張 衛(wèi) 萬正道 賀祥紅

（安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽霍邱237400）

目前地下金屬礦山顎式破碎系統(tǒng)大多僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，隨著智慧礦山大力推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)地下金屬礦山顎式破碎系統(tǒng)自動(dòng)化、無人化是未來發(fā)展的趨勢［1］。本研究通過設(shè)計(jì)顎式破碎機(jī)破碎腔實(shí)時(shí)料位檢測裝置，將破碎腔實(shí)時(shí)料位數(shù)據(jù)和破碎機(jī)運(yùn)行電流進(jìn)行自適應(yīng)算法分析，控制重板給礦機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)了顎式破碎系統(tǒng)自動(dòng)化、無人化運(yùn)行。該系統(tǒng)在安徽某地下大型金屬礦山運(yùn)行，效果良好，作為該礦的智慧化礦山推進(jìn)項(xiàng)目，具有很好的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成及工藝流程簡介

如圖1，美卓C140顎式破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)由上部大溜井料位檢測、重型板式給礦機(jī)、顎式破碎機(jī)、控制柜、操作臺(tái)、下部礦倉料位檢測組成。生產(chǎn)流程：顎式破碎機(jī)首先啟動(dòng)，待電流、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，重型板式給礦機(jī)啟動(dòng)將上部大溜井中的礦石給入顎式破碎機(jī)破碎腔中，礦石經(jīng)過破碎機(jī)破碎后進(jìn)入下部礦倉，下部礦倉中的礦石通過皮帶機(jī)輸送至提升機(jī)裝載系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

美卓C140顎式破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)選用西門子S7-300系列PLC作為核心控制單元，使用上位機(jī)HIM軟件完成系統(tǒng)組態(tài)，重型板式給礦機(jī)采用變頻器控制，顎式破碎機(jī)采用軟啟動(dòng)器控制［2］。上部大溜井料位檢測信號(hào)，下部礦倉料位檢測信號(hào)，重型板式給礦機(jī)運(yùn)行參數(shù)電壓、電流、運(yùn)行頻率信號(hào)，顎式破碎機(jī)運(yùn)行參數(shù)電壓、電流、溫度信號(hào)，通過通訊模塊和模擬量輸入模塊接入控制系統(tǒng)。

井下現(xiàn)場配置破碎機(jī)控制柜、破碎機(jī)操作臺(tái)，井上集中控制室配置破碎機(jī)遠(yuǎn)程操作臺(tái)。以西門子CPU模塊315-2DP作為主站，位于破碎機(jī)控制柜。以西門子IM153-1作為分站，位于破碎機(jī)遠(yuǎn)程操作臺(tái)，硬件通訊網(wǎng)絡(luò)見圖2。

主站和分站后掛接相應(yīng)的AI、AO、DI、DO模塊完成模擬信號(hào)的輸入輸出、數(shù)字信號(hào)輸入輸出。主站和分站之間的通訊通過光纖傳輸實(shí)現(xiàn)，CPU模塊315-2DP信號(hào)通過PROFIBUS轉(zhuǎn)光纖模塊轉(zhuǎn)換成光纖信號(hào)，經(jīng)過光纜傳輸至井上破碎機(jī)遠(yuǎn)程操作臺(tái)，再通過光纖轉(zhuǎn)PROFIBUS模塊接入西門子IM153-1模塊。各種傳感器的檢測信號(hào)通過模擬量輸入模塊接入系統(tǒng)，I/O地址分配見表1。

2.1 大溜井料位檢測

大溜井深度140 m左右，上部位于-425 m水平為卸礦位置，下部位于-571 m水平，重板給礦機(jī)和破碎機(jī)安裝在大溜井下部。礦石經(jīng)過大溜井，通過重板給礦機(jī)給入破碎機(jī)，經(jīng)過破碎機(jī)破碎作業(yè)，礦石的尺寸≤200 mm。破碎作業(yè)后的礦石進(jìn)入下部礦倉。下部礦倉深度30 m，上部位于-571 m水平，下部位于-606 m水平。到達(dá)下部礦倉底部的礦石通過振動(dòng)放礦機(jī)給入帶式輸送機(jī)運(yùn)送至計(jì)量斗，通過計(jì)量斗每次將額定重量的礦石裝入箕斗，通過提升系統(tǒng)運(yùn)送至地表。

