矿山充填系统的仪电控一体化方案设计

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[摘 要]主要介绍矿山充填系统项目改造的方案设计，具体包括仪表、电气、控制、工业视频一体化设计系统。系统采用美国罗克维尔公司生产的SLC500控制系统，介绍了控制系统的综合设计思想、上位计算机的组态方法、下位控制器的编程思路，以及设备网现场总线的具体应用情况。系统自2005年在甘肃、浙江等地矿山投入使用以来，已取得较好的经济效益和社会效益。

0 引言

矿山充填是井下生产的重要一环，充填质量的好坏直接关系到整个矿山的安全生产。传统的充填系统依靠常规仪表控制充填料浆的浓度，人为因素较多，工人的劳动强度大，存在不同程度的充填生产质量问题。随着计算机控制系统的普及应用，特别是近年来现场总线设备的快速发展，为矿山充填生产线的改造提供了强有力的技术支持。根据冶金矿山充填的生产现状及发展需求，甘肃金川有色总公司龙首矿于2004年6月完成系统初步设计，系统自2005年开始陆续在甘肃、浙江等地矿山投入使用，至今已取得较好的经济效益和社会效益。

1 系统构成

矿山充填系统由仪表、电气设备、计算机控制系统、工业电视系统4个部分组成。其中测量仪表22台，包括流量（有冲板、电磁）、温度、物位（雷达式物位）、调节阀等；电气拖动设备19台，设备网变频器10台，设备网现场操作箱12台，设备智能箱2台；计算机系统1套；工业电视1套；6个点，其中2个点由云台控制，带录像功能。

系统构成如图1所示。上位计算机采用工业级的计算机，

Dell/1.5GHz/128MB/40GB，内置音箱。两台计算机实现冗余控制，采用标准电脑键盘便于维护更换，配置软件包括Windows2000操作系统、RSView32生产设备监控组态软件和RSNetWork现场总线（设备网）管理软件。

下位控制器采用美国岁克维尔公司生产的SLC500控制系统。包括16MHz处理器，带工业以太网接口、电源、模拟量输入输出模板以及开关量输入输出模板。设备网现场总线设备包括：设备网适配器，设备网电源以及设备网下挂的操作箱、信号箱、设备网变频器等。采用现场总线设备后，检修工作量大大降低，设备能够长期稳定运行。

2 系统设计

整个系统采用了仪表、电气、控制系统一体化的设计思想。现场设备数据传输以I/O模板和现场总线的方式实现，采用两台冗余上位计算机实现人机对话，通过下

位控制器以程序指令方式实现全部生产过程的逻辑及复杂控制。 2.1 仪表电气部分 2.1.1 仪表系统

仪表测量数据的显示、报警以及调节仪表的参数设定、调节全部在上位计算机上完成。仪表信号采用2线制或4线制两种方式通过模拟量输入板直接采入控制器，采用标准的4～20mADC输入信号。

现场执行仪表（如调节阀）由控制器的模拟输出板以标准的4～20mADC信号直接驱动。

控制方案、PID回路及相关参数、连锁逻辑报警、仪表程序指令等存贮在下位控制器中。

2.1.2 电气系统

系统中的电气信号传输采用了以下方式：

（1）控制器设置于低压配电室，来自低压柜的开关量输入（DI）信号以系统配电电源（220VAC）的方式通过开关量输入板直接接入控制器，不再另外设置24VDC继电器转换隔离。

（2）开关量输出（DO）通过开关量输出板，经24VDC继电器隔离后以无源方式输出。

（3）所有电气设备的机旁操作箱、远方电气设备（如远方皮带机）、全部变频器等设备以设备网现场总线的方式通过设备网适配器下挂于SLC500控制器。

（4）所有电气设备的状态显示、故障报警、启动停止操作，以及有关数据的修改等全部在上位计算机集中完成。

（5）单台电气拖动设备的操作方式设置为机旁、检修和集中3种状态。通过机旁操作箱的转换开关选择不同工作方式。当处于检修状态时，任何地点都不能起动设备。停车功能在任何方式下都可以有效。当设置为机旁工作方式时，设备处于无联锁状态，主要用于设备检修后的试车，正常生产时设备应处于集中工作方式。 设备的启动停止、控制连锁逻辑、电气程序指令以及部分设备的报警功能等存贮在下位控制器中。

