集成、网络工程、综合布线及平安监控工程为根底，为冶金行业提供信息化整体解决方案。

2.工程业绩表
二.设计概要
1.设计依据
以矿方提供的图纸、方案资料为设计依据。

2.设计原那么
(1)系统的合法性
方案的设计、安装、调试、维护符合国家行业有关规定和有关部门技术防要求。

(2)系统的可靠性原那么
在控制原理、工控设备选型上，尽量选择抗干扰能力强、电磁兼容性和平安性符合现场工业要求的国际品牌或国知名品牌产品；对控制系统软件的设计和配置上保证所提供的软件是当今国际计算机控制领域公认的、稳定可靠的、工业标准的实时操作软件，具有很高的容错能力。

(3)系统的先进性原那么
充分考虑自动控制领域技术的迅速开展，参考目前自动控制设备的开展水平，融合具有国际先进性、成熟的技术，在自动控制系统硬件和系统软件的选型上首选国际市场的成熟产品，确保控制系统在交货时是目前市场上最先进的、最新版本的产品。

(4)系统的易维护性原那么
系统要易于管理、易于维护，操作简便。

(5)系统的可扩展性原那么
本着长远开展的观点，考虑到技术更新、设备增加和改造的需要，该系统的软硬件应能方便地进展调整、修改、扩大，在采用新技术的同时保护现在的投资。

(6)系统的开放性原那么
所有的网络必须是完全开放的总线技术，符合国际公认的IEC61158网络标准总线，网络应具备良好的可连通性和互操作性，具备成熟的第三方连接能力，控制协议是广泛应用的标准协议，能表达当今计算机技术和信息技术的开展水平。

(7)系统完善性原那么
保证提供的系统是完整的、可靠的、完全满足现场生产的需要，确保系统的硬件、软件的完整性和兼容性。

(8)性能价格比原那么
在确保系统性能有效、稳定可靠的根底上，考虑系统先进性的同时，在满足自动控制的要求下，尽量降低系统造价，以到达最正确的性能价格比。

3.设计目标
罗河铁矿300万吨/年选矿自动化工程，采用先进的检测仪表、电气控制设备和现场总线控制系统，融先进控制技术、通讯技术、信息技术、网络技术、计算机技术于一体，构建罗河铁矿选矿厂过程自动控制系统和优化控制平台，实现生产过程自动化、控制智能化，将罗河铁矿选矿厂建立成国领先、国际先进的数字化工厂。

在生产工艺和设备不断完善的根底上，选矿厂自动化系统应到达以下建立目标：
(1)、对破碎过程实行全过程自动控制，在中碎缓冲矿仓、细碎缓冲矿仓、圆振筛缓冲矿仓及粉矿仓，实现矿仓综合自动布料。

通过在圆锥破碎机上安装雷达料位计和功率变送器，实现圆锥破碎机的功率控制，实现选矿工艺的“多碎少磨〞。

(2)、对磨矿生产过程进展优化控制、优化运行与优化管理，保证全流程生产稳定；通过检测磨机负荷、旋流器给矿浓度、压力等生产工艺指标，优化产品质量，使磨矿能力和效率最大化；通过检测浮选过程给矿量及给矿浓度，实现浮选过程自动加药，稳定选别指标，提高经济效益。

(3)、通过设备监测与设备平安管理，到达保障设备平安、减少故障停机时间和提高设备作业率的目的。

(4)、通过对工业现场实施闭路电视监控，能够及时了解整个生产流程的工作情况和各工序的生产情况，随时了解各主要生产环节的实时生产状况，处理突发事件，为自动化控制操作提供可靠依据，同时兼顾安防作用，有利于控制中心的集中控制、实时调度、统筹安排生产。

(5)、通过自动化系统的实施，减少污染，节能降耗，改善作业环境与劳动强度，实现文明生产。

三. 系统设计
1．系统构成
该套自动化系统由过程控制系统、网络通讯系统、网络数字监控系统组成。

1.1过程控制系统
主要包括现场仪表、一次元器件、工程师站、操作员站、远程I/O站、驱动设备、控制软件等。

罗河铁矿全流程自动控制系统的控制围包括：破碎筛分、磨矿分级、浮选、磁选、浓缩脱水等生产过程，生产工艺流程各工序的自动化控制系统的设计包含了主控单元设计、现场仪表设计、相关控制设备的电气接口设计、软件系统设计等。

