磨矿分级过程自动控制系统的研究与设计毕业论文.doc

硕 士 学 位 论 文论文题目:磨矿分级过程自动控制系统的研究与设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用a4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要选矿工艺过程中的磨矿分级问题一直是国内外工程技术人员和专家们的研究对象，本文在分析国内外对磨矿分级过程自动控制研究现状的基础上，针对目前亟待解决的磨矿易出现的“胀肚”问题，主要从以下几个方面研究：(1) 根据磨矿分级的国内外研究现状，综合分析各方面的要求，通过比照液位计、磨音频谱分析仪、核子秤、浓度计、流量计及电动阀等硬件的技术指标和参数，结合磨矿分级工艺流程实际，采用了磨矿分级过程控制系统方案。(2)绘制磨矿分级中给矿量的工艺流程图，根据控制系统的设计目标和设计原则，画出总体结构框图，包括上（下）位机、检测机构和执行机构。(3) 为了实现磨矿分级过程给矿量、磨矿浓度及粒度三大设定值的控制，在分析dcs系统基础上，对磨矿分级系统硬件进行选择和配置。 (4)利用wincc进行磨矿分级过程操作面板的设计,对设备硬件的配置及控制、控制参数、运行界面进行组态,界面包括历史资料归档、事故报警、故障判断、故障保护，构建人机界面实现整个系统的实时监控。(5) 利用西门子plc s7-400，选择step7 软件实现了d/a输出程序设计，对磨矿给矿量控制、磨矿浓度控制、自动加球控制、分级机溢流浓度的检测和控制进行了编程。针对某矿山选矿厂磨矿分级过程研究并设计了整套控制系统，在生产实践中应用良好。取得的成果可有效解决磨机运行效率不高等问题，对提高工作效率及稳定工艺指标具有较重要的现实意义。关键词：磨矿分级；给矿量；磨矿浓度；plcabstractgrinding and classification during the beneficiation process has been the study of engineering and technical personnel and experts at home and abroad. on the basis of automatic control research status of grinding and classification process, solved for the prone problem of grinding and classification, this paper studies mainly from the following several aspects:first, according to the research status of grinding and classification at home and abroad, comprehensive analysis of the various demands, by comparing the technical specifications of the spectrum analyzer, nuclear scale, concentration meter, flow meter and electric valve, and combination of grinding and classification process of the actual operation, grinding and classification process control system are programmed. second，the author should draw the grinding and classification technics flow chart. draw the overall block diagram based on the design goals and design principles of control system, including upper(lower) bit machine, testing and executing agencies.third,inordertocontroltheamountofore,grindingconcentrationandparticle sizeofthethreeparametersingrindgradingprocess,onthebasisofanalysisofthedcssystem,selectandconfiguredthehardwareaboutgrindgradingsystem.forth，using