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2 0 1 5 年第5 期有色金晨 选矿部分 7 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 5 ．0 5 ．0 1 8 基于和利时L K 系列P L C 的选矿D C S 系统搭建 郭振宇1 ，刘继明1 ，欧阳希子1 ，徐启云2 1 ．北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术北京市重点实验，北京1 0 2 6 2 8 ； 2 ．洛宁华泰矿业开发有限公司，河南洛阳4 7 1 7 0 0 摘要针对选矿工艺对D C S 的要求，以某金矿选矿厂自动化系统建设为背景，介绍基于和利时u 系列P L C 搭建选矿 D C S 全过程。对D C S 进行功能设计，分析系统集成方式从而选用合适的P L C 模块，搭建D C S 网络并配置系统。阐述P L C 程 序设计及实现方法，人机界面的设计与应用。实践证明，该D C S 系统运行稳定、操作方便、扩展性强，达到了降低劳动强度、优 化选矿工艺指标、提高生产管理效率的目的。 关键词选矿自动化；和利时L KP L C ；D C S ；搭建 中圈分类号T D 9 2 8 ．9文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 5 0 5 - 0 0 7 7 - 0 5 E s t a b l i s h m e n to fD C Si nM i n e r a lP r o c e s s i n gB a s e do nH o l l y S y sL KP L C G U OZ h e n y u l ，L I U 以m i n g 。，O U Y A N GX i z i 。，X UQ i y u n 2 J ．8 e i j i n gK e yL a b o r a t o r yo fM i n i n gP r o c e s so f A u t o m a t i o nC o n t r o lT e c h n o l o g y ， B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ； 2 ．L n o n i n gH u a t a il 陇n i n gD e v e l o p m e n tC o m p a n yL i m i t e d ，L u o y a n gI - I e n a n4 7 17 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h er e q u i r e m e n t so fD C Sf o rm i n e r a lp r o c e s s i n ga n db a s i so nt h ec o n s t r u c t i o no f a u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mf o rag o l dm i n e r a lp r o c e s s i n gp l a n t ．t h i sp a p e rp r e s e n b 出ew h o l ep r o c e s so fe s t a b l i s h m e n to ft h e m i n e r a lp r o c e s s i n gD C Su s i n gH o l l y S y sL KP L C ．T h ed e s i g no fD C Sf u n c t i o ni sp r e s e n t e d ．A n a l y s i st h ei n t e g r a t i n g m e t h o d si no r d e rt oc h o o s et h ea p p r o p r i a t eP L Cm o d u l e s ，s t a t e dt h eD C Sn e t w o r ks t r u c t u r ea n dc o n f i g u r et h es y s t e m ． T h em e t h o do fd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fP L Cp r o g r a m ，d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea l e e l a b o r a t e d ．T h er e s u l tp r o v e st l l a tt h i sD C Sw h i c hi 8s t a b l e ．