设计中尽量使用现场总线，最大限度地减少现场布线工作量，对于变频、自带PLC的设备以及带有通讯功能的仪表，通过总线通讯读取数据。

对于功率大于15KW的设备电机安装电机智能保护控制器，对电机实现全方位的保护。

各控制子系统设计容及实现的主要功能包括：
(1)破碎控制系统
破碎主要设备及皮带的集中与局部联锁;
中细碎圆锥破碎机给料自动控制、与破碎机自带控制系统的OPC通讯，实现对圆锥破碎机的状态监控；
矿仓料位检测与布料自动控制；
主要皮带电流、跑偏、打滑、撕裂检测与报警；
给料皮带金属探测与报警，除铁器的自动控制；
3#带及9#带矿量检测；
风机的自动控制。

(2)磨选控制系统
球磨机、旋流器分级过程自动控制，包括给矿、给水量自动控制，磨矿浓度自动控制，球磨机音频、功率检测；圆盘给料机及给矿皮带的联锁与控制；
旋流器泵池液位、给矿浓度、给矿压力、溢流浓度的自动控制及溢流粒度的检测；
球磨机、渣浆泵〔变频〕运行参数、监测、控制，通过DP 总线与球磨机随机小型PLC控制柜和变频器DP通讯卡通讯，进展数据采集和控制；
浮选控制系统，包括浮选加药自动控制；浮选槽液位自动控制；泵池液位控制；鼓风机风压的检测控制；品位自动检测，包括精矿、尾矿品位检测；
(3)浓缩脱水控制系统
浓缩脱水控制系统，包括浓密机运行状态监控；瓷过滤机状态监控；精矿矿量计量；
(4)恒压供水控制系统
恒压供水系统，包括水泵变频控制；水系统液位检测报警；水系统压力检测。

1.2网络通讯系统
网络通讯系统实现的功能主要有以下几个方面：
〔1〕网络浏览、网络诊断、通讯组态、支持编程上传/下载和数据通讯效劳，以及基于网络架构的数据库事务处理软件；
〔2〕能够根据现场情况，支持星型、树型、总线型和环形等多种拓朴构造。

〔3〕具备良好的可连通性和互操作性，能够提供成熟的接口连接其他主流的第三方设备。

〔4〕通过自愈式光纤环网方式实现以太网冗余连接，即骨干网上任何一点的光纤连接意外断开，系统都能通过反向环的方式提供后备以太网链路，保证系统可靠性。

〔5〕支持主从、对等、多主等多种灵活的数据通讯构造。

数据块传送和报文发送都可通过组态完成，不需额外的复杂编程。

1.3网络数字监控系统
罗河铁矿的闭路电视监控系统设计为全数字化网络视频监控系统，采用技术先进的网络化数字监控，将传统的模拟视频信号转换为数字信号，通过计算机网络来传输、智能化的计算机软件来处理。

在选厂生产工艺流程的主要设备和重点部位安装摄像机，并于现场就近安装网络视频效劳器，将传统的视音频及控制信
号数字化，以IP包的形式在网络上传输，并由视频效劳器完成硬盘录相功能，现场录相能防止因效劳器故障影响所有视频信号的录相；
现场信号转换后经光纤传输至各车间机柜，由交换机集中，转换后再通过光纤至控制中心，大大减少了布线工作量，且传输介质主要以光纤为主，仅采用少量视频线，不存在现场信号干扰问题；
在控制室设有监控效劳器，安装监控控制软件，实现对厂区监控点的控制管理；
在网络中的每一台计算机，只要安装了客户端的软件，给予相应的权限就可成为监控工作站。