wincc to design the operator panel of grind grading process. confabulated the interface of hardware configured and control of equipment, control parameters, which including historical data archiving and accident alarm, fault diagnosis, fault protection, established human-mechanical interface to realize the real-time supervisory of the entire system.finally,makinguseofsiemensplcs7-400,selectingstep7softwaretoachievethedesignofthed/ainputandoutputprograms,programmingthedetectionandcontroloftheamountofore,grindingconcentration,grindingtheoregrindingconcentration,automaticball-addingandthesortingmachineoverflowconcentration.researchanddesignawholecontrolsystemofgrindgradingforamineconcentrator,theapplicationiswellinpractice.theresultsobtainedcanbeaneffectivesolutiontothemilloperatingefficiency,andhasimportantpracticalsignificancetoimprovetheefficiencyandstabilityofprocesscriteria.keywords: grinding classification; grinding ore; concentration; the plc目录第一章 引言11.1 课题背景及研究意义11.2 磨矿分级过程控制技术的发展现状及趋势21.2.1初级阶段21.2.2稳定生产阶段21.2.3最优化生产阶段31.3本文的主要研究内容41.4 本章小结4第二章 磨矿分级过程自动控制系统工艺流程及方案设计52.1 磨矿分级自动控制系统工艺流程52.2 给矿量工艺流程62.3系统设计目标62.4系统设计原则62.5技术标准与规范72.6磨矿分级过程自动控制系统总体设计72.6.1磨矿自动控制系统总体设计方案72.6.2 系统编程软件92.6.3系统组态软件wincc92.6.4 系统数据库设计102.6.5系统网络设计102.6.6系统扩展接口设计102.7系统的操作方式102.7.1远程自动控制102.7.2远程手动控制112.7.3就地手动控制112.8 磨矿分级过程的计算机监控112.9 本章小结11第三章 磨矿分级过程自动控制系统硬件设计123.1磨矿自动控制系统硬件设计123.1.1磨矿自动控制系统硬件模块组成123.1.2磨矿自动控制系统现场仪表输入输出电路设计133.1.3磨矿分级自动控制系统硬件模块线路设计153.2 本章小结23第四章 磨矿分级过程自动控制系统的软件设计及实现244.1 磨矿分级系统控制程序设计流程244.2 上位机与 plc 通讯测试和系统的硬件组态254.2.1 上位控制计算机与 plc 的通信254.2.2 磨矿分级过程控制系统的硬件组态264.3 磨矿分级过程控制系统的 plc 程序设计304.4磨矿分级过程控制系统的控制设计344.4.1磨矿给矿量的控制354.4.2磨矿浓度的控制374.5 本章小结39第五章 磨矿分级过程自动控制系统监控界面设计405.1主画面设计405.2报警画面设计405.3 数据统计画面界面设计415.4 趋势画面界面设计425.5 给矿控制界面设计425.6 高频筛设备控制界面设计435.7 水路控制界面设计435.8 参数设定设定界面设计445.9 棒磨液位浓度控制界面设计445.10 本章小结45第六章 磨矿分级过程自动控制系统的运行数据与分析46第七章 总结与展望48参考文献50致 谢52附录a 部分设计图纸53附录b 部分现场图64江西理工大学学位论文独创性声明及使用授权书6969第一章 引言1.1 课题背景及研究意义 在矿山选矿生产的过程中，磨矿是生产流程当中的重要环节，磨机由出料部、给料部、回转部、传动部（小传动齿轮，减速机，电控，电机，）等部分组成，因其具备单个个体容量大、整体结构简单、出产量大并且破碎比例高、以及稳定性良好、连续运行等诸多优点，已经被首选为目前磨矿分级的设备，现在正被广泛地应用在以下行业：水泥、选矿、采矿、陶瓷、化工与电力等12。