常見的物位計(jì)有激光物位計(jì)和雷達(dá)、超聲波物位計(jì)，雷達(dá)、超聲波物位計(jì)的一般檢測范圍只有幾十米，適合在封閉的、規(guī)則的圓柱形或者箱型空間內(nèi)使用。激光物位計(jì)測量范圍廣，從幾米至上百米的距離均可實(shí)現(xiàn)高精度測量，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠有效消除粉塵對測量精度的干擾［3］。由于大溜井深度達(dá)140 m，而且粉塵大，選用激光物位計(jì)能實(shí)現(xiàn)大溜井料位的實(shí)時(shí)高精度檢測。通過現(xiàn)場勘查，Optech YKW3100-LR-DCP型激光物位計(jì)能夠滿足測量范圍和精度的需要，該型號(hào)激光物位計(jì)量程為300 m，同時(shí)能夠適應(yīng)井下的惡劣環(huán)境。

為了準(zhǔn)確檢測大溜井料位，激光物位計(jì)安裝位置至關(guān)重要，必須安裝于大溜井正上方，同時(shí)必須垂直找正，一旦激光打偏到溜井側(cè)幫上，將不能正確反映大溜井的實(shí)際料位，易造成溜井放空事故。

通過設(shè)定激光物位計(jì)輸出4～20 mA信號(hào)對應(yīng)0～140 m料位，4～20 mA模擬信號(hào)通過模擬轉(zhuǎn)光纖模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光纜從-425 m水平敷設(shè)至-571 m水平破碎控制室，光信號(hào)通過光纖轉(zhuǎn)模擬模塊轉(zhuǎn)換為4～20 mA模擬信號(hào)，4～20 mA模擬信號(hào)接入控制PLC。通過觸摸屏可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場料位顯示；通過網(wǎng)線轉(zhuǎn)光纖模塊、光纜、光纖轉(zhuǎn)網(wǎng)線模塊實(shí)現(xiàn)控制PLC信號(hào)傳輸至地表集中控制室上位機(jī)，具體見圖3。

2.2 下部礦倉料位檢測

礦倉結(jié)構(gòu)見圖1，下部礦倉位于破碎機(jī)破碎腔下方，下部礦倉料位的高低是破碎機(jī)運(yùn)行的重要參考依據(jù)。如果在破碎機(jī)下方安裝一個(gè)物位計(jì)對下部礦倉料位進(jìn)行檢測，破碎機(jī)破礦過程中，破碎后的飛濺礦石可直接將物位計(jì)砸壞，所以不能將物位計(jì)安裝在破碎機(jī)的下方檢測料位。將物位計(jì)安裝于破碎機(jī)破碎腔的上方，方向垂直向下，同時(shí)需要穿過動(dòng)顎板和靜顎板之間的破碎機(jī)排料口才能檢測到下部礦倉料位。

破碎機(jī)破礦時(shí)下落的礦石和破碎腔中正在破碎的礦石直接阻擋物位計(jì)的料位檢測，無法檢測下部礦倉的料位。超聲波物位計(jì)無法透過動(dòng)顎板和靜顎板對下部礦倉進(jìn)行料位檢測。激光物位計(jì)安裝于破碎機(jī)破碎腔的上方，具體安裝位置見后文圖5中激光物位計(jì)1，激光可穿過動(dòng)顎板和靜顎板之間的破碎機(jī)排料口檢測到下部礦倉料位，下部礦倉深度約30 m，選用YKSSR-DV-DC-C-D型激光物位計(jì)，量程為50 m。重板給礦機(jī)每運(yùn)行5 min，停止運(yùn)行20 s，激光物位計(jì)利用這個(gè)時(shí)間即可完成對下部礦倉的料位檢測，具體見圖4。

通過設(shè)定激光物位計(jì)輸出4～20 mA信號(hào)對應(yīng)0～30 m料位，4～20 mA模擬信號(hào)接入控制PLC。通過觸摸屏可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場料位顯示；通過網(wǎng)線轉(zhuǎn)光纖模塊、光纜、光纖轉(zhuǎn)網(wǎng)線模塊實(shí)現(xiàn)控制PLC信號(hào)傳輸至地表集中控制室上位機(jī)。