2．监控及操作设计
2.1上位机监控
可编程控制器、上位机软件、组态软件、网络通讯、web 效劳软件均采用德国西门子产品，采用远程I/O以及工业以太网等先进的网络通讯技术，实时动态显示现场设备状态及主要设备的工艺参数，并对远程设备下达各种指令。

(1)上位机组态画面与现场设备相对应，显示带动态过程变量和设备状态的生产流程图，使生产过程一目了然,操作人员通过计算机可方便地对生产过程进展操作和监控。

(2)报警功能:现场设备出现故障或变量超出预警值时，屏幕会弹出报警画面或故障设备参数，并伴有声响警示灯报警提示操作人员予以处理，预警功能能有效地将事故扼制于萌芽状态，对于出现故障的现场设备那么能及时发现处理，有效减少故障停车时间。

(3)显示变量趋势图〔实时趋势和历史曲线〕，能同时显示多个模拟量数值的趋势,并具有历史数据回忆和储存功能，方便选厂流程考察和数据分析。

(4)设备的远程启停：有权限的相关操作人员根据在线检测的设备运行、故障等状态，可实现设备的集中启停及远程单台启停。

(5)事件记录及故障报警记录：操作员操作记录、工艺参数或设备状态改变及报警信息可实现记录。

(6)产量显示、数据报表：产量报表及设备运行时间报表有利于掌握生产情况。

(7)选厂各种生产信息通过WEB远程发布，送达生产厂长、生产矿长、矿中心调度室及各级领导，按权限实现网上浏览。

2.2系统操作
⑴具有自动和手动两种相对独立、互为备用的控制方法。

远程控制功能包括远程集中控制和远程单台控制功能，在远程集中自动控制方式运行时，设备的启停由PLC控制系统按照工
艺的要求顺序自动启动及停顿，远程单台控制是由操作人员在计算机上点击相应操作按钮启停相应的设备；现场手动那么是由操作人员在现场控制箱上操作完成的。

⑵在每台设备旁边设计机旁箱或现场控制箱(柜〕，现场检修人员或巡检人员在现场设备检修时或发现问题时现场操作，如：现场检修，现场就地运行以及平安停车和平安保护设施等。

⑶在集中自动运行时，在设备启动之前，必须由控制室发出开车信号，只有当现场所有的设备均返回正常信号后，系统才能启动运行。

现场设备的正常信号作为系统启动运行的联锁条件。

⑷在现场手动运行时，现场控制箱上的远程／就地开关打到就地方式，此时不仅从控制程序上断开回路，而且从电气连接上断电，从而保证现场设备的绝对平安。

在现场控制箱上设有应急平安开关，当集中自动控制时，如有特殊情况，可将控制回路立即断开，以保证设备和人员的平安。

⑸全部电气设备实现相互联锁，设备启动顺序原那么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，延时的时间间隔应足以能处理该设备上的剩余物料；故障引起的紧急停车，原那么上是故障设备之前的所有设备立即停车，故障设备之后的设备顺序延时停车，延时的时间间隔应足以能处理该设备上的剩余物料。

3．过程控制设计
3.1破碎过程自动控制系统
3.1.1工艺过程
罗河铁矿选厂破碎筛分的工艺流程：井下矿石经粗破碎后由箕斗从主井提升至箕斗矿仓后，经1#带、2#带后由3#带运至中碎圆锥破碎机进展中碎，中碎产品经4#带转运至筛分分配矿仓后，由5台带式给料机给入5台圆振动筛进展筛分分级，筛下产品经8#带、9#带，由10#带布料至球磨粉矿仓，筛上产品经6#和7#带转运至细碎分配矿仓，再由两台圆锥破碎机细碎后，排入4#带形成闭路循环。

其工艺流程图如图1所示。

原矿
图1 破碎系统流程图
3.1.2控制思想
破碎系统自动控制的设计思想是：整个生产过程实现自动化控制，实时监控设备运行状态〔如电动机运行电流，轴承温度，润滑系统油流、油压、油温、皮带打滑、跑偏等〕并参与系统运行联锁，保护设备平安运行，防止事故停车，重要设备〔如圆锥破碎设备〕平安启动条件参与系统启停联锁；现场紧急停车信号作为系统启动的联锁条件，逆流程启动，顺流程停
车；上位机界面设置系统自动控制启停延时时间；对缓冲矿仓和粉矿仓实现料位予警及自动布料控制。

