北京宏途创联科技有限公司

1前言1.1公司简介 随着经济的高速发展，各企业为了提高自身的市场竞争能力，使得企业可持续发展，特别是在资源性产业中，可持续发展已经成为战略目标，如何节能降耗已经成为企业发展的头等大事；选矿行业作为资源性产业的重要组成部分，如何挖掘设备潜能，降低能耗，已经成为企业可持续发展的首要问题；任何资源型产业都面临着一个问题，那就是能源枯竭的问题，如何合理的使用这些有限的资源呢？毫无疑问，通过自动化、信息化、智能化等手段提高设备生产效率、提高产品质量、降低生产成本已是一种必然趋势！选矿厂从原矿破碎、球磨、选别、浓缩过滤到尾矿处理，生产工艺较为复杂，传统控制以手动操作为主，靠工人的实际经验调节，产品质量的一致性较差，磨矿效率较低，金属回收率也得不到保障，精矿品位难以保证，自动化程度较低，工人劳动强度较大。 创联科技针对选矿全流程工艺中工况复杂、非线性、变时滞性、多变量耦合的特点，通过先进的检测手段，判断影响现场生产过程的关键因素，采用公司自主研发的神经元网络、支持向量机等算法，对关键数据进行预估，建立破碎、磨矿分级、浮选过程等软测量模型，同时通过现场数据的相关性分析，结合生产工艺情况，运用专家规则、模糊控制、规则自学习、人工智能等技术，形成专家系统，实现选矿全流程的优化控制。 该控制系统的实施能及时掌握和了解工艺流程中各设备的运行工况、工艺参数的变化，有效优化工艺流程，保证工艺流程稳定、安全的运行，并降低运行成本，提高管理水平，使选矿过程长期稳定地运行。 创联科技以强大的互联网基因，结合丰富的工业自动化应用技术和人才，在工业4.0的大背景下，致力于从自动化、信息化到智能化的全方位数字矿山服务。开发工业大数据采集及应用的关键产品和技术，建立大数据采集及应用管理平台，实时、高效的实现PC及移动端的数据采集、录入、查询、挖掘、统计等功能，同时解决了设备远程监控、调试运维。通过对历史数据分析，对设备进行预测性维护，提高产品竞争力和客户满意度，使企业更好的“把握现在，预知未来”。1.2控制系统简介 本系统主要包括：破碎筛分控制系统。 在破碎筛分控制中，我们建立了“破碎专家智能控制系统”，该系统是我公司自主研发的智能控制系统。破碎筛分控制系统已在天宝集团多个现场投入生产应用，取得了满意的控制效果。2.1设计背景 《宝财矿业破碎自动化DCS控制系统》设计方案是应宝财矿业的委托，经过我公司专家及技术人员反复论证，并结合我公司多个现场的实际经验基础上设计完成的。在原有单机设备就地控制的基础之上，进行破碎自动化控制和优化过程控制设计，并最终实现全厂无人值守自动化控制。2.2工艺背景本次方案设计中涉及到宝财矿业选厂破碎的整个工艺流程。破碎筛分工艺过程：包括粗碎、中碎、细碎和筛分生产过程。工艺流程图如下：图1工艺流程图 该厂工艺流程实现500万吨/年的处理量，年作业制度330天，每天3班，每班6.67小时。 矿车将矿石倒入原矿仓，通过振动给料机向鄂式破碎机给料进行粗碎，鄂破机小时处理量为760t/h，粗碎料通过粗碎皮带转运到中碎料仓，中碎采用一台圆锥破碎机，碎后矿石通过出料皮带传输到筛分，经由筛分分料皮带向4个筛分料仓补料。筛上产品+20mm经返料皮带输送到细碎料仓，再次细碎后输向筛分料仓；筛下+20mm~-10mm产品直接输送到球磨料仓；筛下-10mm产品输向磁选料仓。 整套工艺设备采用变频控制给料，具备完整的拉绳、跑偏、打滑保护设备。在设备上：要求实现给料的自动变频控制，故障自动停车。