摘要 太钢尖山选矿自动化系统10 a的应用和发展创造了良好的经济效益。着重对选矿厂自动控制系统的性能、发展前景和制约问题，并进行了全面分析阐述。

    关键词  自动控制  工业以太网PLC模糊控制

     Abstract  The ten yearsdevelopment and application of beneficiation automation system in Jianshan Iron Mine, Tai Steel has created good economic benefit. The performances, development prospect or restrictions of the automation system for the concentrator are analyzed in an all - rounded way.

     Keywords  Automatic control, Industrial intranet, PLC, Fuzzy control

太钢尖山铁矿是国家“八五”重点建设项目。至2004年，处理原矿500多万t，生产精矿粉215万 t。选矿采用平峒(粗碎)、中碎、细碎、磨矿、磁选、反浮选的生产工艺。生产过程采用了SIEMENS公司的集散控制系统，1994年投入使用。伴随10年多的生产实践，该厂的生产控制系统经历了调试、试运行、完善、改造、系统升级、功能优化等发展阶段，为尖山铁矿的发展起到积极的推动作用，创造了良好的经济效益，得到国内同行的肯定和好评。同时，该系统在网络、控制技术不断发展市场挑战中暴露出部分制约问题或瓶颈问题。具体介绍如下。

1  尖山选矿控制系统发展的历程

1．1原系统概述

    尖山选矿自动化系统原设计按照工艺的配制，将平峒、破碎、磨选作为3个独立的控制分系统。其中，磨选又分为顺序控制系统和过程控制系统(AS235K)。控制系统的硬件配置见图l。

    (1)平峒系统。因区域距离长达6 km，系统配置采用了主站带从站的方式。l#峒室、2#峒室、1号驱动站采用了西门子S5100的CPU，主站2#驱动站采用了s5115的CPU。各CPU之间的通讯通过西门子Ll网来实现。传输率为9．6 k。操作方式采用模拟台。

    (2)破碎系统。硬件配置采用S5155带扩展的方式。

    (3)磨选系统。分为两部分：S5155(顺序控制)系统与AS235K(过程控制)系统。其中，S5155系统硬件配置方式同破碎相同。AS235K采用西门子20眦纪70年代的产品，起主要功能是实现模拟数据的采集处理和生产过程控制。其与磨选、破碎 S5155之间的数据传输采用了西门了CS275总线(即西门子H1)。

此外，尖山矿2001年2002年新建的磨选Y系列、反浮选项H，控制系统采用了西门子先进的s7400系统。系统图分别如下：

1．2现控制系统概述

    不论是S5，还是新建的S7系统．其在尖山的发展中起到了积极的作用，但随着信息网络技术的快速发展，褴个网络及控制系统日益暴露出如F问题：

    (1)网络类型多、通讯协议不同．网络传输率低．PLC之间通讯能力差。烦琐的网络连接使得的系统维护量增大，维护成本逐年增加。

    (2)s5系统硬件中，因各模块机架配置专门散热的分扇敞障造成的控制系统停车达400多个小时。同时，人电压等级的信号模块产生r人量的无功能耗。

    (3)指挥系统难以实现生产数据的归档、分析和实现远程监视。不利于生产组织的决策。操作方式采用西门子专用系统造成操作极不方便且组态编程复杂。

    (4)原系统在信号的抗干扰方面存在缺陷。信号线J拜蔽层两段接地的方式产生环地电流造成信号的不稳定和失真。

1．2．1  解决方案

    基于以上原因．该矿于2003年组织实施了选矿控制系统的升级。新系统引进了先进控制技术和网络技术，上述问题和制约问题得以解决。具体改造实践活动描述如下：升级改造后的系统采用西门子 PLC S7400为主体框架，网络平台为工业以太网。利用工业以太网，SIMATIC NET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。基_丁SIMATIC NET网络技术，尖山选矿在改造巾．将网络构造成为环行网。其中．平峒、破碎、磨选．主控操作站、选矿调度监控站分别作为该环网上的接点(NODE)。环网采用多模光线为传输介质，通过西门子光线交换机(OSM)。实现了整个网络上数据的共享和操作与监控的有效统一。系统配置如图2所示。

    图2中，环网传输介质采用国产多光线，OSM为西门子工业交换机，TP、ITP、TCP／IP、是网络协议；Es代表工程师站；OS代表操作站；DP为西门子工业现场总线协议；I／O为西门子分布式站点。