2.3 破碎腔料位檢測

重型板式給礦機(jī)給礦速度調(diào)整的依據(jù)是破碎腔中料位的高低。重型板式給礦機(jī)給礦的過程對破碎腔中礦石料位檢測造成嚴(yán)重干擾，不利于檢測破碎腔中實(shí)際料位。

在破碎機(jī)的破碎腔中安裝機(jī)械限位開關(guān)，破碎腔中的礦石堆積到一定程度后碰觸機(jī)械限位開關(guān)導(dǎo)致其動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對破碎腔的料位檢測。但是機(jī)械限位開關(guān)在破碎腔中安裝，重板給礦機(jī)給礦過程中礦石容易砸到機(jī)械限位開關(guān)，造成開關(guān)誤動(dòng)作或損壞。該方法不能采用。

在破碎腔的上方安裝一個(gè)物位計(jì)對破碎腔料位進(jìn)行檢測。破碎腔不是一個(gè)封閉空間，超聲波物位計(jì)不適用該環(huán)境。破碎機(jī)破礦過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，會(huì)對料位檢測帶來干擾，使用激光物位計(jì)可滿足檢測精度。重板給礦機(jī)給礦過程中下落的礦石會(huì)阻擋激光照射，造成激光物位計(jì)一直顯示破碎腔處于高料位，不能正常反映破碎腔的實(shí)際料位。在破碎腔上方合適位置安裝一個(gè)激光物位計(jì)對破碎腔料位進(jìn)行檢測，具體安裝位置見圖5中的激光物位計(jì)2，檢測位置在礦石落料軌跡以外，避免給礦過程中下落的礦石對物位計(jì)的影響，實(shí)現(xiàn)對破碎腔料位的檢測。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)字?jǐn)z像頭、數(shù)字硬盤錄像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)光纖模塊、通訊光纖、顯示屏等，具體見圖6。通過數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在井上集中控制室可實(shí)時(shí)查看破碎機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，-571 m水平破碎值班室和地表集中控制室值班人員可隨時(shí)查看重板給礦機(jī)、破碎機(jī)的運(yùn)行情況，在設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，可及時(shí)采取人工干預(yù)，提高系統(tǒng)的安全可靠性，實(shí)際效果見圖7。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Tia Portal V12的中文名為博途V12，它是由西門子開發(fā)的一款自動(dòng)化軟件，它可以有效地完成工程領(lǐng)域中幾乎所有自動(dòng)化的任務(wù)，擁有快速、直觀的特點(diǎn)，大大降低了開發(fā)、調(diào)試的成本，Tia Portal 12是11的升級(jí)版本，包含了STEP7、wincc等組件。

4.1 功能分析

本破碎機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4種操作方式：就地手動(dòng)操作方式、就地自動(dòng)操作方式、遠(yuǎn)程手動(dòng)操作方式、遠(yuǎn)程自動(dòng)操作方式。

就地手動(dòng)操作方式：在井下破碎機(jī)就近的操作室，破碎工人工操作破碎機(jī)的啟停及重板給礦機(jī)的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

就地自動(dòng)操作方式：在井下破碎機(jī)就近的操作室選擇該操作方式后，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成破碎機(jī)的啟停及重板給礦機(jī)的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

遠(yuǎn)程手動(dòng)操作方式：在地表破碎機(jī)遠(yuǎn)程操作室，破碎工人工操作破碎機(jī)的啟停及重板給礦機(jī)的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

遠(yuǎn)程自動(dòng)操作方式：在地表破碎機(jī)遠(yuǎn)程操作室選擇該操作方式后，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成破碎機(jī)的啟停及重板給礦機(jī)的啟停，完成礦石破碎作業(yè)。