在系统上：实现一键启停，启停过程报警指示，工艺联锁保护，停车记录等功能。在生产上：原矿量，破碎小时产量，设备运行时间等报表数据记录。2.3设计目的 本次总体方案设计根据宝财矿业公司要求，利用先进的检测与控制技术，对整个生产工艺实现优化控制，结合先进的视觉监控技术，实现全厂无人值守全自动控制。本设计方案具备当今世界先进水平，在实现全厂数字化管理、提高破碎生产过程的自动化水平、提高产品质量、提高资源的综合利用、提高生产能力，实现增效节能等方面做了精心细致的设计。 自控系统的实施后，将会对全厂生产过程进行优化控制、优化运行、优化管理，保证生产系统的连续、稳定和高效运行。 正常情况下，该工艺流程需要每班10人开展工作，日常工作内容有：1）每个设备的启停控制；2）倒料现场指挥；3）鄂破机设备监控，防止长时间异常工作造成设备损坏；4）中细碎圆锥的控制，给料速度的调节；5）筛分设备的运转及启停监控；6）中碎料仓、细碎料仓、筛分料仓、球磨料仓、磁选料仓的监控，防止溢料；7）全工艺连锁停车，防止皮带堵料；8）岗位卫生清扫；岗位设置如下图；图2岗位设置图 通过运用综合自动化系统，最终达到全厂无人值守自动控制，同时劳动生产率位于国内领先水平。通过设备监控与设备安全管理，达到保障设备安全运行、减少设备故障停机时间，提高设备作业率。通过对能耗、物耗的管理及生产成本的监控，达到强化管理、节省能耗、降低成本的目的。通过实施综合自动化控制系统，减少污染、改善作业环境与劳动强度，实现文明生产。 优化后，现场需要3人对设备进行维护，岗位的主要工作：1）现场巡检设备；2）设备维护保养；3）卫生打扫；图3优化控制后的现场岗位图2.4设计功能 全流程自动控制系统的控制范围包括：破碎筛分控制系统。设计中涵盖了主工艺流程各工序的自动化控制，其中包括软件系统设计、网络系统设计、主控单元设计、各种现场仪表设计及相关控制设备的电气接口设计等。控制系统具有两个相对独立的功能：工艺流程顺序控制和工艺流程过程控制。2.4.1手动操作功能 该功能独立于控制系统之外，手动操作部分满足了各工艺设备的基本运行需要。在电气部分的操作台（箱）上，操作人员可根据需要选择本地或远程两种方式启停相应的工艺设备，当选择“本地”方式时，即实现手动操作功能。2.4.2计算机操作功能 计算机手动操作功能：设备控制级把逻辑控制如相关设备启停、联锁、设备状态报警等功能集中在计算机上实现，操作人员（有操作权限）只需在计算机上用鼠标点击相应操作按钮，选择相应的设备，就可以完成设备启停。 计算机自动操作功能：开车时，操作人员（有操作权限）只需在计算机上用鼠标点击开车按钮，自控系统将会按照工艺流程的要求，逆工艺流程方向顺序自动启动设备。停车时，操作人员（有操作权限）只需在计算机上用鼠标点击停车按钮，自控系统将会顺着工艺流程自动停车。2.4.3计算机监控 整个控制系统通过Profibus总线和工业以太网把远程I/O站与工艺过程监控系统联系起来，自动化系统接受主控单元及控制台（主控室）的各种指令，并把过程参数、设备状态传送给控制台。监控系统（工艺过程监控级）实现了如下功能：Ø现场设备工作状态显示Ø远程启停设备Ø工艺参数趋势曲线、历史数据归档Ø事故记录、报警、数据报表Ø现场设备、仪表远程组态Ø现场设备远程诊断、远程维护Ø产量显示、历史记录Ø工艺流程运行状态分析2.4.4过程控制 破碎筛分控制系统Ø实现矿仓料位检测与矿仓布料自动控制，破碎机负荷检测与给料自动控制，破碎润滑油路检测与保护自动控制。