    (I)工控机与以太网连接描述。在工控机(0s站、ES站和监控机)上装有西门了的CPl613网卡．它足一块带有微处理器的网卡．艾持IP和ITP两中网络协议，带有一个RJ45J接口和一个ITP接口工控机与以太网连接中，网络协议选用原则是根据现场距离的长短而定。其中，Es站、OS站采用ITP协议；凋度监控站采用TP协议；矿调站通过矿内局域网为平台，TCP／IP为其传输协议。

    (2)PLC系统与以太网连接描述。在破碎、磨选、平峒系统的PLC站内．分别装有一快带有RJ45接口的通讯卡CP443-l，与环网连接中分别采用了 TP和ITP的协议。

    (3)其他描述。整个控制系统的硬件配簧以西门了的s7系统为主体，现场采用了分布式方式(distrbul position)，各L／O站之间通过profibus及 DP协议进行数据的传输和交换。控制编程软件为 STEP 75．2，组态软件为西门子WinCC 5．1，网络配置软件为SIMArrIC NEq。

    (4)控制系统接地。新系统为解决信号干扰扰问题采取了以下措施：一是采用了在线式不间断且有较强的干扰隔离性能供电电源(UPS)供电；一是控制系统因分布不集中且属高速低电平控制装置，采用串联一点接地方式，用一根人截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地+母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22 mm2的铜导线，总母线使用截面大于60 mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2n，接地极埋在距建筑物10-15 m远处，而且PLC系统接地点与强电设备接地点相距lOm以上；三是信号源接地时，屏蔽层在信号侧接地；不接地时，在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层牢固连接并进行绝缘处理，避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时．各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。

1．2．2系统特性

    (1)工业以太网是基于IEEE 802．3(Ethemct)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网SI- MATIC NET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

    (2)采用光线工业交换机。使网络传输距离大大增强．光线特性确定了控制系统中信号传输的稳定性，本系统网络中．最大传输距离为26 km，为尖山选矿控制网络的拓扑奠定了丰富的空间。

    (3)采用I／O方式。解决了平峒系统(距离为5 km)以网因4个PLC站通讯造成系统不稳定甚至死机的问题。同时，实现了大量生产数据快速的传输。

    (5)基于以太网络技术的网络结构。使得远在7km之外的矿调监控系统通过Web技术就可得到轻松解决。

    (6)人性化的组态软件让数据的归档，分析变的非常简单。

2检测控制功能的实现

    自动控制流程按照生产工艺配置为平峒系统，破碎系统，磨选系统、浮选系统。各系统控制区域以料仓为界，即平峒、破碎，磨选。浮选之间的牛产控制栩百独立．当其中一个系统停车时．其他系统¨丁正常运行。控制功能可分为顺序控制和过程控制两部分。具体描述如下：

2．1  平峒系统

    (1)顺序控制。该系统在生产中的主要作用是对区注入溜井的原矿石的初破和运输。矿石存储在尾部的圆筒矿仓内。自动控制系统在生产顺序控制上采用逆料流顺序启动，顺料流停车。顺序控制比较简单。这里不再赘述．笔者就控制程序方面的设计方面的问题做一简单的阐述。为安全起见，除现场埘设备的各类保护作为连锁条件外，还增设丫操作人员选择信号。当外部设备具备肩车条件是，操作人员必须对准备启动的设备作出选择(此功能在操作触摸屏实现)，启动信号方可发出。事故发生(这里所谓事故是指设备停止运行)后，连锁停车，在触摸屏上出现保持报警信号，直到操作人员解除。