目前，在选矿厂的生产过程中存在的普遍问题是：1、入磨矿量依赖于手动调节，受责任心和经验等人为因素的影响，操作波动比较大，很难保证入磨矿量稳定；2、给水量也依赖于人工调节，受矿量变化或供水压力等因素影响，球磨浓度很难控制稳定，进而影响作业效率，有时还甚至造成“胀肚”（矿水的比例严重失衡，如：水过多称为“稀胀”，水过少则称“干胀”）等设备事故。磨矿作业会直接影响磨矿产品质量(如：粒度特性、磨矿产品的浓度、单体解离度等) 以及选矿工艺过程中的处理能力，以及对后续生产工艺作业指标以至选矿厂的综合经济技术指标、效益指标都有着相当大得影响。所以，把握好磨矿分级过程来调整磨矿过程中的一系列参数、对提高磨矿分级的效率与质量是对提高整个选矿厂的经济技术指标和效益指标有着长远的意义。但是由于磨矿分级过程中出现的影响因素较多而且机理比较复杂、滞后时间较长、生产工艺过程进程缓慢、同时整个系统又同时具备以下几个干扰因素：具有时变性；非线性等干扰因素；因此将会给整个磨矿分级生产操作过程带来很多的困难；另外，磨机噪声达到100db且机组庞大，导致操作人员劳动强度大，工作环境恶劣。上世纪九十年代以来，在国内外自动化领域的专家学者、科技工作者、以及在一线的选矿工作人员，在不断的研究与探讨磨矿分级过程中存在的一系列问题。34在整个磨矿分级过程中，影响作业的因素很多，其中最主要的因数有以下几个方面：物料性质；具体可分为以下几个指标：给料粒度；矿石可磨度；产品细度；磨矿机结构：磨机型式的选取；磨机规格、衬板形状的选取；操作方面的因素：介质的形状和充填率；介质的尺寸配比及材质、加棒（球）制度、磨机转速率、磨矿浓度和料球比等，而这些因素本身又会相互影响。磨机的负载是指球磨机中的物料的负荷量、棒（球）磨负荷的负荷量以及水量三个因素的总和，这三个参数是磨矿分级过程中最重要的关键参数，对磨矿分级效果有着最直接而又最显著的影响。在磨矿分级实际生产工艺中，因为不能准确检测磨机的内部负荷和矿石性质的波动、操作水平的差异和外界因素的干扰等，使磨机负荷很难维持在最佳水平，进而不能充分发挥磨机的效率56。经过研究拟采用最佳值给矿及磨机功率的保护处理相结合的方案来控制给矿量的大小。用浓度计来监测螺旋分级的溢流浓度，排矿补加水量的自动调节来控制螺旋分级机的溢流浓度。采用磨音功率与磨机电耳双检测的手段来对磨机球负荷进行判别分析。采用压力计来检测旋流器组的给矿压力进行控制给矿；采用液位计检测泵池液位以及根据液位高低来加水减水；采用料位计对粉矿仓料位来进行实时监测。通过对系统进行研究，设计出了磨矿分级过程的自动控制系统，对减少工人的劳动强度、实现稳定生产、提高选矿过程作业指标及节能降耗都有重要的经济实用价值，并产生重要的经济和社会效益。1.2 磨矿分级过程控制技术的发展现状及趋势 1.2.1初级阶段20世纪50年代以前，选矿过程不采用仪表来进行控制，大部分是人工靠个人的操作经验与不多的知识操作控制部分生产过程，导致的结果是生产指标极不稳定。而且随着矿石性质和物理块状的不断大水高低变化，一定会引起操作困难，控制基本是不准确更不及时，很难使生产流程保持基本的稳定，更谈不上获得较好的生产指标，还有就是劳动强度加大，劳动条件恶劣。随着仪表工业的发展，选矿工艺流程中有的用仪表对某些部分变量进行个项检测，比如在磨机给矿和回路中加了皮带秤等，通过人工计量并不断调整给矿速度和增加给水回路中水的计量等。通过对选矿过程中采用模拟仪表监测，也可不同程度地节省工人的体力，改善劳动条件，提高生产过程稳定性，方便操作。目前我国很多选矿的自动化水平位于这个阶段7。1.2.2稳定生产阶段此阶段又称为稳定控制阶段。到六十年代初期，如金属探测器、矿浆ph计、矿浆浓度计等自动检测仪表相继研制成功，选矿分级过程控制实现了磨矿发级过程的给矿量及溢流浓度的自控。在上世纪60年代的十年期间，自动检验检测技术有了重大突破，如在线x荧光分析仪和电子秤等，70年代末的在线矿浆粒度仪的成功研制，就可直接通过对磨矿分级产品粒度分析并控制，可提高磨矿分级效率及产品质量。80年代初，通过调整选矿厂局部的机组参数并采用最佳条件控制，一般可使使生产流程基本稳定，大部分采用模拟仪表来进行控制。