Ø破碎工艺过程中各主要输送皮带的跑偏、打滑检测及其相关设备的逻辑控制与逻辑连锁。Ø中、细破碎作业的优化平衡控制及相关工艺过程的自动分析、故障判断、历史资料归档、事故报警、故障保护等功能。注：部分功能需要设备厂家提供通讯接口数据。2.4.5多媒体监控系统 多媒体监控系统，重在对选矿工艺生产流程中的关键设备、大型设备进行监控，通过视频采集卡，将所有视频信号接入硬盘录像机中，由硬盘录像机完成对图像及云台镜头的控制，以便于生产管理和操作管理。硬盘录像机具有强大的网络功能，支持PSTN/DDN /LAN/WAN等网络传输，通过网络调度室可以对破碎系统的现场图像进行抓拍、存储及控制。3设计说明3.1网络及系统配置3.1.1网络选择 根据选矿厂控制要求，本方案最终采用了西门子的S7-1500系统，与现场I/O站之间使用基于ProfiNET协议接口的独立控制网络进行通讯，CPU与上位机采用传输速率更快更可靠的工业以太网。3.1.2系统网络结构描述 选厂全流程控制系统为DCS控制系统，网络采用三层网络结构：即信息层、控制层和现场设备控制层。Ø信息层信息层由数据服务器、中央交换机和通讯介质组成，上端连接信息监控机和一台综合数据服务器构成信息控制单元，它们采用五类双绞线接入中央交换机，中央交换机与分站交换机之间采用光纤连接，它们组成了信息层的骨干网；Ø控制层控制层是整个控制系统的核心部分，整个控制层分为两个独立的系统：即破碎筛分系统和磨选系统，两系统之间独立工作，可互换信息。Ø设备层设备层选用抗干扰能力强的新一代ProfiNet控制系统，主干网采用高速确定性的ProfiNet工业以太网，通讯介质采用6类网线。该系统现场设备控制层由主控自动化系统（PLC）、PLC I/O分站、变频器及细碎相关的检测控制设备单元组成。现场设备层采用ProfiNET工业以太网络，完成主控PLC（CPU）与各分站的通讯、数据交换。3.1.3组态软件 采用西门子Wincc组态软件，实现可视化全流程监控。组态监控画面是在上位计算机显示设备上显示现场设备运行状况以及部分实时检测数据的。设备的运行状态多以动态方式直观的显示出来，数据检测则以相对应的数字或者棒图直观的显示出来。 在组态控制画面中，不仅可以实现设备运行状态的现实，而且可以进行参数的修改。因此，组态监控画面可分为两个部分，现场设备控制部分和远程显示部分，控制部分包括设备连锁启停，工艺参数调整，显示部分为现场设备运行实时检测。具有操作权限的操作员可对其进行操作，以此指导生产。3.1.4数据库设计 为了方便数据库管理和指导生产，系统对数据进行了存储，为系统查询和统计提供历史数据，为故障判断提供相应的依据，同时亦可作为控制经验总结所用，以此来优化控制参数，达到更好的控制效果。 采用双数据库的设计，Wincc历史数据由期自带的SQL数据库存储；另外采用MySQL存储关键数据，如设备运行状态、产量数据等，并通过互联网技术同步到远程云端，授权后可以利用手机等移动终端查看。3.2控制原理 按照结构简单，运行可靠，操作方便的原则，我们将对整个破碎生产工艺分别实施控制，并引入滞后函数调节整个过程，协调系统稳定地运行。3.2.1破碎部分3.2.1.1破碎生产过程顺序控制 在破碎生产流程中，物料的传送基本都靠皮带传送，所以对运输皮带的控制也非常重要。控制系统对破碎工艺主要皮带都安装打滑、跑偏、撕裂测控装置，对所有的皮带都按照工艺要求进行连锁控制，防止物料在传送过程中由于设备故障而造成物料堆积。