    (2)检测保护功能。在该系统中，采用的检测保护仪表有料位计、防撕裂装置、打滑器、跑偏开关，核子秤。①料位计。采用德国E+H公司牛产的超声波料位计，主要用于矿仓料位状况的检测。该仪表功能强大，可以测量多种如块矿．液体等介质H．适合于现场环境较差的生产区域巾使用。②核子称。采用清华大学核能研究所牛产的产品。主要由于对选矿原矿数量的统计。通过其测量的瞬时值和程序编译，在现场的触摸屏、选矿调度机上清楚的显示每班、每月的原矿产量。③防撕裂装置。因平峒系统NOI胶带全长5958多m，设备选型采用加拿大 GOOD YEAR公司生产的内部含有感应线圈和抗拉钢线的产品。在不断的生产实践中，该厂在原保护装置的基础上进行．r大量的技术改造和攻关，使得该保护装置真止实现了自动检测自动保护。其工作原理如：当胶带机运行正常时．线圈随着胶带顺序通过探头(安装在皮带易损部位头部下料处，巾GOOD YEAR G公司提供，这里成为探头A、B)主探头A(由系统提供电源)产生的电磁场垂直通过胶带，在闭合线圈内感生电动势；匀速运转的线圈对于探头 B而言是1个带电导体在磁场中的运动，因而在探头B内义产生1个反电动势，经过电路转化和处理后形成11个脉冲信号。脉冲信号经信号电缆和光电隔离电路后输人PLC单元。再经过程序编写来实现对胶带的保护。因线圈间通过探头的距离相等，且胶带近似于匀速运动，所以牛产的脉冲信号亦是1个等时的信号。这种等时性给系统判断胶带撕裂与否提供了充分的理论根据；如果某一线圈被撕裂，则当该线圈通过探头时，脉冲信号就不会产生，PLc单元在时间T(相临的两线圈依次通过探头所需的时间)内如果没发现有脉冲输人，说明线圈被撕断，胶带有撕裂发生，便发出信号给胶带机的控制网路．停止胶带机运行，(同时，发出报警信号，以警示操作人员)从而达到保护皮带的目的。反之如果脉冲信号等时且依次返回控制单元．则表明胶带止常尤故，胶带机可以继续运行。

2．2破碎系统

    破碎系统的顺序控制同平峒，笔者不再多述。小节着重对过程控制、检测部分进行阐述。

2．2．1  过程控制

    破碎系统的过程控制主要体现在两个方面，一是料仓上方漏矿车自动控制；二是破碎机排矿粒度的自动控制。

    (1)漏矿车自动控制。尖山选矿厂破碎工艺中共有5台漏矿车。原工作方式为工人手动操作跑车，目测料位。后该厂通过技术改造，实现了漏矿车布料的自动控制。控制原理见图3。

    控制原理：这里以位于干选车间C01漏矿车为例。C01漏矿车对应四个料仓。其中GKX为手／自动工作制信号，来自现场电气部分，当漏矿车在自动位置时，GKX为高电平。CWX是来自现场车位开关的车位信号。在漏矿车工作现场对应于每一个料仓都安装了一个干簧继电器式车位开关，当漏矿车移动到某一料仓上方时，对应的车位开关动作，向 PLC输入车位信号CWX。LWX是来自超声波料位计的料仓料位模拟信号。在所有料仓的正上方都分别安装有1台FMU671超声波料位探测仪。信号采集完成后，控制系统首先辨别漏矿车是否已启动，如果是，则判断4个料位的高低，通过比较，选择料位最低的料仓作为首选下矿点。通过控制电机的正反转来驱动漏矿车运行，由CWX信号来确定停止位置。待该料仓的料位达到设定上限时，PLC系统再次判断其余料位信号，从中选取料位最低的料仓做为漏矿车的下矿点。一直反复，直到四个料仓全部达到上限值时，停止生产系统的给矿机。料仓料位下降到低限时，漏矿车自动启动。

    (2)破碎机给矿自动控制。在尖山选矿共有6台破碎机。原设计中碎为2台PYB2200标准圆锥破碎机，细碎为4台PYD62200 mm标准圆锥破碎机。根据生产需要，先后在中碎更换了1台HX8800进口破碎机，细碎引进更换了2台HP500进口破碎机。目前，国产破碎机由现s7系统将采集入的信号进行处理后进行操作控制。目前实现了恒功率给矿的控制。进口破碎机的控制方式由厂商提供1套系统以实现对其运行的自动控制。其中，实现的控制功能有给矿小皮带的自动变频调速，机腔料位的自动检测，液压系统的自动检测和自动保护，排矿口的远程调节。

2．2．2检测仪表及保护

    在破碎系统中使用的检测控制仪表有E+H公司生产的料位计、日本富士、三垦变频器、电器保护装置(打滑器、跑偏开关、事故拉绳等)。

    (1)料位计。分别安装在中碎、细碎，筛分各料仓顶部，测量的信号经隔离后输入到PLC内，参与系统控制与监视。在主控、选调的人机界面系统中动态显示测量值。

    (2)变频器。主要用于破碎给料小皮带上，作为破碎机自动控制的一个执行机构，调节破碎机给矿量。

(3)电器保护装置。均属于机械式开关，作用：对运输胶带的跑偏、打滑状态进行检测并将检测结果输入计算机，参与顺序控制。事故拉绳是现场出现事故时的紧急停车开关。

2．3磨选系统

    尖山磨选球磨机控制系统在早期的研究开发中，采用了传统的数学模型控制法。在不断的实践中，发现基于数学模型的球蘑机控制系统存在这样的问题：当原矿的性质即矿石的软硬、粒度大小发生微小的变化时，已建立的数学模型所对应的参数就不能很好的适应，导致球磨机的磨矿效率变低、分级机溢流粒度难以稳定等一系列的问题。对此，该矿与外合作，进行了模糊控制理论引入一段球磨机控制的研究开发，经过长时间的实验，取得了很好的效果。下面笔者就矿磨选系统采用的模糊控制作如下概述。