但随着计算机普遍在工业控制的应用，在选矿领域也着手研究用电子计算机进行直接的数字控制（ddc）。在现代选矿工艺中，磨矿分级将采用一系列的现代控制技术去解决生产过程中的一些难题，包括自适应、自组织和最优控制等。在生产过程中的应用例子如下所述：设计多个变量控制器、用多个变量去解决这些变量之间的相互影响，从而能够更精确的去解决实际问题；应用计算机的在线估计模型系统去实现控制系统的自校正控制；运用卡尔曼滤波器来辨识矿石的硬度扰动，这个过程的目的是对矿石的硬度进行补偿，以实现自动控制。这些技术的采用与实现，对整个磨矿分级过程控制中在保持稳定性控制方面，其控制效果比用普通pid调节器来调节控制时更佳。在这一阶段中，微、小型计算机数字控制代替了人工控制，它直接作用于执行机构，如直接取样，直接控制阀门，直接控制给矿等。在监测仪表过关的条件下，对某一个车间或某一个机组实行局部的稳定和最佳控制，使选矿厂的重要生产设备，如球磨机组等，在最佳的状态下工作。目前，国外大多数选矿厂的自动化水平处于这个阶段。国内除凤凰山铜矿厂由芬兰引进设备，用小型计算机控制外，少数选矿厂，如红透山铜选厂、首钢大石河铁选厂等，也曾进行过试验，但无一成功使用计算机控制8。1.2.3最优化生产阶段20世纪90年代至21世纪初，伴随着控制理论的持续发展和控制技术的普遍应用，为在生产中选矿技术实现最优控制或选矿厂的自动化工艺奠定了坚实的基础。考虑到选矿过程中的影响因素比较多，随着入选矿石性质的变化而异去自动校正对各变量的控制，从而达到使整个选矿指标达到最优。选矿厂各重要机组、各车间都采用计算机和各种检测仪发出的信号配合，最后，用一台中心计算机来调度其它计算机工作，对整个选矿过程实现最优控制。南非等一些国家的选矿厂已进入最优化生产控制阶段。目前，采用计算机控制的磨矿设备常见于球磨或棒磨，国内也已经研究多年，并在少数选矿厂进行了试用。在控制方法上，将现代控制理论中的自适应控制、多变量控制、最优控制等方法应用于棒磨和球磨控制中。但计算机在自磨机中的控制应用则很少，国外只有塞浦路斯皮马采矿公司及少数几个选矿厂将计算机控制技术应用于自磨机上。在国内，自磨磨矿仍然处于人工操作水平。一方面：因为自磨机是非常复杂的工业过程被控对象，在理论上和实践上对自磨机的机理认识，专家们尚未有一个统一的解释，还没提出一个可用得数学描述控制模型，成为典型的“黑箱”问题；另一方面：由于进入自磨机的矿石性质多变使得自磨机运行行为也随机多变；再者：自磨机给矿系统纯滞后大以及严重的非线性使得自磨机的控制难度较大，容易产生“胀肚”事故。当然，目前还没有一种较好的手段来对排矿浓度和料位进行直接检测，也是自磨机要实现自动控制的一个复杂问题9。在西方的一些发达国家例如：英国、美国、法国、澳大利亚、加拿大、德国、芬兰、智利等，在各大中型磨矿选矿厂选矿自动化领域起步都比较早，而且已经实现了相当程度比例的自动化控制，其应用范围从碎矿到脱水等各个选矿环节；在选矿各阶段中矿特的自身因素和选矿过程中的各种设备状态参数都在测控对象的领域中。例如：国外的一些矿业公司的选矿厂利用计算机技术控制棒磨、球磨两段磨矿的比例进行pid串级控制并采用专家系统进行研究，从而成功实现了在保证生产产品和的基础下的矿产常量的提高，并且能够有效的使生产工艺过程中的球磨机工作超负荷状态以下，使得生产和效益得到有效的提高。智利的copper ton选矿厂也成功地应用了两级集散控制系统 1011。南京的银茂铅锌矿业公司的选矿厂研制的磨矿自动控制系统就设置了电流检测、给矿量、磨机的电耳值、返砂水控制、溢流浓度、排矿水控制及报警等检测项目，借助这些检测的数据来控制磨矿过程的每个工艺参数，分析判断磨机工作状态并实现控制，使流程运行可靠稳定；模糊控制加pid调节的自动控制方式使效果达到最佳，能实现局部或全部系统中的数据监控或手动、现状人工操作多种手动操作的方式，借助先进的控制系统及高效可靠仪表的组合可使系统使用更长久，再加上人性化个性化的组态画面方便了操作，给矿控制方便，当设定好小时给矿量，系统自动根据矿量的情况进行调节，给水和浓度控制也操作简单。中国黄金集团乌努格吐山铜钼矿的选厂磨矿自控系统包括有：磨矿浓度自控、给矿量自控、矿仓料位自控、旋流器的泵池液位值、给矿浓度（压力）及溢流粒度自控，实现了智能化给水、给矿和磨机工况自动分析、判断故障、历史数据归档、故障报警和保护。1.3本文的主要研究内容根据磨矿分级现场操作人员对于生产工艺的操作经验，选取适合该工艺的相应的模糊规则，确定好模糊规则中的输入、输出变量。