e a s yt oo p e r a t ea n ds c a l a b i l i t yh a sa b i l i t yt or e d u c et h e l a b o ri n t e n s i t y ，o p t i m i z em i n e r a lp r o c e s so p e r a t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t ． K e yw o r d s m i n e r a lp r o c e s s i n ga u t o m a t i o n ；H o l l y S y sL KP L C ；D C S ；e s t a b l i s h m e n t 某金矿选矿厂处理量为4 8 0t ／d ，选矿厂在建设 阶段，考虑到工人凭经验手动调节，不能及时准确地 控制生产过程，较难获得好的生产指标，劳动条件也 差⋯。实现工艺参数和设备运行状态的在线监控和 操作有利于减少劳动强度、提高工作及生产管理效 率心J 。本文根据某金矿选矿厂对自动化的需求，基 于和利时L K 系列P L C 产品，设计并实现一整套完 整D C S 系统 D i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e m 的搭建工 作。L K 系列P L C 作为国内首款大型P L C ，具有高性 能、高可靠性、通讯灵活、易维护等特点”1 ，为该选矿 D C S 的稳定运行提供有力保障。 1D C S 功能设计 某金矿选矿工艺主要包括破碎、磨矿、浮选等工 艺流程。工艺生产及生产管理要求破碎段要实现设 备的时序控制及连锁保护，磨矿段给矿系统连锁控 制及保护，磨矿、分级系统的稳定控制，浮选段浮选 液位稳定控制等功能，故设计D C S 的功能如下1 仪表设备集成，包括过程检测及执行器设备，实现工 艺过程测控；2 电气信号集成，集成给料机、输送皮 带、渣浆泵等工艺设备电气信号，实现电气设备的状 态监控、远程控制、连锁保护；3 第三方设备集成， 球磨机、加药机等第三方设备的系统集成，使这些关 键设备能参与连锁保护以及远程控制；4 实时、历史 数据库的建立，采集到的数据与查看；5 W E B 发布， D C S 网络与办公网络连接，实现工业实时数据与厂 级局域网客户端的交互。 2 系统集成方式分析及P L C 模块选用 C P U 模块。变频器、电机保护器、加药机等设备 投稿日期2 0 1 4 - 0 5 - 2 6修回1 3 期2 0 1 50 7 - 2 3 作者简介郭振宇 1 9 8 4 一 ，男，辽宁铁岭人，硕士，工程师，从事选矿低压电气及过程自动化系统工程的设计、实施和管理。 万方数据 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第5 期 带有P r o f i b u s D P 通讯接口，故P L C 中需配置 P r o f i b u s D P 主站模块；磨机负荷在线检测系统等设 备内置M o d b u sT C P ／I P 从站模块，需要在P L C 中配 置M o d b u sT C P ／I P 主站模块与磨机负荷在线检测系 统进行通讯；和利时上位机系统内嵌M o d b u sT C P ／I P 驱动，P L C 需要能作M o d b u sT C P ／I P 从站从而实现 D C S 上、下位机数据交互，综合分析，C P U 选用 L K 2 1 0 。该C P U 模块，支持多种通讯协议，不仅可作 P r o f i b u s - D P 主站，而且可作M o d b u sT C P ／I P 主、从 站，工作频率5 3 3M H z ，单指令执行时间仅为 1 3n s ”o ，且支持冗余热备。 I O 模块。现场检测仪表、自动控制阀门和变频 器可发送或接收4 2 0m A 电流信号进行开度或频 率调整，为集成这些仪表或设备的信号，需要配置A I 和A O 模块。电机拖动回路中具备D I 信号传输及 D O 信号接收接V I ，为集成这类信号，需配置D I 和 D O 模块。考虑到节省控制柜内空间，配置点数密度 大的I O 模块以减少模块数量。综上分析，并结合 L K 系列P L C 特点，I O 模块配置如表1 所示。 通讯模块。电能计量仪表支持M o d u l e sR T U 协 议，配置L K 2 3 9 模块，此模块可作为M o d b u sR T U 主 站与电能仪表通讯读取所需数据；现场变频器、马达 管理层 控 执 T 程师站 盟 。。．王錾丝杰孽 。i 。 ⋯_ “．一．k ．⋯．⋯．一 保护器等支持P r o f i b u s ．D P 的设备数量多、布置广，加 之I O 模块亦作为C P U 的D P 从站占用D P 节点，用 常规的“菊花链”的拓扑结构无法进行组网，为改变 D P 总线的拓扑结构，并拓展D P 总线的物理长度，选 用L K 2 3 2 模块，它是D P 总线重复器模块，可将“菊 花链”拓扑结构转为“星型”结构，大大增加D P 拓扑 结构的灵活性，且为D P 电缆敷设施工提供方便；本 D C S 系统中的P L CI O 模块数量较大，为压缩I O 模 块所占D P 接线数量，选用L K 2 5 0 模块，它是 P r o f i b u s D P 通讯接口扩展模块，可实现D P 从站到 D P 主站转换。