2．3．1一段球磨分级过程控制

    一段磨矿控制的目标是在保证分级机溢流粒度合格的提前下实现给矿的最大化。围绕这一目标，一段球磨机控制分为几个环节：①给矿量控制；②返砂水控制；③排矿水控制；④圆盘给矿机智能控制。

    (1)给矿量控制。与模型控制不同，该控制方案中，没有固定的摸式，只确定与给矿有关联的分别为：球磨机电耳、分级机电流、球磨机功率。控制原理见图4。

    a．模糊化。这里所谓的模糊化包括电耳、分级机电流和球磨机功率的模糊化。模糊化的实质是寻找被控量在各模糊区域内的隶属度。下面以电耳模糊化为例来阐述。首先确定电耳的上限和电耳下限值，将上限与下限之差分成5等份，每一份在坐标系中，定义从左到右端点称为d、jd、zhch、Jg、g，隶属度为u。无论输入的电耳值多大，在上限与下限范围内，通过算法一定可算出两个隶属度(该值是一个无量纲的百分数)，即在d与jd、jd与zhch、zhch与 jg,Jg与g这几个区域内一定能得到两个隶属度，且两隶属度之和为1。其中有两个特例，100％隶属d(100％ud)和100％隶属于g(100％ug)。同样，分级机电流(dl)与球磨机功率(gl)的模糊化过程同电耳的一样。    ‘

    b．给矿量解模糊。这个过程的实质是首先拟订模糊规则。这需要一定的理论知识、现场经验。如上面的结论，电耳、磨机功率、分级机电流不论在哪个区域都产生两个隶属度。规则的建立是以这3个量的串联为条件，因为每一个量都有5种可能。所以，理论上可以建立125条规则。根据现场实际情况，去掉不可能和与生产不符合的规则，最后得出40条。然后，将这40条分为5个区域。其中，划分40条规则是一个关键，它是根据生产与工艺的要求来决定那些规则对应给矿量的哪个区域。在每个区域所有的条规则中，计算出隶属度最小的一个，在所有区域求出的隶属度后，隶属度x设定值，加权求平均便得到给矿量的给定值。再通过PID调节功能来控制变频器，实现给矿量智能控制的目的。

    e．胀肚处理。同模型控制一样，在发生胀肚时，要停止给矿。当电耳值恢复带某定值时，再投人给矿。

    (2)返砂水控制。设定值的计算：

kl - average/O.865 - kl - average = fss,式中，kl-average是测量回的矿量实际值；O．865是常数(最佳磨矿浓度)；fss是返砂水的设定值。调用 PID算法，通过多电动执行阀的调节来控制返砂水量。

    (3)排矿水的控制。对于该量，也采用了模糊化、解模糊等方法。其中，因数量为yn(Y由现场仪表测量输入)、fj(分级机功率，现场输入)计算办法同给矿量的一样。本文不再多述(控制原理图略)。

    (4)圆盘给矿机智能给矿。磨选采用圆盘给料机供料方式。每个系列有7个料仓，对应7个圆盘给矿机。其中，L01、L D3、L 05、L07圆盘是工频电机，L02、L04、L06号圆盘是变频电机。工艺要求为工频和变频电机只允许同时各开启1台。为保证供料的连续性，给矿采用自动控制方式。控制原理：当圆盘下方的给矿皮带(1-08)和球磨机(L15)启动后，系统控制程序开始执行。通过安装在料仓上方的料位计的检测，控制系统采集回每个料仓的料位状态。通过比较，从1、3、5、7号仓和2、4、6号仓各选出料位最高的一个并启动所对应的圆盘给矿机。当这两料仓的料位下降到下限的设定值时，停给矿机。而后再作比较，选出下一组对应料位高的给矿机并启动。反复循环以实现给矿机切换的智能化。

