电气电子毕业设计393球磨机给矿控制系统设计.docx

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电气电子毕业设计393球磨机给矿控制系统设计

球磨机给矿控制系统设计

摘要

本文课题为球磨机给矿控制系统设计，球磨分级是选矿工艺流程中能耗最高的环节，实现对球磨分级关键工艺参数的自动控制，对现场实时在线监控，不仅能减轻操作工的工作强度，减少事故发生率，更重要的是能稳定和提高选别指标，产生巨大的经济效益。

整个设计采用了集散控制系统对整个系统进行控制，上位机采用组态软件组态王进行实时监控，下位机采用可编程序控制器PLC进行现场数据采集，并采用PROFIBUS现场总线实现上位机与下位机之间的数据交换。

本文主要介绍了球磨过程的工艺流程，集散控制系统配置，系统要求的监控点数及其参数范围。

详细论述了所用到的软、硬件及协议。

关键词：

球磨机，球磨分级，PROFIBUS，集散控制系统

Ballmilltotheminecontrolsystemdesign

Abstract

Thetopicfortheballmilltotheminecontrolsystemdesign.Millingclassificationisthehighestenergychain,andachievemillingclassificationkeyparametersautomateprocessesforthereal-timeonlinemonitoring,notonlycanreducetheintensityoftheworkofoperativestoreduceaccidentrates,butmoreimportantlytoenhancethestabilityandotherindicators,enormouseconomicbenefits.

Thedesignadoptsdistributioncontrolsystemtocontroltheentiresystem,ahigherplaneKingviewconfigurationsoftwareforreal-timemonitoring,theuseofspaceson-sitePlcprogrammablecontrollerdatacollectionanduseProfibus-wideachievehigherplaneofspacesanddataexchangebetweenaircraft.Thisarticleintroducestheprocessoftechnologicalmillingclassification,distributioncontrolsystemconfiguration,thesystemrequirescontrolpointsandparameters.Detailtheuseofsoftwareandhardwareandagreements.

Keywords:

Ballmill,Millingclassification,PROFIBUS,

Distributioncontrolsystem

1绪论

1.1课题的来源和背景

我国铁矿由于贫矿多（占总储量的97.5％）和伴（共）生有其他组分的综合矿多（占总储量的1／3），所以在冶炼前绝大部分需要进行选矿处理。

酒钢选矿厂现有22座100立方米竖炉、8个磨矿系列、10台Shp-3200型强磁选机、5台50m浓缩机，18台过滤机以及配套的矿石输送和动力控制系统，形成了块矿还原焙烧磁选和粉矿强磁选两大生产工艺流程，设计年处理原矿500万吨，生产精铁266万吨。

本扩能改造方案设计处理铁矿石为650万吨，年生产铁精矿为333万吨。

增加的主要设备有：

4台100立方米双层燃烧室竖炉；4台Φ3235球磨机；9台Slon2000型高梯度强磁选机；6台旋流器组；2座25米高效浓缩大井等。

图1.1为酒钢选矿厂的工艺流程图：

图1.1酒钢选矿厂的工艺流程图

球磨分级是选矿工艺流程中能耗最高的环节，仅球磨机的能耗几乎占选矿厂能耗的三分之一，而整个球磨分级要占全部能耗的一半，并且其随即干扰因素众多，各工艺参数之间的相关性很强，一个参数的变化会引起多个参数乃至整个过程发生变化。

人工操作不易及时和准确地判断与调整各操作参数，加之工人经验和责任心不同，就更难保障各工艺参数稳定处于最佳值。

实现对球磨分级关键工艺参数的自动控制，对现场实时在线监控，不仅能减轻操作工的工作强度，减少事故发生率，更重要的是能稳定和提高选别指标，产生巨大的经济效益。

1.2作者的主要工作

本次设计分为四大部分：

竖炉焙烧，球磨机给矿，溢流浓度，现场总线。

我和王静负责球磨机给矿部分，李永涛负责竖炉焙烧部分，王佳和孟天铸负责溢流浓度部分，刘鑫负责现场总线部分。

2球磨机给矿控制系统的设计方案

2.1本课题的意义及主要内容

在本课题选择集散控制系统控制球磨机磨矿的生产过程。

首先，因为实际生产工艺的需要，集散式（DCS）控制方案效果相对较好的一种，现代化工业生产中的自动化控制方案。

它具有良好的可操作性，可实现性和兼容性，对老设备的改造也简便易行，是一种容易实现设计方案。

其次，采用集散式（DCS）控制方案可以分散由于工业生产系统局部某处的不可靠而造成的风险，从而使对整个系统构成危害的概率大大的降低，加之近年来各种有关于集散控制（DCS）系统所需的工控软硬件技术业已不断走向成熟，这也极大地提高了整个系统的可靠性。