根据工艺要求对物料输送机和破碎、筛分等设备实施设备运行检测、启停控制、开车鸣铃和连锁保护，实现生产过程的集中监视和集中管理。在皮带集中控制中，也可以根据现场的要求采用自动、手动和软手动三种控制方式。这样不但便于生产，还能大大降低劳动强度，提高安全系数。3.2.1.2破碎筛分控制系统检测与控制功能 破碎筛分控制系统检测内容：Ø粗碎矿仓、细碎矿仓、细碎机破碎腔、筛分矿仓、球磨粉矿仓雷达波料位检测Ø中碎、细碎功率检测Ø中碎机、细碎机油温、油压、液压信号检测Ø主要设备电流检测Ø主要皮带的跑偏、打滑、故障检测报警破碎筛分控制系统控制内容：Ø中碎机、细碎机给料自动控制Ø破碎工艺各设备逻辑连锁与逻辑控制Ø破碎工艺主要设备保护与报警控制4控制特点 整个控制系统在设计思想上融入了模糊控制理论。系统检测工序中各工艺参数，结合生产实践，建立模糊控制规则，通过模糊推理，得出模糊控制输出，反模糊化，实现最优化控制，结合视频监控系统，实现全厂无人值守自动优化控制，设备启停，参数调整均在中控室操作，而无需现场操作，设备故障跳停及连锁控制均由自控系统自动完成，无需人为干预。 破碎专家智能控制系统由我公司自主研发，目前，这套系统已研制开发完成并在多个现场投入使用，本系统在投入使用时只需作少量的参数调整，即可实现破碎机自动控制，并可根据现场实际情况选择自动控制方式。 破碎智能专家控制系统能根据选择的控制方式自动识别，并根据当前控制方式下的检测参数自动调整破碎机给矿量，达到优化控制破碎机的目的，并在此基础上为控制系统提供可能出现的变化趋势，同时把这些变化趋势记录在专家库中，形成了集控制、识别、学习于一体的智能专家系统。 智能专家系统运用了世界上目前最先进的模糊控制理论，它包括模糊控制系统、学习系统和专家知识库三部分。实际运行时，模糊控制系统通过其选择的控制方式从专家知识库中提取各种与输入值相关的知识进行模糊推理，得到的推理结果被通知给变频器，通过变频器控制破碎机给料机调节给料情况。如果此时的输入值没出现在知识库中，系统会通过其学习系统将此情况记录下来并得出相应的推理值。 此控制系统的连续运行能判断出破碎机“过铁”、走“大块”及排料口增大导致破碎粒度增大等异常情况的出现，并及时通过变频器或及时通知操作人员，达到稳定破碎机状态、充分发挥破碎机效率的目的。5系统保护 为了适应冶金行业工业现场环境的复杂性、恶劣性，系统基于可靠性方面做了大量的设计工作，可以适应湿度、温度、电网、噪声、震动、粉尘等因素变化较大的工业场合。为了确保设备的起停顺序以及保证系统设备的连锁运行，自动化系统中所有设备均设计为二级连锁保护，即继电器、PLC的两级保护。整个系统显示直观，操作方便，运行可靠。 系统对主要设备进行运行检测与电流检测，以防止普通干接点信号由于信号干扰而造成的异常动作，同时在其中某检测回路发生故障的情况下，系统仍然可以继续工作，就是说破碎机功率、皮带电流检测与其运行信号具有相互保护、相互监测的功能。 控制系统与现场设备的模拟量输入、开关量输出均实现隔离，模拟量输入采用信号隔离器隔离信号干扰，开关量输出加入中间继电器，防止信号干扰对PLC的冲击，提高了系统的可靠性。6仪器仪表 为了确保系统运行可靠，故障少，操作维护方便，在系统设计时，选择经过长期检验证明性能稳定可靠的设备来适应工业现场恶劣环境，保证系统的可靠运行。