2.1.3 设备网现场总线

现场操作箱、变频器等设备以现场总线的方式与设备网相连接，实现数据和信号传输。

设备网的设备通过1747-SDN适配器下挂于SLC500控制器，网络介质采用粗缆，传输距离为500m，传输速率大于125Kb/s。

现场智能操作箱通过内配一个1747-8B8P的BLOCK/IO模块实现开关量数据的上下传输。

变频器通过可选件GM5通信卡实现包括开关量、模拟量的双向传输（包括设备状态、启动停止驱动、运行电流、工作频率等）。 2.2 上位计算机监控组态

控制系统设置两台操作站，位于中央控制室操作台上，便于生产操作人员对整个生产过程的监控管理，所有的工艺生产数据实时显示，可以在操作员站启停所有的运行设备，并对工艺参数进行人工干预调整。

实际生产中的人机对话通过上位计算机中的BS View32监控组态软件全面实现。

生产设备以形象化的图形在上位机上显示，并且与现场的设备动态对应，同时附有运行参数，便于生产操作工对设备的实时监控管理。上位机组态画面包括：工艺流程画面、设备启停画面、工艺参数趋势画面、设备故障报警画面和生产报表正常生产时显示工艺流程画面，出现故障时报警画面自动弹出，当操作员需要启停某一台设备时，点击画面上的对应设备后启停窗口会自动弹出。

在控制系统的组态上，做到不同班次的操作人员有各自的登录权限及口令，系统自动记录登陆用户、时间以及发出的操作指令，维护工程师可以查询所有历史操作，便于系统的维护及管理。

另外，本控制系统支持在车间调度室对整个工艺流的监视，但只能监视设备及工艺流程，不能对设备进行启停操作，也不能对任何工艺参数进行修改。

常规仪表盘的数据显示、电气操作台的显示等操作，全部通过上位计算机以形象的、可视化图形方式实现。 2.3 下位控制器控制程序

整个工艺流程的控制程序指令框图如图2所示。

下位程序指令是整个控制系统的核心部分，所有控制功能的实现、设备的连锁保护、数据的采集处理计算、复杂调节回路的完成等全部由存贮在下位控制器中的程序指令完成。数据采集由SCP指令完成，前级通过GEQ指令做比较，采用MOVE指令进行数据清零。

所有电气设备的机旁操作箱采用了设备网智能操作箱，指示灯、操作按钮等指令全部通过设备网总线方式传输。部分仪表测量数据的简单报警保护直接在上位计算机通过RSView32实现，复杂的逻辑控制及报警保护可以通过下位控制程序实现。有关仪表、电气、控制系统的重故障报警可以通过外部警铃向生产操作人员及时提示。

2.4 控制关键技术

（1）搅拌筒液位自动控制。搅拌筒砂浆液位的稳定是控制的关键。影响液位变化的变量包括：灰浆量、水量以及搅拌筒出口砂浆阀的开度。搅拌筒前的各供给量，包括水泥、水、棒磨砂等的量是稳定连续的，搅拌筒的液位通过出口阀的开度自动调节，以实现液位的稳定，液位的保持高度可以通过人机界面输入，也可根据需要给出液位高度的死区误差。在给定的区域内可视为液位正常，出口阀不动作。 （2）砂浆浓度控制。砂浆浓度与水泥量、水量、砂量相关。浓度是工艺关键指标，是必须确保的。砂浆浓度指标可以通过人机界面给定，根据工作需要可以随时个性调整。具体控制中以砂浆量的给定值为基准，按比例计算出需要的水泥量、棒磨砂量、水量等，这些需要各自形成闭环自动调节并稳定供给。通过浓度计实现砂浆浓度检测，根据测试值的偏离大小及时调整相关量的给定系数，数据采集由SCP指令完成。

（3）给水量自动控制。给水量控制是浓度控制的关键，水流量只与给水阀门的开度有关。水流量的控制目标值在手动方式时由操作员输入、自动方式时根据棒磨砂量按比例计算得出。

（4）给砂量自动控制。给砂量通过变频器调节。以砂浆浓度为目标，形成闭环控

制，实现给砂量的自动调节。其中的控制难点在于皮带过长，造成的控制滞后，在控制方法上通过微分环节的系数设定解决。

3 结束语

仪、电、控、视频一体化方案在矿山充填系统的成功应用，彻底改变了传统工业生产模式。在矿山生产的发展中，具有深远的意义。特别是采用了设备网现场总线技术后，从设计、施工到生产运行中的在线维护、以及系统后期的设备增容等都十分便利。缩短了设备维护处理时间，提高了设备开动率，降低了停工时间和间接费用，特别是降低了工人的劳动强度，提高了企业生产率。项目投产后，年节约水泥、棒磨砂、尾矿等物料及人工费用达100多万元，经济效益十分显著。