通过本次设计，了解和掌握集散控制系统的设计方法。

集散控制系统,又名分布式计算机控制系统。

它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术发展渗透产生。

实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视,操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。

管理的集中性和控制的分散性构成了集散系统的主体。

它的结构是一个分布式系统,从逻辑结构上讲,是一个分支树结构,与工业生产过程的行政管理结构相一致。

按系统结构上分:

分为控制级,控制管理级和生产管理级,各级既相互独立又相互联系。

从功能上看,纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能;如实时控制,实时监视和生产过程管理;横向分散则意味着同级上的设备有类似的功能。

集散型控制系统由集中管理部分,分散控制监测部分和通信部分组成。

集中管理部分分为工程师站,操作站和管理计算机。

工程师站主要用于组态和维护,操作站则用于监视和操作,管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。

分散控制监测部分按功分为操作站,监测站或现场控制站,用于控制和监测。

通信部分连接集散型控制系统的各个分布系统,完成数据指令及其它信息的传递。

集散型控制系统采用模块化,标准化和系统化设计由过程控制级,控制管理级和生产管理级组成的一个以通信网络为纽带的集中显示。

操作管理系统,控制相对分散,具有灵活配置,组态方便的多级计算机网络系统结构。

2.2.1集散控制系统的发展现状

集散控制统（又称分布式计算机控制统）（DistributedControlSystem-DCS）最初产生子70年代中期，它是4C技术（即计算机·Computer、控制技术·Control、通信术·Communication和CRT·显示技术）综合的产物。

它以微处理器为核心，把微机、数据通信系统、显示操作部分、过程通道等按“分解”与“协调”的设计原则，合理地加以利用，使其在与其他控制系统设计比较中显示出很大优点。

集散型控制系统是二十世纪七十年代末八十年代初发展较快的一种计算机仪表技术相结合的，以直接数字控制为基本功能的新型控制装置。

如在1975年，美国最大的仪表公司霍尼维尔（HONEYWELL）首先研制出集中分散控制系统，C-2000（TotalDisrribvtedContol-2000），同一年日本的东芝公司、日立公司和横河公司都相继推出它们的第一代集散系统，我国最先引进的除TDC-2000之外，在石油化工系统引进较多的就是日本横河的CENTUM系统。

二十世纪七十年代末八十年代初计算机网络技术的进步促使集散系统发展为第二代产品。

它应用了局部网络LAN:

（LocalAreaNetwork），这便于多个计算机互连，便于资源共享、分布控制、信道复用。

第二代产品的代表有霍尼维尔的TDC-3000和横河的新型CENTUM系统.但这为大型工厂的管理与控制一体化需要标准化通讯系统发生了矛盾。

为此产生了第三代产品。

八十年末，第三代集散系统的局部网络采用MAP协议或与MAP兼容的协议.近来，由于4C技术呈现加速度发展之势，新技术出现至投入实际应用周期缩短，使以4C技术为依托的DCS系统发展更为迅猛，新产品层出不穷。

2.2.2集散控制系统的体系结构

集散控制系统的“集”是对信息管理而言，“散”是对控制功能而言，DCS系统既可实现分散控制，又可实现集中管理，目前层次化己成为DCS系统的特点，使之体现集中操作管理、分散控制的思想.DCS系统的层次可分成四级。

（1）直接控制级（过程控制级）。

在这一级上，过程控制级计算机直接与现场各类装置相连（如检测仪表、执行机构等），对控制对象实施监测、连续控制和批量控制。

同时它向上与第二层的计算机相连、接收上层的控制和管理信息，并向上传递控制装置的特性信息和采集到的实时数据。

过程控制级是DCS系统的基础，其主要功能包括:

过程数据采集、直接数字的过程控制、设备监测与系统的测试诊断和实施安全性的措施。

（2）过程管理级。

在这一级上的过程管理计算机能实现综合监视生产过程主要信息、模拟化集中显示、控制回路组态和参数修改、生产过程优化处理、运行报告、趋势图显示等。

还能实现单元内的整体优化，并对下层产生命令，在这一层主要的功能有优化过程控制、自适应回路控制、实时数据进行模拟画面集中监视。

（3）生产管理级。

在这一级上管理计算机根据产品各部件的特点、协调各单元级的参数设定，是产品的总体的协调员。

它能根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模。

并且可使产品重新计划，随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需求的。

有了产品重新组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造成不可预测的事件.由此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。