用模糊控制来解决生产工艺中难以建立的复杂数学模型问题，设计了一整套针对南方某钽铌矿的磨矿分级过程自动过程控制系统，在提高磨矿分级过程中的稳定性与处理量方面得到很好的解决途径，从而使生产工艺中的球磨机能够连续工作并且长期处在最佳状态而又不出现“胀肚”现象，提高选矿棒（球）磨的处理能力，提高精矿回收率。本文针对磨矿分级的模糊控制，设计出一套磨矿分级过程自动控制系统，并且围绕这一控制方案作者从2010年10月开始了对该控制系统的设计工作，在长达一年多的努力下，经过不断的测试与修改，基本完成了针对本文的研究与设计工作。现将现阶段主要成果撰写成工程硕士论文并且按以下控制思想组织全文：第一章：引言（磨矿分级过程自动控制系统的背景、研究意义、发展现状及趋势）第二章：磨矿分级过程自动控制系统工艺流程及方案设计第三章：磨矿分级过程自动控制系统硬件设计第四章：磨矿分级过程自动控制系统软件设计及实现第五章：磨矿分级过程自动控制系统监控界面设计第六章：磨矿分级过程自动控制系统的运行数据与分析第七章：总结与展望1.4 本章小结本章介绍了项目产生的背景和课题研究的现实意义，在综合国内外磨矿分级控制技术研究的基础上，针对目前矿山磨矿分级存在的诸多问题，提出了本文的主要研究内容与侧重点并整理了本文的组织安排。第二章 磨矿分级过程自动控制系统工艺流程及方案设计南方某钽铌矿建于上世纪七十年代，是我国目前规模最大的钽铌采选企业和钽铌锂原料生产基地，矿床含钽铌锂铷铯等多种金属，具有开采条件好，储量大，有用金属多，综合利用价值高的特点，为国内外同行瞩目。但目前却受到无法长时间稳定生产的困扰，主要原因是矿石性质的变化以及人工操作不能及时对生产不稳定因素做出反应，导致选矿厂流程稳定性差，更无法快速适应因原矿的块粉矿搭配比例变化时新的选别流程的稳定，最终导致原矿处理量以及最终产品的产量和质量无法得到保障和提高，通过引入自动化控制系统，对磨矿生产过程进行优化控制、优化运行和优化管理，保证磨矿系统的连续、稳定和高效，实现选厂生产磨矿处理能力最大化。2.1 磨矿分级自动控制系统工艺流程选矿生产过程中的重要环节是磨矿分级，控制好磨矿过程能够使能耗降低、最终产品的产量和质量提高。磨矿过程的目标是通过改变给水量和给矿量，使磨机的台时产量达到最优，并且使分级的浓度和溢流粒度满足要求。在磨矿分级过程中，给矿量、原矿的性质、磨机的排矿量、分级机的返砂量、返砂水量、磨机的转速、介质充填率、矿石充填率、衬板状况及球荷比等可以影响磨机的产量以及分级机溢流浓度和粒度。由于上述各种因素的多变性和随机性增加了磨矿分级过程的控制难度。外部条件有原矿性质、磨机的转速、球荷情况及衬板状况，对于这些因素，只能遵守客观事实，自动控制系统无法调节。可是，如果完全排除上述情况来实施控制，显然是不可行的。由于原矿性质随时都有变化的可能，任何变化都会导致破坏系统平衡状态。所以能够自动分析原矿性质的变化，并作出相应调整是必须控制系统的一个功能1213。下图是磨矿分级工艺图。图2.1 磨矿分级工艺图2.2 给矿量工艺流程由工艺要求可得，在下位机内设定矿量的给定值，核子秤测得的瞬时值作为检测值，将检测值与给定值进行比较，如果存在偏差，由下位机将信号输出至变频器进行调节，通过改变给矿电机的转速从而使矿量改变，将检测值与给定值的偏差消除。在下一时刻，继续执行这一过程，从而使给定值与检测值的偏差最小，使系统能够正常运行。球磨机内负荷与电流变送器的输出信号的关系如图2.2所示，在本系统中，球磨机工作过程的磨机装载量由电流变送器负责检测。由图2.2可知，在初始状态，矿石装载量与磨机电流成正比，即电流变大，矿石装载量越大。如果磨机内矿石的参数发生变化时，要求主机能及时修改设定值，而设定值的修改是通过电流变送器将信号输到主机，改变变频器的值，从而调整给矿量的大小，使磨矿的运行效率达到最高，一直保持最佳充填率，同时又不会出现“胀肚” 。同时由图4.3可知，当磨机装载量达到一定值时，磨机电流将不会变大，如果继续增大装载量，磨机电流反而降低，把这一点作为临界点，并应用实物进行标定，只要满足电流信号大于临界点即可以有效地防止“涨肚”1415。如果电流值小于临界值，则减小给矿量从而使电流信号变大，如果电流值大于临界值，磨机正常运行。防止“涨肚”的另一种方法是检测分级机的电流，调节磨机的工作状态，如果磨机正常工作，分级机的返沙比很稳定，如果有“涨肚”的趋势时，则调节给矿量，从而使磨机恢复到正常的工作状态。图2.2 给矿量控制2.3系统设计目标南方某钽铌矿一段磨矿自动化控制系统的建设目的是通过对磨矿进行检视、控制和管理，进一步挖掘生产设备的潜能，稳定工艺生产过程，稳定并提高工艺技术指标；提高设备自动化，降低一线工人的劳动强度，降低系统维护成本，提高整体工作效率。