L K 2 5 0 可直接作为C P U 的D P 从站， 其下游可配置多个I O 模块，L K 2 5 0 将作为其下游I O 模块的D P 主站。作为L K 2 5 0 从站的I O 模块，将不 再直接作C P U 的D P 从站，而是直接作为L K 2 5 0 的 D P 从站间接与C P U 交互数据。 表1 T a b l el I O 模块选型表 S e l e c t i o no fI OM o d e l s 序号 l 2 3 4 模块描述 L K 4 1 l U 5 l l L K 6 1 0 L K 7 l O 8 通道电流型A I 模块 4 通道间隔离电流型A O 模块 1 6 通道2 4VD C 漏型D I 模块 1 6 通道l O ～3 0VD C 源型D O 模块 办公电糠办公电脯 盈盟 Ⅲ研二 胛e职纾 操作站1 ’操作站2 ‘操作站 防火墙l打印机 琴‘翠i 3争宁 卒宅控站 余控制器 I t l , 冗余1 _ l 业总线P ■O n t 矾 磨浮2 ’l o w磨浮3 ‘I O 站 磨融‘l t 目- 蛄磨浮I 。1 0 纠 L K 2 3 2 L } 2 5 0k K 2 3 2L K 2 5 0L K 2 ．3 L K 2 5 0 L K 2 3 2 L K 2 5 0 II I■ I llII ll 一_ l●l l I P R O F [ B U S f 9r | p R o F l 8 U SD p 广一P R o F I B u s D p 广JP R O F I B U S l r 1I li；il士lll患，i 万方数据 2 0 1 5 年第5 期郭振宇等基于和利时L K 系列P L C 的选矿D C S 系统搭建』 3D C S 网络结构及系统配置 搭建的选矿D C S 网络采用3 2 结构三层设 备、两层网络。如图1 所示。三层设备层次由低到 高分别是执行层、控制层、管理层。两层网络层次包 括控制网和监控网。 结合上述D C S 的3 2 网络结构，系统具体配置 如下 在破碎控制室内，配置1 套含有C P U 的控制主 站和1 套I O 从站，配置1 套工控机作为破碎工段的 操作员站；在磨浮控制室内，配置1 套含有C P U 的控 制主站和4 套I O 从站，配置2 套工控机作为磨浮工 段的操作员站，另配置1 套工控机作为D C S 系统的 工程师站及W E B 发布服务器。 破碎、磨浮段的控制主站中的C P U 均采用冗余 配置，确保控制系统的正常运行哺J 。C P U 模块与 L K 2 3 2 、L K 2 5 0 模块之间用双D P 网络连接，实现主 站与I O 站之间的冗余网络连接，即建立控制层与执 行层之间通讯网络冗余，提高信息传递的可靠性、安 全性和稳定性。上、下位机采用工业E t h e r n e t 网络 连接，W E B 服务器通过工业E t h e m e t 网络将监控画 面发布至厂级办公网络。 对于此D C S 系统，各种通用接口的应用便于系 统扩展、升级，为后续可能的扩建工程的实施创造了 有利条件MJ 。 4 P L C 程序设计 P I E 程序使用和利时P o w e r P r o 编程软件，采用结 构化文本语言 S T ，S t r u c t u r e dT e x t 编写。程序设计采 用面向对象的方式。分析本选矿厂待测控对象，抽象 这些对象的属性和方法，将这些属性的方法封装成不 同的类去表达所属对象。例如，对于泵、搅拌槽等这 些电机拖动的对象，抽象它们运行、故障等属性以及 故障停机、连锁保护等方法，将这些属性和方法形成 数据类型和驱动函数从而封装成电机类。基于上述 面向对象理念，综合分析本D C S 系统执行层测控对象 特征，设计的P I E 程序数据结构如图2 所示。 在P I E 程序中，每套仪表、电气设备等均可被称 为一个对象。根据数据结构，每个对象被封装为一组 包含前台数据及后台数据的数据。前台数据包括1 6 通道模拟量数据 A I ／A O 、1 6 通道数字量数据 D I ／ D O 、1 7 个可根据对象特性由驱动程序定义的U D W 数据 U s e rD e f i n eW o r dd a t a 以及1 6 个可根据对象特 性由驱动程序定义的U D R 数据 U s e rD e f i n eR e a l d a t a ；后台数据包括一定数量的定时器、计数器、累加 器、配置数据等。其中，对于前端数据，可以根据对象 所属类的属性对各数据进行配置。例如，定义A I ／ A O 、D I ／D O 数据的输入、输出特性并控制A I 、D I 数据 来源地址以及A O 、D O 数据的目的地址等‘引。 