本方案中的主要仪表包括雷达料位计、压力传感器、温度传感器、接近开关、皮带跑偏开关、皮带撕裂开关、皮带打滑开关、视频监控等。仪表的选型也决定与投资的规模，应在满足工艺和自控的要求前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比，同时便于仪表的维修和管理，在选型时也考虑到了品牌的统一性。7工业云平台数据监控系统简介7.1云平台结构 云计算可以分成3层，分别是Infrastructure（基础设施）-as-a-Service，Platform（平台）-as-a-Service，Software（软件）-as-a-Service。本地部署硬件投入高、算力费用高、开发费用高、软件费用高……IaaS节约算力硬件部署维护费用PaaS降低企业自主搭建开发环境成本SaaS提升业务效率、解决生产问题创联SaaS + PaaS + IaaS整体解决方案 当多数所谓的“工业云”还停留在基础设施构建层面时，宏途创联工业云平台已进入SaaS领域，服务于众多工业企业的生产实践。7.2SaaS平台介绍7.2.1OPS端（1）用户管理：添加、配置工厂端管理员。（2）平台角色管理：创建角色并配置相应权限，如果用户管理页面用户选择该角色，则该用户只显示对应权限。（3）企业管理：添加可以登录与添加时域名一致的企业用户。（4）企业权限管理：为企业配置相应权限。（5）商机管理：展示在工厂端提交的商务合作信息。7.2.2工厂端（1）设备管理：根据企业实际情况，添加设备，查看设备信息、状态。（2）参数管理：配置设备具有的参数，如温度、电流、振动等。（3）触发器管理：配置设备参数的报警值。（4）巡检记录：查看设备巡检记录。（5）更换记录：查看设备巡检记录，配置设备更换提醒。（6）产量管理：配置产量数据。（7）员工管理：添加、管理员工。（8）角色管理：配置角色及权限管理。（9）分配权限：配置权限。7.3微信公众号介绍7.3.1生产数量 实时曲线展示当前生产数据，默认页面是最近10分钟的实时生产数据，调整曲线图下方的滑块可以改变时间轴，最长可以查看最近1个小时的实时生产数据。 一天曲线反映企业当天每个小时的生产情况，即当天每小时的生产汇总，方便领导可以一目了然了解当天各个时刻的生产波动情况。 一个月画面反映企业当月每天的生产情况，图中每个点反应当月某一天产量。 一年画面反映企业当年每月的生产情况，图中每个点反应当年内某一月产量。 文字部分展示当年的生产总量，饼图分析当年生产总量各种矿的占比。 全部产量数据以列表的方式按班或按每天总产量来查询之前的历史生产数据。7.3.2设备运行 可以查看设备实时运行状态，并且可以进入巡检历史，查看所有巡检详情。点击某个设备可以进入设备详情，可以进入巡检记录添加。7.3.3设备管理 可以查看设备更换维保周期是否快到，进入某个设备，可以进行更换管理，更新维保时间。设定到设备的更换周期后，系统会提前报警，提示更换。8其他设计8.1可靠性设计 系统在电气方面主要通过设备接地信号处理、传输信号屏蔽、选择合适的抗干扰措施来实现。 系统核心设备采用平均无故障时间较长、易于维护的设备，并参照当前国有大中型企业长期使用的设备品牌。辅助设备采用先进的通用设备，便于现场人员的使用与维护。8.2机电设备连锁保护系统 为了确保设备的起停顺序以及保证系统设备的连锁运行，自动化系统中所有设备均设计为二级连锁保护，即继电器、PLC的两级保护。 系统连锁采用低压电器结合PLC实现，连锁按照用户电器连锁要求，连锁状态信号直接在主机显示。 