4.2 美卓C140顎式破碎機(jī)自動(dòng)控制流程

破碎機(jī)全自動(dòng)啟動(dòng)前，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢查破碎機(jī)啟動(dòng)的前提條件是否滿足：上部大溜井處于高料位，料位未低于料位限制105 m，上部大溜井高料位運(yùn)行是為了減少倒礦過程中礦石對上部大溜井的沖擊，保障上部大溜井的安全運(yùn)行；下部礦倉總高度35 m，下部礦倉料位應(yīng)低于25 m；破碎機(jī)動(dòng)顎體軸承溫度不超過設(shè)定的報(bào)警值；潤滑系統(tǒng)、除塵風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)。如果存在不滿足的情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示故障報(bào)警。操作人員可通過上位機(jī)提示的故障報(bào)警進(jìn)行相應(yīng)處理。所有前提條件滿足，系統(tǒng)未提示故障報(bào)警，操作人員按下啟動(dòng)確認(rèn)，破碎機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，破碎機(jī)的運(yùn)行電壓、電流穩(wěn)定后，系統(tǒng)給出重板給礦機(jī)啟動(dòng)命令，重板給礦機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，向破碎機(jī)破碎腔給礦。物位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測破碎腔中的料位，系統(tǒng)分析破碎機(jī)運(yùn)行電流和破碎腔中的料位，通過自適應(yīng)控制算法，去調(diào)節(jié)重板給礦機(jī)運(yùn)行速度和啟動(dòng)、停止，實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，具體實(shí)現(xiàn)流程見圖8～圖10。

重板給礦機(jī)自動(dòng)運(yùn)行條件：破碎機(jī)處于正常啟動(dòng)狀態(tài)，檢測大溜井料位不低于105 m，小溜井料位不高于25 m，破碎腔中的料位不高于2 m，同時(shí)無其他故障報(bào)警。

4.3 大溜井料位檢測設(shè)計(jì)

在大溜井放礦時(shí)，揚(yáng)起的大量粉塵會(huì)對激光物位計(jì)產(chǎn)生干擾，會(huì)造成檢測料位失真，通過增加濾波功能，可有效解決這個(gè)問題。

通過程序段中功能塊FC1將物位計(jì)輸出的4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)化成大溜井料位，模擬量信號(hào)IW96接入輸入通道I_IN，上限輸入通道I_MAX設(shè)值為140，下限輸入通道I_MIN設(shè)值為0，輸出通道O_OUT_1輸出大溜井料位值，具體見圖11。

4.4 下部礦倉料位檢測設(shè)計(jì)

通過程序段中功能塊FC2將物位計(jì)輸出的4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)化成下部礦倉料位，模擬量信號(hào)IW24接入輸入通道I_IN，上限輸入通道I_MAX設(shè)值為30，下限輸入通道I_MIN設(shè)值為0，輸出通道O_OUT_1輸出小溜井料位值，具體見圖12。

4.5 自適應(yīng)控制分析與研究

實(shí)現(xiàn)重板給礦機(jī)給礦的自動(dòng)控制是破碎機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵。手動(dòng)操作方式下重板給礦機(jī)的啟停和運(yùn)行速度控制，全憑破碎機(jī)操作工通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察破碎機(jī)破碎腔中的實(shí)際料位，作出判斷，調(diào)節(jié)重板給礦機(jī)運(yùn)行速度或者啟動(dòng)、停止。自動(dòng)操作方式下由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重板給礦機(jī)的啟停和運(yùn)行速度控制。破碎機(jī)控制系統(tǒng)對破碎腔中的實(shí)際料位、破碎機(jī)的運(yùn)行電流這兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制算法分析計(jì)算，最終做出重板給礦機(jī)運(yùn)行速度調(diào)節(jié)或者啟動(dòng)、停止的命令。

自適應(yīng)控制方法:依據(jù)確定性等價(jià)原理和分離設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)時(shí)變系統(tǒng)的控制器分為兩步。第一步，將被控對象的參數(shù)設(shè)為已知參數(shù)，按照要求的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)控制器。第二步，使用參數(shù)辨識(shí)對被控對象進(jìn)行估值，最后使用估值參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制［4］。

本系統(tǒng)采用模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）［5］，主要采用一個(gè)模型參考的可調(diào)的輔助系統(tǒng)。用要求的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)參考模型的輸出。將系統(tǒng)實(shí)際輸出的誤差進(jìn)行對比，通過系統(tǒng)調(diào)整，將誤差消除至合理范圍，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖13。

該控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

式中，xp、up、yp分別是破碎機(jī)電流的狀態(tài)向量、破碎機(jī)破碎腔料位控制向量和重板給礦機(jī)運(yùn)行速度輸出向量；Ap、Bp、C分別是具有相應(yīng)維數(shù)的矩陣。