3.1.3系统控制方案
(1)圆锥破碎机的检测
通过检测圆锥破碎机的油温、油压、油箱液位等参数以及圆锥破碎机的故障状态，实现对圆锥破碎机的状态监控；圆锥破碎机的平安联锁由其本身自带的控制系统完成，其重要信号需送到集中控制系统，实现整个系统的联锁和显示；在系统集中自动控制时，圆锥破碎机的开停指令将由控制系统控制。

(2)圆锥破碎机的控制
通过在圆锥破碎机上安装雷达料位计和功率变送器，在皮带给料机上安装变频调速装置，对圆锥破碎机的给矿量及功率进展实时监测，采用模糊控制技术，实现圆锥破碎机的恒功率控制，实现选矿工艺的“多碎少磨〞，充分利用圆锥破碎机效率高能耗少的特点，提高碎矿系统的生产能力，降低破碎系统本钱。

破碎机控制原理图如下：
图2 破碎机控制原理图
(3)矿仓自动检测
在中碎缓冲矿仓、细碎缓冲矿仓、圆振筛缓冲矿仓及粉矿仓安装雷达料位计，实现料位实时检测和上下限报警,矿仓料位信号参与系统联锁。

(4)矿仓综合自动布料
在细碎缓冲矿仓、圆振筛缓冲矿仓安装格雷母线位置检测装置，控制布料小车实现矿仓综合自动布料系统，合理安排布料小车布料周期及布料地点，为破碎流程平稳高效运行做好根底。

自动布料的过程如下列图：
(5)皮带状态检测 对主要皮带安装皮带跑偏、打滑及撕裂检测装置并进展电流监测，实现皮带机的状态监测和平安保护，保证矿石的物流正常。

(6)金属物自动检测
在中细碎破碎机给矿的皮带上安装金属探测器及自动除铁装置，除铁装置与皮带同时启停，及时去除皮带上矿石中所含的金属块；金属探测器对未除掉的大块金属进展检测，并及时报警，以保证后续设备的平安。

(7)对风机及除尘器实现自动控制，转运站风机、除尘器与相关皮带联锁，圆振筛分风机、除尘器与圆振筛联锁，中细碎
图3 矿仓自动布料过程
器
分风机、除尘器与圆锥破碎机联锁，及时启停，能够充争保证除尘效果，并到达节能降耗的目的。

(8)矿量自动检测
在3＃胶带、9#胶带加装皮带称检测破碎系统处理量及磨矿系统粉矿量。

(9) 破碎主要设备实现全流程集中联锁启停及局部联锁，破碎流程中原矿仓至中细碎、中细碎至筛分、筛分至粉矿仓，此三局部的设备分别实现局部联锁。

(10)完成所有设备的实时状态监控，设备运行时间统计，设备故障记录及设备故障时间统计。

3.2 磨选及浓缩过程自动控制系统
3.2.1工艺过程分析
罗河铁矿选矿厂的磨选过程，总体工艺流程为阶段磨矿、阶段选别、两级脱水。

磨矿流程由两段磨机加旋流器组成闭路循环；选别流程为浮选脱硫、两段弱磁选；尾矿回收为强磁加重选；脱水为浓密加过滤两级机械脱水。

本次控制对全流程主体设备进展检测和控制，辅助设备的运行信号和启动停顿运行信号也引到控制系统，参与系统联锁。

磨选工艺流程：原矿经圆盘给料机下料到带式输送机，经
皮带称计量后进入到一段球磨MQG4060，一段球磨机排矿自流进入一次旋流器给矿泵池，经渣浆泵打入Φ500旋流器组进展分级，一次旋流器溢流进入后续选别作业，一次旋流器沉砂自流返回到一段球磨进展再磨，形成闭路循环；一次旋流器溢流由泵扬送至硫矿浮选系统,浮选的硫精矿矿浆经浓缩机浓缩后由泵扬送至瓷过滤机,硫精矿滤饼进入硫精矿矿仓直接外运。