2．3．2精矿品位控制

    最终精矿品位的控制比较复杂，它受到诸多因数的影响，如矿石性质的变化、磨选环水水质、仪表精度影响等。笔者就这方面的部分实践作如下的分析。

    尖山磨选在精矿品位控制方面的思路：通过在线品位分析的检测，控制程序判别现场实际的产品品位，在这段时间内，如果品位波动，则通过调整高频细筛的振动幅度来调节之。品位高于要求值时，增大细筛的振动频率；反之相反。如果通过调节细筛精矿品位仍然波动时，再通过对一段磨矿给矿的调节来进行调整。控制原理见图5。

    但上述的控制目前仍然存在很多问题，特别是受品位分析仪性能的影响以及工艺等方面的制约，该系统的性能还需进一步进行改造和优化。

2．4反浮选系统

    目前，尖山铁矿选矿反浮选自动化系统中只实现了顺序控制部分，过程控制方面因反浮选工艺的复杂和不确定性等因数影响，少部分如远程控制药剂添加量等功能基本实现，大系统优化控制等环节正在进行实施中。

3发展前景

    尖山铁矿选矿自动化控制技术已经取得了积极的经济效益和良好的社会效益。但是受各种条件的影响，许多项目仍为实施。如生产现场闭路监控系统、浮选过程控制系统、采矿GPS全球定位系统、水源地供水自动化系统等。目前矿部在尖山二期工程的改扩建方面已经将上述项目作为其中的环节加以论证或实施。同时，随着太钢矿业公司ERP管理平台的搭建和战略的实施，控制信息技术在该矿的发展必将得到更大的提高。现全矿工控以太网的规划已完成，工程正在建设中。因此，控制技术在尖山矿的发展前景是非常广阔的。伴随技术的进步，其产生的经济效益、安全效益必将得到全面提升。

4制约问题

    虽然自动控制技术在尖山铁矿的应用取得了良好的经济效益，借助于先进的控制技术，生产安全、工人劳动强度等各方面都得到了积极的提高和改善。但是，我国矿山系统中自动化技术起步较晚，许多制约性的问题还存在。下面笔者就尖山在该方面存在的问题做一分析。

    (1)采矿系统手动配矿问题。受地质条件或传统采矿方式的影响，尖山铁矿在采矿配矿方式上面仍然停留在人工测绘，手动计算的较为原始的状态。先进的测量技术，矿体模拟软件、自动配矿技术等在该矿没有得到引进或应用。这种状况导致选矿自动化控制系统特别是磨选球磨机自动控制方面对矿石性质的识别没有_二个合理的矿性理论来支持，控制动平衡周期边长，波动性增大。因此，合理的引进先进的采矿配矿技术和地质模拟测绘技术对选矿自动控制的稳定大周期的运行是一个非常重要的基础。

    (2)自动系统自动检测仪表方面的问题。我国矿山自动化控制技术起步较晚，国内针对矿山系统使用的仪表设备的研制与开发也相对落后。尖山铁矿自动控制系统采用的仪表除部分数字显示表外，绝大部分是进口仪表，而进口仪表如横河、施耐得、 E+H等国际仪表产商其产品价格都偏高。因而造成国产仪表用不住、进口仪表用不起的局面。具体讲：如尖山铁矿使用的矿浆流量计、在线矿浆品位分析仪，矿石粒度检测仪、矿浆浓度计、适应矿浆环境的电动调节阀等仪表都存在缺陷或不适应性。检测仪表是控制系统的眼睛，所以仪表的问题是制约尖山自动控制技术深人发展的又一因素。在解决这类问题上，尖山铁矿应当加强与各科研机构和高等院校的技术交流与合作，针对于现场实际开发适应于其自身实际的智能仪表、数字仪表。

    (3)专业技术后备人员短缺问题。尖山铁矿地处吕梁山区，距离太原市110多km，偏远的地理位置和国有大型企业的特性决定了其人力资源方面技术人员储备或后续人员的不足。特别是与电气、工业控制、仪表等相关专业人员更是严重短缺。据统计，从1994年后到2004年之间，尖山铁矿对上述专业技术人才引进作了大量的工作和努力，可10 a间却没补充增加1人。同时现有的专业人员得到的专业技能培训，知识更新培训的条件和机会极少。这种状况无疑是尖山铁矿控制、信息等技术向前发展的最大障碍。目前，矿有关部门已经认识到这一点，正在采取积极有效措施来改变目前的局面。

5结论

    尖山铁矿选矿自动化系统作为黑色冶金矿山首家采用的控制系统，10 a的实践证明，其应用是成功的，并取得了很好的经济效益。它从安全、产量的提高、指标的稳定、生产数据的自动分析等角度为尖山的发展发挥了积极的作用。相信，该矿山的自动化控制必将为矿山美好的明天发挥更大的作用。