此外，对于全厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。

在中小企业的自动化系统，这一层就可能充当高一级管理层。

（4）经营管理级。

经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广。

把这些功能集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，综合多种多样的材料和能量调配，以达到最优解决这些问题.在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化·应该指出，由于近年来，网络技术的发展，使得满足工厂控制和管理功能的计算机系统结构有了很大的发展和变化，这种发展使计算机系统的硬件结构不再和工厂控制与管理的各层功能结构相对应.也就是说，控制和管理的多层功能结构是反映在计算机软件上，而不是反应在计算机系统的硬件级别上，在同一级系统上可实现多层的控制和管理功能。

（1）自主性系统上各工作站是通过网络接口链接起来,各工作站独立自主地完成合理分配给自己的规定任务,如数据采集、处理、计算、监视操作和控制等。

系统各工作站都采用最新技术的微计算机,存储容量容易扩充,配套软件功能齐全,是一个能够独立运行的高可靠性子系统,而且可以随着微处理器的发展而更新换代。

它的控制功能齐全,控制算法丰富,连续控制,顺序控制和批量控制集于一体,还可实现串线,前馈、自适应控制,提高系统的可控性。

（2）协调性各工作站间通过通信网络传送各种信息协调工作,以完成控制系统的总体功能和优化处理,采用实时性的,安全可靠的工业控制局部网络,使整个系统信息共享,提高了畅通性。

（3）可靠性高可靠性,高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在。

它的可靠性同时也决定了它应用的广泛性、制造厂商在确定系统结构的同时,进行高可靠设计,采用可靠性保证技术,来提高系统的可靠性。

系统结构具有了容错设计,使得在任一单元失效的情况下,仍然保持系统的完整性,即使全局性通信或管理站失效,局部站仍能维持工作。

系统的所有硬件包括操作站,控制站,通信链路都可采用双重化和冗余技术,为提高软件的可靠性,采用程序分段和模块化设计,积木式的结构。

“电磁兼容性”设计:

所谓“电磁兼容性”是指系统的抗干扰能力与系统内外的干扰相适应,并留有充分的余地,来保证系统的可靠性,所以,系统内外要采取各种抗干扰措施,系统放置环境应远离磁场,超声波等辐射源的地方,做好接地系统。

过程控制信号、测量和信号电缆一定要做好接地和屏蔽,采用不间断供电设备,带屏蔽的专用电缆供电;控制站、监测站的输入输出信号都要经过隔离,接到安全栅再与装置的现场对象连接起来,来保证系统的安全运行。

在线快速排除故障的设计,采用硬件自诊断和故障部件的自动隔离,自动恢复与热机插拨技术:

系统内发生异常,通过自诊断功能和测试功能检出后,汇总到操作站,然后通过CRT显示,或者声响报警或打印机打出,将故障信息通知操作员。

监测站,控制站各插件上都有状态信号灯指示故障插件。

因为具有事故报警双重化措施,在线故障处理等手段,提高了系统的可靠性和安全性。

（4）友好性集散型控制系统软件是面向工业控制技术人员,工艺技术人员和生产操作人员设计的,所以采用实用简捷的人机会话系统,CRT高分分辨率交互图形显示,复合窗口技术、画面丰富,控制、调整、趋势、流程图、回路一览,报警一览,报表操作指导等画面,菜单功能更具实时性。

（5）灵活性和可扩充性。

硬件和软件采用开放式,标准化和模块化设计,系统所具有的积木式结构,具有灵活的配置,可适应不同的用户需要,根据生产要求改变系统的大小配置,在工厂改变生产工艺、生产流程时,只需要改变某些配置和控制方案即可。

（6）在线性。

通过人机接口和I/O接口,对过程对象数据进行实时采集,分析,记录监视,操作控制,并包括对系统结构和组态回路的在线修改,局部故障的在线维护,提高了系统的可用性。

综上所述,集散控制系统的特点,决定了集散控制系统的发展速度,作为现今最先进的控制系统,它的应用很广泛,在工业的各领域,如冶金、矿山、机械、制造控制水平的提高,对于提高工厂的技术水平,节约能源,降低消耗,提高劳动生产率起了很大的作用,发展了社会生产力。

2.2.4国内外的发展状况

我国的DCS研制生产主要有两种模式，一种是中外合作方式，主要是作为外商的代理或进行产品的售后服务，另外一种是依靠自己的力量，吸收外国的先进技术独立自主的研制开发集散控制系统。