浮选的尾矿由泵送至弱磁粗选作业，磁选粗精矿进入二段旋流器给矿泵池，由泵输送至Φ350旋流器组进展分级，分级溢流进入弱磁精选作业，最终铁精矿矿浆由泵输送至过滤系统的磁选浓缩后由瓷过滤机过滤，弱磁粗选和精选尾矿合并自流进入弱磁尾矿浓缩机浓缩。

弱磁选尾矿经中矿浓缩机浓缩后，其底流由泵扬送至圆筒隔渣筛分矿箱，均匀分配给4台Slon-2000湿式高梯度强磁选机抛尾，强磁选精矿自流至强磁精矿浓缩机，经浓缩后由泵打入二流矿浆分配器，均匀给入24台Φ1500螺旋溜槽进展提精选别，螺旋溜槽的尾矿同高梯度强磁选机的尾矿合并进入一台Φ43浓缩机浓缩，浓缩机尾矿底流由尾矿总泵站通过隔膜泵扬送至付冲尾矿库堆存。

螺旋溜槽的精矿由泵输送至过滤系统的红矿浓缩机浓缩，浓缩机的底流由泵扬送至过滤机同磁矿一同过滤，滤饼进入铁精矿矿仓直接外运。

其工艺流程图如图4所示。

原矿
图4 选别工艺流程图
3.2.2 控制思想
3.2.2.1 控制目的
稳定磨矿工艺流程，在保证磨矿产品满足浮选作业要求的的根底上，稳定磨矿系列台时处理能力。

3.2.2.2 控制因素
在磨矿分级过程中，影响系列处理能力及磨矿产品粒度的因素有：给矿量、矿石粒度及硬度、旋流器沉砂量、磨矿浓度、磨机转速、介质充填率、衬板状况及球荷球比等，上述因素的多变性及随机性，增加了磨矿分级过程控制的难度，经过对罗河铁矿选矿厂的磨矿过程分析，选取对影响磨矿效果比拟直接的因素进展检测和控制：给矿量、给矿水水量、磨机音量、磨机功率、旋流器压力、旋流器给矿浓度、旋流器泵池补加水水量〔球磨排矿水量〕等作为检测数据。

选取给矿量，球磨机给矿水水量、旋流器泵池补加水水量〔球磨排矿水量〕、旋流器给矿浓度等作为控制变量，而磨机充填率，磨矿浓度，旋流器溢流浓度作为被控制变量，将其它的变量作为系统的随机干扰。

3.2.2.3 控制方法
为了保证磨矿系统效率最正确，必须保证磨机充填率在最正确围、控制两个浓度及进展合理的负荷分配。

〔1〕磨机充填率
使用功率变送器检测磨机工作过程中的磨机充填率，该信号输入至主控机参与磨机最正确充填率的控制，通过动态实时调节给矿量及加球量来保证磨机充填率在最正确围。

〔2〕必须控制磨机磨矿浓度在最正确磨矿浓度围
由于在球磨机排矿端直接安装浓度计有困难，通常采用理论计算出一段球磨应添加的给矿水量，以此为依据控制给矿水量的大小，确保一段磨机磨矿浓度的稳定。

〔3〕必须控制旋流器给矿浓度稳定在一定围
由工艺过程分析可知，旋流器给矿浓度直接影响分级效率和产品质量，在原矿性质稳定、工艺流程稳定、设备稳定的前提下，粒度和浓度存在一定的线形关系，即浓度小，粒度细，浓度大，粒度粗，通过在旋流器给矿管道安装浓度计检测旋流器给矿浓度，调整泵池补加水量〔球磨排矿水量〕来保证其稳定在一定围。

〔4〕必须在保证旋流器溢流浓度稳定一定围的前提下，使磨矿系统给矿量最大。

〔5〕给矿量
在保证旋流器溢流浓度稳定在一定围的前提下，对球磨机。