二H M I 张, 塔簌， 纛 雠～硫Ⅳ二麓。、1 鬻； 瓣，i 6 D 洒oj 警竺 图2 数据结构 F i g ．2 S t r u c t u r eo fD a t a P L C 程序中建立多种驱动程序，驱动即为输入、 输出型数据之间的映射关系，是对象所属类的方法。 对于所属不同类的对象，虽然具有相同的前台数据 和后台数据结构，但由于它们所属类的不同，故它们 的属性和方法均不同。本P L C 程序中建立的驱动程 序有，电机控制驱动 封装电机常规连锁控制等方 法 、数据处理驱动 封装滤波处理、报警判断、数学 运算等方法 、变频器驱动 封装变频调速以及启停 控制等方法 、调节阀驱动 封装开度设定及P I D 调 节等方法 等。 为使对象与类进行有效的消息传递，基于P L C 循 环扫描机制，设计的P L C 程序执行流程如图3 所示。 开始 ◆ 将I 区数据读至M I 区，分配给予各个对象 J I 执行对象所属类的驱 l 动程序，将运算结果 读至M 区 J l 将M 区数据读至Q 区 并输出 ’ 结束 图3P L C 程序执行流程 F i g ．3 E x e c u t i o nP r o c e s so fP L CP r o g r a m I 区一输入数据映像区；M 区一内部存储区； Q 区一输出数据映像区 根据图3 ，整个过程循环执行，实现内、外部数据 按对象驱动规则的有机交互。 按面向对象思想设计的P L C 程序不仅实现连锁控 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第5 期 制、回路调节等功能，满足工艺要求，而且代码重复利用 率高、扩展和移植性强、便于维护升级及故障排查。 5 人机界面设计与应用 人机界面采用和利时L K 系列P L C 配套H M I 软 件F o r c e V i e w 进行设计及开发。软件通过内嵌 M o d b u s T C P ／I P 驱动与L K 系列P L C 建立起通讯，实 时采集P L C 中的变量数据，并可将采集数据储存至 后台。 根据选矿工艺流程和设备联系，利用F o r c e V i e w 软件开发出相应的操作界面，如图4 、图5 、图6 所示。 啊 鲫‘仓k ”m翩～⋯‘ 鬻lH l - _ 雨甬夏_ 1 一．舷式破碎机 F I ■日■＆{ l i t ■■■女Ⅲ●“■ 盟 枷 ，D 吼s1 5 j 2 ．∞ Jx M上Ⅻ。f i H l ．应* 蝇k t 图4 破碎流程人机界面 F i g ．4 H M Io fc r u s h i n gp r o c e s s 粉矿仓 山 镬婆￡。 41I t z 皮带给矿机★ 5 。皮带 日期日期位号数值限值类型确认操作员 i． 2 0 1 4 ／0 5 ／t 8 2 3 5 9 4 5 M 6 7 一F i t 关闭关闭一 打开水泵1 故障恢复 图5 磨矿流程人机界面 F i g ．5 H M Io fg r i n d i n gp r o c e s s № 万方数据 2 0 1 5 年第5 期郭振宇等基于和利时L K 系列P L C 的选矿D C S 系统搭建 8 1 圈 1 搅拌 “o 鬯1 2m r o oH z 湎一 “ 鼓风机 一 r j 水池北清水池南 图6 浮选流程人机界面 F i g ．6 H M Io ff l o t a t i o np r o c e s s 人机界面可实现的功能有1 流程总貌，显示选 矿系统各设备、装置、区域的运行状态；2 各工序关 键工艺参数在线监控，实时曲线和历史曲线查询；3 回路控制及工艺参数期望值在线修改，如给矿量、泵 池补水量、磨机前给水量等；4 各个设备的运行状态 监视与远程控制；5 各工段耦合设备连锁保护与启 停控制，破碎段设备“一键启停”；6 磨机、加药机等 工艺设备信号集成与状态监控；7 故障报警，显示 当前所有过程参数报警，如料位高低报警、电机过载 故障报警等；8 记录、备份实时生产数据，生成相应 的生产报表；9 通过W E B 发布的方式将运行界面传 输至厂级办公局域网，使厂级人员可使用I E 浏览器 查看运行界面并实时交接工艺数据。 6结论 本选矿D C S 系统已经投入使用数月，在选矿厂 的生产、管理方面发挥着重要作用。远程操作、回路 控制等功能不仅降低劳动强度，而且稳定工艺指标； 工艺参数及设备状态监控、存储等功能，为工艺人员 提供可靠的工艺数据指导生产；生产数据远程发布 功能，使厂级领导实时了解选厂生产情况从而下达 准确指令。和利时L K 系列P L C 作为一款性价比高 的国产P L C ，用其搭建选矿D C S 系统不仅稳定性好、 可靠性高，而且投资成本低。本文为选矿自动化建 设又提供一个解决方案和成功案例。 参考文献 [ 1 ] 葛之辉，曾云南，赵保坤．选矿过程自动检测与自动化综 述[ J ] ．中国矿山工程，2 0 0 6 ，3 5 6 3 7 - 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