经过多年的发展，先后形成了四大。

CS厂家:

北京和利时，浙大中自，浙大中控，上海新华。

国产化DCS今后的发展目标是在计算机技术、通讯网络技术、信号处理技术、过程控制技术以及人机界面技术等方面达到国外先进水平，进一步推动DCS的国产化进程，在工业控制领域广泛适用，形成产业规模。

进一步完成的

主要内容包括:

通讯网络技术:

新的通讯技术（FDDI、快速以太网）、无线通信技术;人机工程技术:

引入多媒体技术，包括大屏幕、语音处理、摄录像。

使用先进的软件平台设计操作站、工程师站等人机界面;

控制技术:

引入或设计自适应、预估、最优、模糊控制等技术;

系统软件:

发展或选用更新型有效的实时多任务操作系统、网络操作系统和网络数据库;

可靠性:

提高电子元器件的集成度、发展现有的容错技术;

产品系列化:

形成小、中、大型集散控制系统以及管理控制一体化系统的系列化，开发现场安装的智能化仪表以及现场总线通讯技术。

DCS在我国的应用情况基本上是好的，能保证过程工业的稳定生产。

但应用水平不高，大多数用户对DCS的应用，停留在取代常规控制的水平上，统计表明，实际应用中DCS的功能仅发挥30%以下。

要做到DCS“物有所值”，应在如下几方面努力，即在开车后日常使用中逐步改进控制方案、完善人机界面、为工艺人员提供分析用的历史数据、加强DCS机器的日常维护和大修点检、清扫等，切实做到减员增效;在DCS系统己完成的自动化基础之上，进一步开发先进控制和优化技术，以发本，就可得化，成本只到40%的效益;在先进控制的基础上，增加和发挥更大效益（注:

在DCS基础上实现先进控制，只需增加10%的成实时优需增加10%，就可进一步获得40%的效益）。

2.3球磨给矿系统整体设计

2.3.1用PC和PLC实现集散控制（DCS）的基本原理

集散控制的基本思想是集中管理,分散控制。

即:

将磨矿作业的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离;磨矿作业的自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成,而操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成。

中央操作站与各现场控制站一方面各自相对独立地运行,从而将各种故障限制在局部范围内,极大地提高了自动控制系统总体的安全性和可靠性;另一方面又相互进行实时数据通信和信息交换,实现了操作人员在中央控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。

现场控制站的主要任务是实现对生产过程的自动控制,因此它必须要能够自动采集全厂的各种工艺参数，以及设备的运行状态（如阀门的开关、机泵的开停、设备振动、机械位移）等生产信息,然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算,最后输出4～20mA标准模拟信号（或ON/OFF数字信号）去驱动各种阀门、电机等执行机构,调节各种工艺参数,实现生产过程的自动控制;另外还要与操作站进行实时通信,将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用,同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程。

因此它还需要具有标准化的通信接口。

目前的各种PLC均具有这样的功能,而且其容量弹性大,扩充方便,控制方案的组态简单易学,性能价格比优越,因此是中型DCS的操作站的理想选择。

中央控制室的操作站实际上是一个人机界面,一方面把控制站采集的各种生产信息进行加工处理,然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式提供给操作人员。

另一方面把操作人员的各种指令进行编码后传送给操作站对控制方案进行调整,以优化生产过程或对特殊情况的紧急处理。

对中型DCS来讲,目前比较流行的各种监控软件均能实现这样的功能,且对计算机的硬件和操作系统无特别要求,用普通的PC机加一套监控软件就可实现。

用PC机+PLC组成集散控制系统时,PLC承担了现场控制站的工作,PC机承担了操作站和工程师站的工作。

在安装有PLC系统软件的PC机上可以离线（或在线）编辑PLC的控制应用软件（一般称为梯形图）,控制应用软件下载到PLC后,PLC独立完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等，而操作站的各种功能都可以通过“实时监控软件”+“PC机”来实现,在安装有实时监控软件的PC机上可以方便地对生产过程进行监控。