控制系统除原有电气连锁系统必须保留外，还有PLC连锁控制，包括上下工序的启动停止信号、本系统启动停止信号、紧急停车信号、集矿皮带启动停止、给矿皮带启动停止、变频器启动停止、各种指示、各种报警等信号的检测和输出以及其相应的逻辑顺序关系控制。 由于连锁系统与安全生产密切相关，故涉及连锁保护所使用的继电器、接触器均选择高可靠的进口产品。8.3作业率检测 系统设计包括主要破碎设备的作业率检测，包括一段旋回破碎机、中碎机、细碎机以及控制系统自身等进行检测并记录起停时间、作业率以及原因分析，可以记录、显示、查询打印等。9系统特点杜绝破碎设备工作量不足和负荷过重的情况，充分发挥设备效率；优化作业，平衡各工序的作业能力和效率，保证最终产品的合格率。9.1可靠性高系统核心设备采用平均无故障时间较长、易于维护的设备，参照当前国有大中型企业的实际使用的设备。辅助设备采用通用设备，便于现场人员的使用与维护。9.2控制方法先进系统采用现场总线结构，主机PLC采用模糊控制＋常规控制实现（FUZZY＋PID），控制效果完全达到设计效果，达到生产工艺的技术规范要求。9.3实用性强针对中国国情、厂情，选取工艺过程的关键环节进行控制。同时对原有工艺不需要作任何改造，安装调试不影响生产。系统具有自动、仪表室内软手动、现场手动三类控制方法。9.4直接效益突出一次投资少、见效快，短期收回投资。一次投资，多年受益。提高系统作业率，减少岗位工人，避免和减少了设备故障的发生及工伤。9.5易于扩充系统提供必要的接口，能够接入不同标准的现场设备，兼容范围广，为厂级管理、过程自动控制设计了必要软件接口与界面，提供WebServer远程访问，用户可以通过标准浏览器对现场生产过程进行远程监控。9.6操作方便 系统在保证自动控制的前提下，可实现系统局部与全部的自动、软手动和手动操作等多种操作方式。9.7间接效益显著 为企业管理提供了准确的数据，提高企业的管理水平。真正实现节能降耗，挖掘设备潜力，提高设备作业率，降低岗位工人劳动强度与难度，提高劳动生产率.最终提高选厂经济效益。10DCS系统配置10.1DCS组成 以西门子高端PLC为DCS核心控制器，配置CPU主站和IO分站，为方便后续扩展应用，所有IO点预留20%余量。10.2中控系统 全厂设置一个中央控制室，安装一个3*6窄缝拼接屏，完成本项目涉及设备的电动机和各种用电设备的顺序逻辑控制、控制参数的检测，回路自动控制等，在中央控制室内对所控制的生产车间进行管理和操作。 在中央控制室内设有操作员操作站（OS）1个、工程师工作站（EWS）1个以及各种打印设备。现场控制站中的各种处理器，I/O接口模件机柜将放置在车间电力室中，通过光纤通讯网络与中央控制室操作站相连，组成集散型计算机控制系统。通讯网络应使系统运行安全、可靠。11工作范围11.1控制系统1)DCS机柜、操作台集成、安装就位。2)DCS系统的通信电（光）缆的铺设安装、熔纤及网络调试。3)控制系统的各IO模块至各电气柜、现场仪表之间打点测试。4)控制软件编制、调试、部署。11.2仪器仪表1)仪器仪表安装调试。2)仪器仪表校核。11.3其他11.4附赠附赠6个月工业云监控平台使用，可以通过手机微信查看产量、关键设备运行状态、设备健康管理等，可添加20个手机号。需要业主提供信号、设备接入支持和网络接入。12交货期备货30天，现场施工调试20天。13案例展示13.1组态画面13.2中控全貌