2.4系统设计原则南方某钽铌矿磨矿分级过程控制系统本着以下设计原则进行设计：1、系统的可靠性原则为了使自动化系统在满足工艺要求基础的情况下能够实现长期稳定运行，并且具有抗各种干扰的能力，满足电磁兼容性和安全性的要求；所提供的系统软件是当今国际计算机控制领域公认的、稳定可靠的、工业标准的实时操作系统和相应的系统软件；系统配置的通信网络、过程控制系统、系统软件和标准的商用软件具有高容错能力；所提供的设备符合工业标准。所有部件具有较强的抗电磁及无线电干扰能力；整个综合自动化系统分成三级网络（设备网、控制网、信息网），各层网要求能够独立运行，各层网之间要求隔离，隔离通过网关来实现，保证综合自动化系统的独立性和安全性。2、系统的先进性原则由于计算机控制技术迅速发展，所提供的系统硬件和系统软件是当时最先进的产品和成熟的最新版本软件，当更先进和成熟的产品和软件版本出现时，能与所提供的产品和软件保持兼容。保证所提供的系统在本领域中有应用业绩。3、系统的易维护性原则系统具有易于维护，操作简便的特点。4、系统的可扩展性原则系统具有灵活的扩展能力。以保证在工厂扩建或改造时，满足工厂对控制系统的扩容要求。除了系统的硬件的要求外，系统软件和应用软件具有灵活的扩展能力。5、系统的开放性原则控制系统采用开放的网络体系结构，符合iso的有关通信标准，方便系统扩充。6、系统的完善性原则控制系统是完整的、可靠的、满足技术要求的系统，确保系统的硬件、软件的完整性和兼容性。7、负荷原则整个系统包括现场仪表、一次元器件、控制单元、工程师站、操作站、管理终端、网关、通讯网络系统等，其负荷都不超过其硬件、软件能力的60%。2.5技术标准与规范本次方案设计依据中国现行的各项有关规程、规范及地方有关规定。依照的主要规范及标准如下：1、自动化仪表选型规定 hg20507-922、工业自动化仪表用电源、电压 gb3368-823、工业自动化仪表用气源压力范围和质量 gb4830-844、工业自动化仪表工程施工及验收规范 gb500932002 5、不间断电源设备 gb7260-876、计算机软件产品开发文件编制指南 gb 8567-887、工业控制用软件评定准则 gb/t13423-19928、系统接地的型式及安全技术要求 gb14050932.6磨矿分级过程自动控制系统总体设计2.6.1磨矿自动控制系统总体设计方案根据南方某钽铌矿选矿厂的工艺特点，把选矿厂自动控制的重点放在提高棒磨机的磨矿效率和产品质量上，在稳定磨矿细度前提下尽最大可能提高磨机的处理能力。磨矿分级过程自动控制包括给矿量的自动控制，棒磨机磨矿浓度控制，棒磨机的音频检测，棒磨机的功率检测，实现智能给水、给矿及磨机工况的自动分析、历史资料归档、事故报警、故障判断、故障保护等。由于入磨原矿性质及粒度的变化、供水水压的波动等因素会对磨矿分级生产过程造成经常性的甚至是大幅度的扰动，在人工操作的条件下很难及时发现并克服这些扰动，及时调整操作条件（如磨机给水量、给矿量、泵池补加水量、砂泵转速等）。磨矿自动控制系统很容易造成磨机的过负荷（即磨机“胀肚”）或欠负荷，泵池矿浆外溢、泵喘振，致使磨矿分级生产过程不稳定，不仅影响磨机产量和分级溢流粒度达不到工艺要求，也直接影响后续选别流程的稳定，影响最终产品的产量和质量1617。针对南方某钽铌矿选矿厂磨矿工艺流程的特点，磨矿生产自动控制的关键是：磨机介质充填率符合工艺要求的前提下，控制磨机的给矿量，使磨机内的矿石装载量始终在合适的范围内，防止磨机过负荷（即俗称“胀肚”）或欠负荷，在保证磨矿出口粒度及后续选别流程容量允许的条件下适当提高磨机的处理量。磨机内的矿浆浓度（即磨矿浓度）控制在工艺要求的范围内。一段泵池泵出口浓度控制在工艺要求的范围内。磨矿分级过程自动控制系统流程图如图2.3所示。图2.3 磨矿分级过程自动控制系统流程图系统在主厂房主控室设置工程师站1台，设置操作员站1台。上位机系统与控制器采用100mhz 以太环网，通过工业交换机连接。plc系统的控制器采用了s7-400控制系统，由1 套s7-416控制器组成，现场i/o采用了et200分布式i/o。所有io站都是通过profibus-dp现场总线与主控制器相连接的。系统工业以太网按照环网设计，通讯速率为100m，系统具有很高的扩展能力，最大可以扩展到1000个负载站（包括现场站和操作站）。环网所使用的交换机是moxa公司生产的工业交换机，完全适应于苛刻的工业场合，进一步提高了管理控制层通讯的可靠性。2.6.2 系统编程软件采用西门子公司的step 7标准软件包作为编程软件。step 7标准软件包符合面向图形和对象的windows操作原则，可运行在windows2000、windows xp、windowsserver2003下，为适应不同的应用对象，可选择不同的版本，本设计是采用v4.5汉化版进行的。