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礦山充填系統的儀電控一體化方案設計
[摘 要]主要介紹礦山充填系統項目改造的方案設計，具體包括儀表、電氣、控制、工業視頻1體化設計系統。系統采用美國羅克維爾公司生產的SLC500控制系統，介紹了控制系統的綜合設計思想、上位計算機的組態方法、下位控制器的編程思路，以及設備網現場總線的具體應用情況。系統自2005年在甘肅、浙江等地礦山投入使用以來，已取得較好的經濟效益和社會效益。
0 引言
礦山充填是井下生產的重要1環，充填質量的好壞直接關系到整個礦山的安全生產。傳統的充填系統依靠常規儀表控制充填料漿的濃度，人為因素較多，工人的勞動強度大，存在不同程度的充填生產質量問題。隨著計算機控制系統的普及應用，特別是近年來現場總線設備的快速發展，為礦山充填生產線的改造提供了強有力的技術支持。根據冶金礦山充填的生產現狀及發展需求，甘肅金川有色總公司龍首礦于2004年6月完成系統初步設計，系統自2005年開始陸續在甘肅、浙江等地礦山投入使用，至今已取得較好的經濟效益和社會效益。
1 系統構成
礦山充填系統由儀表、電氣設備、計算機控制系統、工業電視系統4個部分組成。其中測量儀表22臺，包括流量（有沖板、電磁）、溫度、物位（雷達式物位）、調節閥等；電氣拖動設備19臺，設備網變頻器10臺，設備網現場操作箱12臺，設備智能箱2臺；計算機系統1套；工業電視1套；6個點，其中2個點由云臺控制，帶錄像功能。
系統構成如圖1所示。上位計算機采用工業級的計算機，Dell/1.5GHz/128MB/40GB，內置音箱。兩臺計算機實現冗余控制，采用標準電腦鍵盤便于維護更換，配置軟件包括Windows2000操作系統、RSView32生產設備監控組態軟件和RSNetWork現場總線（設備網）管理軟件。
下位控制器采用美國歲克維爾公司生產的SLC500控制系統。包括16MHz處理器，帶工業以太網接口、電源、模擬量輸入輸出模板以及開關量輸入輸出模板。設備網現場總線設備包括：設備網適配器，設備網電源以及設備網下掛的操作箱、信號箱、設備網變頻器等。采用現場總線設備后，檢修工作量大大降低，設備能夠長期穩定運行。
2 系統設計
整個系統采用了儀表、電氣、控制系統1體化的設計思想。現場設備數據傳輸以I/O模板和現場總線的方式實現，采用兩臺冗余上位計算機實現人機對話，通過下位控制器以程序指令方式實現全部生產過程的邏輯及復雜控制。
2.1 儀表電氣部分
2.1.1 儀表系統
儀表測量數據的顯示、報警以及調節儀表的參數設定、調節全部在上位計算機上完成。儀表信號采用2線制或4線制兩種方式通過模擬量輸入板直接采入控制器，采用標準的4～20mADC輸入信號。
現場執行儀表（如調節閥）由控制器的模擬輸出板以標準的4～20mADC信號直接驅動。
控制方案、PID回路及相關參數、連鎖邏輯報警、儀表程序指令等存貯在下位控制器中。
2.1.2 電氣系統
系統中的電氣信號傳輸采用了以下方式：
（1）控制器設置于低壓配電室，來自低壓柜的開關量輸入（DI）信號以系統配電電源（220VAC）的方式通過開關量輸入板直接接入控制器，不再另外設置24VDC繼電器轉換隔離。
（2）開關量輸出（DO）通過開關量輸出板，經24VDC繼電器隔離后以無源方式輸出。
（3）所有電氣設備的機旁操作箱、遠方電氣設備（如遠方皮帶機）、全部變頻器等設備以設備網現場總線的方式通過設備網適配器下掛于SLC500控制器。
（4）所有電氣設備的狀態顯示、故障報警、啟動停止操作，以及有關數據的修改等全部在上位計算機集中完成。
（5）單臺電氣拖動設備的操作方式設置為機旁、檢修和集中3種狀態。通過機旁操作箱的轉換開關選擇不同工作方式。當處于檢修狀態時，任何地點都不能起動設備。停車功能在任何方式下都可以有效。當設置為機旁工作方式時，設備處于無聯鎖狀態，主要用于設備檢修后的試車，正常生產時設備應處于集中工作方式。
設備的啟動停止、控制連鎖邏輯、電氣程序指令以及部分設備的報警功能等存貯在下位控制器中。
2.1.3 設備網現場總線
現場操作箱、變頻器等設備以現場總線的方式與設備網相連接，實現數據和信號傳輸。