使選定參考模型與被控對象的結(jié)構(gòu)形式一樣，根據(jù)系統(tǒng)要求選定參數(shù)。因此參考模型可設(shè)為

式中，rm、ym、xm分別是參考模型的輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量；Am、Bm是具有相應(yīng)維數(shù)的代表期望性能的矩陣。

系統(tǒng)廣義輸出誤差方程：

式中，ym為模型的輸出，yp為可調(diào)系統(tǒng)的輸出。

系統(tǒng)的廣義狀態(tài)誤差方程：

式中，xm為模型的狀態(tài)向量，xp為可調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)向量。

由上式可得廣義誤差運(yùn)動(dòng)方程為

通過模型參考自適應(yīng)控制算法，在Simulink中構(gòu)建模型參考自適應(yīng)（MRAC）仿真模塊結(jié)構(gòu)，如圖14所示。

系統(tǒng)運(yùn)行曲線圖15中上方曲線為破碎機(jī)電機(jī)電流曲線，中曲線為重板給礦機(jī)電機(jī)電流曲線，下方曲線為破碎腔料位曲線。通過曲線可知當(dāng)破碎腔料位高于設(shè)定值時(shí)，重板給礦機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)破碎腔料位低于限定值后，重板給礦機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。

通過自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了在無人工干預(yù)的情況下，根據(jù)破碎機(jī)破碎腔中的料位和破碎機(jī)運(yùn)行電流，重板給礦機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)給礦啟動(dòng)、停止，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 組態(tài)畫面

組態(tài)軟件選用iFiX軟件。

5.1 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)設(shè)置

系統(tǒng)配置:生成*.SCU文件，文件名默認(rèn)為節(jié)點(diǎn)名，將其保存在系統(tǒng)默認(rèn)的LOCAL文件夾里。系統(tǒng)配置包括SCADA系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)配置、任務(wù)配置等［6］。驅(qū)動(dòng)器通過現(xiàn)場PLC采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至iFIX過程數(shù)據(jù)庫。安裝有iFIX軟件的計(jì)算機(jī)作為節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)從SCADA系統(tǒng)服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。

5.2 主畫面

圖16主畫面描述系統(tǒng)的整體概況，顯示系統(tǒng)的狀態(tài)以及相關(guān)設(shè)備、設(shè)施的主要參數(shù)。

5.3 故障界面

圖17存儲(chǔ)和顯示報(bào)警及故障信息，便于操作人員及時(shí)排查故障原因。

6 應(yīng)用效果

安徽某地下大型金屬礦山3條顎式破碎系統(tǒng)通過自動(dòng)化改造后，將職工從繁重枯燥的機(jī)械重復(fù)式工作中解放出來。操作人員數(shù)量由原來的14人減少至5人，3條顎式破碎系統(tǒng)原來每班配3名破碎機(jī)操作工，改造后由1名工作人員即可完成3條顎式破碎系統(tǒng)的操作，操作內(nèi)容也由原來機(jī)械重復(fù)式操作改為簡單的定時(shí)巡檢。該項(xiàng)目符合智慧礦山的理念，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化了人員數(shù)量。顎式破碎系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，減少了人工干預(yù)，大大降低了因人員操作失誤造成系統(tǒng)故障停機(jī)的概率，體現(xiàn)了“人少則安，無人則安”的理念，具有重要推廣意義。

7 存在的問題及改進(jìn)措施

由于上游采礦場不能控制好出礦粒度，造成大量尺寸超標(biāo)礦石進(jìn)入破碎機(jī)，尺寸超標(biāo)礦石會(huì)卡在破碎腔上方，系統(tǒng)會(huì)檢測到破碎腔料位過高，停止重板給礦，但破碎機(jī)無法將卡在破碎腔上方的礦石破碎，如果不采取人工干預(yù)，破碎機(jī)將一直運(yùn)轉(zhuǎn)下去。據(jù)統(tǒng)計(jì)7 d時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的超尺寸礦石多達(dá)42塊。

需要加強(qiáng)上游采礦系統(tǒng)的管理，減少大塊數(shù)量，同時(shí)避免硬度過大的工業(yè)雜物進(jìn)入大溜井，給破碎機(jī)造成損壞，以保證3條顎式破碎系統(tǒng)全自動(dòng)模式正常運(yùn)行。