(1)simatic管理器可浏览simatics7、m7、c7的所有工具软件和数据。(2)符号编辑器管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。(3)通信组态包括组态的连接和显示、定义mpi或profibusdp设备之间由时间或事件驱动的数据传输、定义事什驱动的数据、用编程语言对所选通信块进行参数设置。(4)硬件组态用于对硬件设备进行配置和参数设置。包括系统组态(选择机架、给各个槽位分配模块、自动生成i/oo地址)、cpu参数设置(如启动特性、扫描监视时间)和模块参数设置(用于定义硬件模块的可调整参数)。(5)编程语言可以是梯形图语言(lad)、功能块图语言(fbd)和语句表语言(stl)(6)硬件诊断工具为用户提供自动化系统的状态，可快速浏览cpu的数据以及用户程序运行中的故障原因，也可用图形方式显示硬件配置，例如，模块的一般信息和状态、显示模块故障、显示诊断缓冲区信息等181920。2.6.3系统组态软件wincc本系统选用西门子公司的wincc软件作为组态软件。组态软件采用图形和动画的方式显示各种设备的运行状态，能够在计算机上远程显示出现场设备的参数和运行情况，设备上的检测值通常采用柱状图体现，历史数据则通过曲线表现，形象直观，同时在组态软件中可以随时更改运行参数，所以，自动化系统正常运行的其中一个重要部分是组态软件，是人机交互的中心。wlndowscontroiconter(视窗控制中心)是西门子公司wincc组态软件的全称。它包括script（脚本）语言、设备组态、动画连接、设备联通等步骤，可以在windows 操作系统中同时使用各种其他通用软件的功能，它拥有技术先进和无缝集成的特点2122。在个人计算机环境下运行wincc，可以与多种设备和控制软件相连接，灵活使用，各种功能齐全，拥有菜单选项、可视窗口。wincc为用户提供了形象直观的环境，可以利用其进行数据管理、组态和编程，从而得到我们所需要的操作窗口、运行窗口、报警窗口、趋势曲线（包括实时、历史）、报表等等。可以大大缩短工作时间，提高工作效率。整体开放性是wincc的另一个特点。整体开放性是指wincc可以与各种软件连接在一起，为了满足实际需要组成有友好的人机界面，用户也可以利用wincc开发更为高级且满足自己需求的应用系统。2.6.4 系统数据库设计本系统的数据库是为保存生产过程中的现场数据和历史数据所设计的，可以方便查询和调整设定值，同时为故障判断提供可靠地依据，本系统的数据库采用wincc自带的数据库，可以更好地共享生产数据，从而保证系统的正常运行。2.6.5系统网络设计simatic net工业通讯网络系统是一个的全集成的网络系统，拥有丰富灵活的网络层级。它的系统结构框如图所示。 simatic net工业网络通讯系统各个层级的通讯协议都是符合国际标准的网络协议，保证了系统的开放性、可扩展性。所有应用于simatic net的产品和模件都是为了工业应用而开发，适用于可能遭受严重电磁干扰、液体侵蚀、高度污染和机械冲击的工业环境，simatic net网络已被广泛地安装和应用，经过了时间的考验。simatic net工业网络通讯系统还可采用冗余设计，具备很好的容错性能，不仅保证了系统通讯的可靠性，也便于系统的故障维护2324。 本项目pcs7系统的工业通讯网络系统选用了simatic net工业以太网和profibus-dp现场总线。其中工业以太网用于系统操作员站和主控制站之间的连接；而profibu-dp现场总线用于主控制站和远程i/o控制站之间的连接。2.6.6系统扩展接口设计profibus现场总线网络可提供了最多125个节点，因此还有很大的扩展空间，在profibus网络中还可以接入众多的profibus总线设备例如智能电机、智能开关、智能传感器或者profibus总线i/o控制站等，也可以接入其它的控制终端、包括plc、工控机、internet远程控制设备、无线联网设备等，组成丰富多彩的复杂的工业控制网络。控制系统预留了网络接口，做为管理工作站的服务器既可以通过内置的10m/100m自适应网卡或调制解调器与其他客户机组成管理级网络，又可以在客户机上再安装一块cp1613卡实现与服务器的同步监控。2.7系统的操作方式自动控制系统分为远程自动控制、就地控制和远程手动控制三种方式。远程自动控制方式为主要的和基本的运行方式，其它两种运行方式为在特定工况下的补充，另根据系统工艺要求提供运行时所必要的联动和互锁25。