設備網的設備通過1747-SDN適配器下掛于SLC500控制器，網絡介質采用粗纜，傳輸距離為500m，傳輸速率大于125Kb/s。
現場智能操作箱通過內配1個1747-8B8P的BLOCK/IO模塊實現開關量數據的上下傳輸。
變頻器通過可選件GM5通信卡實現包括開關量、模擬量的雙向傳輸（包括設備狀態、啟動停止驅動、運行電流、工作頻率等）。
2.2 上位計算機監控組態
控制系統設置兩臺操作站，位于中央控制室操作臺上，便于生產操作人員對整個生產過程的監控管理，所有的工藝生產數據實時顯示，可以在操作員站啟停所有的運行設備，并對工藝參數進行人工干預調整。
實際生產中的人機對話通過上位計算機中的BS View32監控組態軟件全面實現。
生產設備以形象化的圖形在上位機上顯示，并且與現場的設備動態對應，同時附有運行參數，便于生產操作工對設備的實時監控管理。上位機組態畫面包括：工藝流程畫面、設備啟停畫面、工藝參數趨勢畫面、設備故障報警畫面和生產報表正常生產時顯示工藝流程畫面，出現故障時報警畫面自動彈出，當操作員需要啟停某1臺設備時，點擊畫面上的對應設備后啟停窗口會自動彈出。
在控制系統的組態上，做到不同班次的操作人員有各自的登錄權限及口令，系統自動記錄登陸用戶、時間以及發出的操作指令，維護工程師可以查詢所有歷史操作，便于系統的維護及管理。
另外，本控制系統支持在車間調度室對整個工藝流的監視，但只能監視設備及工藝流程，不能對設備進行啟停操作，也不能對任何工藝參數進行修改。
常規儀表盤的數據顯示、電氣操作臺的顯示等操作，全部通過上位計算機以形象的、可視化圖形方式實現。
2.3 下位控制器控制程序
整個工藝流程的控制程序指令框圖如圖2所示。
下位程序指令是整個控制系統的核心部分，所有控制功能的實現、設備的連鎖保護、數據的采集處理計算、復雜調節回路的完成等全部由存貯在下位控制器中的程序指令完成。數據采集由SCP指令完成，前級通過GEQ指令做比較，采用MOVE指令進行數據清0。
所有電氣設備的機旁操作箱采用了設備網智能操作箱，指示燈、操作按鈕等指令全部通過設備網總線方式傳輸。部分儀表測量數據的簡單報警保護直接在上位計算機通過RSView32實現，復雜的邏輯控制及報警保護可以通過下位控制程序實現。有關儀表、電氣、控制系統的重故障報警可以通過外部警鈴向生產操作人員及時提示。
2.4 控制關鍵技術
（1）攪拌筒液位自動控制。攪拌筒砂漿液位的穩定是控制的關鍵。影響液位變化的變量包括：灰漿量、水量以及攪拌筒出口砂漿閥的開度。攪拌筒前的各供給量，包括水泥、水、棒磨砂等的量是穩定連續的，攪拌筒的液位通過出口閥的開度自動調節，以實現液位的穩定，液位的保持高度可以通過人機界面輸入，也可根據需要給出液位高度的死區誤差。在給定的區域內可視為液位正常，出口閥不動作。
（2）砂漿濃度控制。砂漿濃度與水泥量、水量、砂量相關。濃度是工藝關鍵指標，是必須確保的。砂漿濃度指標可以通過人機界面給定，根據工作需要可以隨時個性調整。具體控制中以砂漿量的給定值為基準，按比例計算出需要的水泥量、棒磨砂量、水量等，這些需要各自形成閉環自動調節并穩定供給。通過濃度計實現砂漿濃度檢測，根據測試值的偏離大小及時調整相關量的給定系數，數據采集由SCP指令完成。
（3）給水量自動控制。給水量控制是濃度控制的關鍵，水流量只與給水閥門的開度有關。水流量的控制目標值在手動方式時由操作員輸入、自動方式時根據棒磨砂量按比例計算得出。
（4）給砂量自動控制。給砂量通過變頻器調節。以砂漿濃度為目標，形成閉環控制，實現給砂量的自動調節。其中的控制難點在于皮帶過長，造成的控制滯后，在控制方法上通過微分環節的系數設定解決。
3 結束語
儀、電、控、視頻1體化方案在礦山充填系統的成功應用，徹底改變了傳統工業生產模式。在礦山生產的發展中，具有深遠的意義。特別是采用了設備網現場總線技術后，從設計、施工到生產運行中的在線維護、以及系統后期的設備增容等都10分便利。縮短了設備維護處理時間，提高了設備開動率，降低了停工時間和間接費用，特別是降低了工人的勞動強度，提高了企業生產率。項目投產后，年節約水泥、棒磨砂、尾礦等物料及人工費用達100多萬元，經濟效益10分顯著。
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