2.3.2磨矿车间工艺流程简述

磨矿工艺中，矿石经破碎（一般在十几毫米以下）形成入磨矿，送入球磨机进行研磨。

研磨过程中需要补加水和钢球，研磨后的矿浆给入分级机进行分级。

分级返矿（粗矿）返回球磨机进行再磨，合格矿浆（细矿）溢流送入下道作业工序。

其工艺流程见图2.1

图2.1磨矿工艺流程图

经过焙烧的矿石从圆筒料仓中通过电振给矿机到达传诵带上，在经过传诵带到达球磨机内。

其间通过核子秤来检测给矿量。

给球磨机加矿的同时加入一定比例的水，用电磁流量计来检测水流量。

自动加球机按设定好的速度往球磨机内加入钢球。

磨好的矿浆由出料口进入下一环节。

2.3.3系统对控制的要求

经现场调查了解。

选矿厂的改造工程首先要建立自动监控系统，实现各工艺参数的集中显示，以便对生产过程及时进行调控，从而改变目前人工到现场读取和记录数据再层层传送，指标优化困难大的现状。

另外，由于磨矿作业存在着很大的检测滞后性，再加现场上环境的干扰，给球磨分级作业的自动控制带来困难。

同时，在现场生产中，系统往往连续长期运行，控制系统是否可靠，直接关系到财产安全及经济效益，因此，对磨矿的自动控制设备和系统提出以下要求:

（1）可靠性:

可靠性是控制系统设计的最基本原则，要求控制系统在长时间连续工作情况下不出现故障。

可靠性主要涉及了环境适应性设计、控制系统的冗余性设计、控制系统的抗干扰性设计、控制系统的故障诊断等方面。

（2）安全性:

要求系统中有专用的监控装置，用于监视系统的工艺设备、电源等工作情况，故障时将系统自动切换到安全装置并发出声光报警。

系统中还要有安全联锁以防误操作，控制系统能进行软手操和紧急手操，能实现双向无扰动切换，在任何情况下，都有操作手段，防止操作失灵。

（3）实时性高:

即能够在对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理，一般控制系统采集和控制的参数是比较关键的，这些参数的变化可能会影响到正生产或经济运行，因此这就要求控制系统能够及时地反映出这些参数的变化，并加以处理控制，保证生产正常高效运行。

（4）抗干扰能力:

磨矿过程中现场条件差，因此要求控制设备必须要采用光电隔离、防爆防尘等技术措施。

（5）使用维护方便:

要求控制系统原理易于掌握，具有模块化的组件和功能，易于检验维修。

（6）人机界面友好:

要求界面系统简单明了，实用方便，易于操作。

2.3.4监控方案简介

在现代工业控制中工业生产过程自动控制也越来越重要。

工业生产过程自动控制是指在冶金、机械、石油、化工、电力、轻工、建材、原子能与环保等部门的生产中，对于温度、压力、液位、流量、浓度、成分等变量实现的自动控制。

根据总体设计方案和铝厂蒸发车间的实际工艺对过程控制的要求，并考虑当前自动控制技术的新发展及企业发展的需要，选用运行可靠、功能强大的DCS控制系统.

从所要监控的磨矿车间来考虑，球磨分级在选矿工艺流程中是一十分重要的环节，在此环节中要监控的参数主要有给矿量、水流量、出料量，我们要控制的参数是电振给矿机的给矿量，和水流量把它们控制在我们设计的范围内，以提高产品的质量。

分析系统中得出电振给矿机的给矿量的控制是通过控制电振来实现的，为了达到这一控制目的我们需要一个控制方案来实现。

图2.2为控制系统方框图：

图2.2球磨给矿系统框图

监控系统采用DCS控制系统，上位机使用组态王，实现实时监控。

下位机采用智能模块PLC，采集现场数据。

利用MPI多点接口实现上位机与下位机的通信，实现上位机与下位机之间的数据交换。

从而实现了上位机对现场的实时监控。

其硬件连接图如图2.3：

图2.3DCS系统的硬件连接图

3球磨机给矿控制系统硬件设计

3.1西门子S7-200系列可编程序控制器

SIMATICS7-200系列PLC是西门子家族中最小型的PLC,共有5种基本型号（共18种）的CPU,其基本型号分别为CPU210、CPU212、CPU214、CPU215、CPU216,控制点数可以从10点到128点,除PLC所具有的一般功能外,其强大的通讯能力使其区别于一般的小型PLC,可通过网络、分布系统轻易完成复杂的控制要求,在基本不增加成本的情况下大大提高控制系统的综合控制能力与自动化程度。

这一点在大量的实际应用中已得到充分的证实,为很经济地进行技术改造,将控制与管理结合,提高工厂的综合自动化程度提供了一种可能。

S7-200PLC的软件特点主要体现在以下几个方面:

3.1.1数据存放的方式

PLC指令大多是对数据进行操作,为了增强处理能力,数据是以多种方式存放的,所以对于数据存储的方式必须预先