2.7.1远程自动控制远程自动控制模式由上位机完成，操作人员可通过上位机画面的自动方式启动按钮来启动生产线。首先程序进行自检，自检通过则弹出启动允许对话框，如果发现生产线上设备出现故障、处于检修状态或其他非正常情况时发出报警。在远程自动控制方式下，生产线上的所有设备按工艺要求进行联锁。2.7.2远程手动控制远程手动控制模式由上位机完成，可实现设备的单机启停。在远程手动控制方式下，由操作人员直接点击画面上的设备，在弹出的单个设备启停对话框上直接进行设备的控制。2.7.3就地手动控制就地控制模式由安装在设备附近的就地按钮站或设备自带的控制箱来完成，可通过就地远程切换开关切换设备的控制方式。只有当切换开关放在远程位置时，中控室才能通过程控操作设备，当切换开关放在就地位置时，只能在就地手动操作设备；就地手动操作方式具有最高的操作权限。2.8 磨矿分级过程的计算机监控计算机是监视和控制生产过程的窗口，显示并记录来自各控制单元的过程数据，通过人机界面，将分散的过程信息集中起来，实现信息处理和操作集中化，完成系统监视和控制功能26。监控系统（工艺过程监控级）实现了如下功能：现场设备工作状态显示（1）操作员站能综合显示字符和图象信息，操作人员通过操作员站实现对控制系统生产过程的操作和监视。每幅画面能显示过程变量的实时数据和运行设备的状态。（2）操作显示采用多层显示结构，显示的层数可根据工艺过程和运行要求来确定，这种多层显示可使运行人员方便地翻页，以获得操作所必需的细节和对特定的工况进行分析。工艺参数趋势曲线显示和历史数据分析；报警显示和事故记录；现场设备远程诊断和远程维护；产量显示、历史记录；远程启停设备；工艺流程运行状态分析。2.9 本章小结本章介绍了本系统的工艺流程和给矿量的工艺流程以及系统的设计目标、设计原则和所需遵循的技术标准与规范，并从系统设计组成和系统操作方式这两方面进行了阐述。另外对现场监控系统的功能做了简要说明。第三章 磨矿分级过程自动控制系统硬件设计3.1磨矿自动控制系统硬件设计3.1.1磨矿自动控制系统硬件模块组成(1)系统cpu机型的选择系统cpu机型的选取主要是西门子公司的plc s7-400系列。目前西门子公司生产的plc是市场上应用比较成熟，其应用领域较广，而且技术相对而言较为成熟，在技术支持上有保障。在国内外诸多领域的应用中，有着丰富的经验可以供参考、借鉴。因此整个系统的开发周期较短，可以节约大量的时间，降低成本，为企业实现利益。在整个s7系列中，西门子s7-200通讯功能相对比较弱，而且不能满足本系统的开发所需用的工作点数；满足不了工艺要求，也不能与上下位机以及网络间的通讯；同理s7200系列也是因为功能比较简单，满足不了工艺自动控制的要求；而s7-400无论从通讯功能还是开发所需的工作点数等方面均符合本系统的要求，故生产工艺自动控制系统选用s7400系列plc2728。cpu模块的选择西门子plc s7-400是模块式结构。首先模块化、无风扇的设计；其次硬件模块坚固耐用，拓展性良好，容易扩展并具备广泛的通讯能力，且较容易实现分布式结构；在本文的控制系统中要求与上位机进行通讯，同时能与现场设备进行网络通讯。综合以上因素的影响，根据性价比与系统控制要求，选用cpu416-2dp。416-cpu本身带有两个profibus-dp接口，从而建立一个dp网络，实现plc与整个生产现场设备的通讯。(3)电源模块的选择ps407系列电源模块是西门子公司为s7-400专配的24v dc 电源，可安装在s7-400的专用导轨上，其额定输出电流有2a、5a、10a等多种。现在选用5a的电源，用于对simatic s7-400的供电。(4)信号模块i/o的选取信号模块分为：数字量模块和模拟量模块，数字量模块分为数字量输入模块和数字量输出模块，模拟量模块分为模拟量输入模块和模拟量输入模块。信号的输入输出磨块，主要根据现场控制设备的数量和控制类型的要求来选择，在满足控制系统要求的前提下，应该留有一定量的余额量，以满足以后生产工艺的改进的需求。在模块分级控制系统选用6个数字量输入模块sm321 di32dc24v，5个数字量输出模块sm322 do3224v/0.5a, 3个模拟量输入模块sm331 ai812bit和1个模拟量输出模块sm332 ao412bit。（5）通信模块本系统的通信模块为cp443-1，cp443-1用于将simatic s7-400连接到工业以太网。采用10/100mbit/s通讯速率自检测，支持全双工/半双工连接，可通过网络进行远程编程和调试，通过s7路由实现网络间的pg/op通讯。cp443-1通过自带的微处理器，独立的处理工业以太网上的数据通讯。3.1.