基于PLC尾礦輸送管線監測控制系統的設計及應用*

樊 毅

（云南迪慶有色金屬有限責任公司，云南 香格里拉 674400）

目前礦山尾礦輸送主要有兩種：①短距離的離心渣漿泵，常為人工干預的半自動控制使用方式，沒有管道泄漏的異常實時在線監測，存在控制實時性差、可靠性不高、勞動強度大、野外安全環保隱患大等一系列制約安全生產的問題；②長距離的隔膜泵，通常要附加一套專家系統，用于管道泄漏的異常實時在線監測與報警提醒處理，在解決生產安全環保問題的同時，增加了生產成本費用，設備系統利用率降低的新問題。離心渣漿泵輸送特點是適用于短距離、高揚程、成本低、故障率小，可以串級使用，通過串級可以提高輸送揚程，而流量不變。隔膜泵輸送特點是適用于長距離、大流量、成本高、故障率大，只能并聯使用，不能串級使用，通過并聯可以提高輸送流量[1-2]。本案設計的尾礦庫輸送特點是短距離、高揚程，尾礦輸送車間離心渣漿泵出口為最低點，尾礦庫出口區域為最高點。因此本案選用以性價比高的PLC系統為核心，利用多臺離心渣漿泵組成串級泵組，在雙輸送管道上安裝流量計、濃度計、壓力計、閥門等儀器儀表，設計無線收發器APP與電腦客服端功能[3]。實現大高差下高濃度尾礦輸送自動檢測調節控制，雙管道安全實時在線監測，故障切換自動。手機APP或電腦客服端及時掌握現場輸送控制運行狀態，及時對異常情況進行知曉和預處理。減少尾礦輸送系統人工干預操作，提高輸送過程安全性能，避免管理泄漏處理不及時對室外環境造成污染等，整體實現無人值守的尾礦安全輸送自動過程控制[4]。

1 系統設備硬件

以某公司尾礦濃縮輸送處理車間的運輸控制系統為例，該控制系統設計以西門子PLC為基礎，包含：現場傳感器檢測部分、控制器軟硬件部分、執行機構部分，分別由西門子PLC及擴展模塊和通信模塊、西門子觸摸屏（HMI），轉換開關及按鈕和指示燈、壓力、流量、濃度、液位等傳感器、高壓變頻器、高壓開關柜、感應電機等電控元器件單元組成[5-6]。

尾礦濃縮輸送車間的輸送硬件本體設備與檢測控制設備如圖1所示的示意圖。共設計6臺離心泵渣漿泵，分兩組，一備一用，每一組由三臺泵串級組成，兩組串級泵組安裝在尾礦濃縮輸送車間泵池出口，各泵組流程上級接濃縮調節泵池出口，泵組流程下級接數公里輸送管線，管線從車間出來，一直上坡，直達尾礦庫區域放礦高點。尾礦濃縮礦漿入口分別在渣漿泵組的M1和M4泵輸入端，濃縮礦漿通過輸送泵與管道的動力傳送，經過三級泵傳遞和揚程提升疊加，進入室外輸送長管道，最后輸送到尾礦庫區域進行存放和堆壩處理。在每一條輸送管道上均安裝有高壓變頻電機與離心渣漿泵及壓力、流量、濃度、液位等傳感器，急停按鈕等電氣控制元件，通過傳感器的信號反饋到PLC控制系統卡件模塊，進入PLC內部通道，由PLC內部程序進行判斷和全局自動協調控制處理，對其輸送進行自動啟停及調速等情況的程序自動執行，之后輸出指令到高壓變頻電機和高壓開關柜，變頻電機與開關柜自動執行PLC相關控制指令[7-8]，達到車間所有變頻器、開關柜、閥門之間全部協同輸送自動控制目的。同時，通過無線收發器，達到在手機APP或電腦客服端就能及時掌握現場輸送控制運行狀態，及時對異常情況進行知曉和預處理。

圖1 硬件安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware

經過分析，需要硬件裝置包含：包含兩條數公里的輸送管道；離心渣漿泵6臺，高壓變頻器和高壓開關柜各6臺；控制閥5臺，手動閥6臺；壓力計和流量計各7臺；濃度計1臺；液位計1臺；1套PLC（帶HMI及無線收發器），120個I/O點位，20個AI/AO點位，設計預留各類點位20%左右，供后期運行維護備用；急停按鈕、啟停按鈕、指示燈、HMI、聲光報警器、無線收發器、APP等。其控制系統總體方案如圖2所示。

圖2 控制系統總體方案Fig.2 Total scheme of control system

2 PLC檢測控制程序設計

將高壓變頻器和高壓開關柜檢測控制信號及硬件設備接入PLC控制系統[7-8]，通過對PLC軟件進行軟件程序開發，實現對6臺離心渣漿泵的分組變頻自動檢測控制及礦漿的安全輸送檢測處理等，控制系統邏輯框圖如圖3所示，各控制單元設計如下。

圖3 控制系統邏輯框圖Fig.3 Logic block diagram of control system

2.1 輔助設備與流程自動檢測控制單元

輸入輸出信號：6臺離心渣漿泵的減速機、加熱器、潤滑泵均運行正常；濃密機正常運行，濃密機出口泵池液位正常等。

2.2 高壓開關柜與變頻器的檢測與自動控制單元

輸入輸出信號：6臺高壓開關柜的上電、無故障、備妥、遠程、運行，6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠程。

6臺高壓開關柜的上電、無故障、備妥、遠程信號，作為對應高壓開關柜在該設計控制系統上可以進行遠程操作控制啟停的條件，遠程自動與手動控制均需要這些條件才可以操作控制。6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠程信號，作為對應高壓變頻器在該設計控制系統上可以進行遠程操作控制啟停的條件，遠程自動與手動控制均需要這些條件才可以操作控制。另外，高壓變頻器的控制條件還有高壓開關柜的運行信號，否則高壓開關柜不正常運行，變頻器不管備妥與否，均不能啟動運行和調頻控制。系統在準備開機啟動過程中，以上信號均做了聲光報警提醒，信號不正常，及時提醒相關技術人員處理問題。該單元的所有信號均在HMI重點顯示，高壓開關柜和變頻器的6個備妥信號傳送去自動順序啟停過程控制單元和自動檢測與調節輸送控制單元，作為這兩個控制單元能夠自動檢測與控制執行的前提條件。就地機旁啟停不存在以上控制系統設計的邏輯關系；遠程手動方式，可以在HMI上單獨操作每一臺設備，各設備聯鎖條件需要滿足才可以操作，一般作為調試、檢修使用。

2.3 自動順序啟停過程控制單元

輸入輸出信號：6臺高壓開關柜的上電、無故障、備妥、遠程、運行；6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠程、運行；6臺離心渣漿泵的減速機、加熱器、潤滑泵均運行正常。

高壓開關柜的順序遠程自動啟停：每一組3臺高壓開關柜設備的上電、無故障、備妥信號作為其該組泵的每一臺高壓開關柜可以在遠程、自動方式下，在PLC程序里串聯作為每一臺高壓開關柜自動啟動的條件，之后完成延時5 s的順序自動啟動，啟動過程中，順序在前的設備運行信號與延時時間到時信號均參與到后續設備啟動的串聯條件中，如果啟動過程中，有條件信號丟失，則及時聲光報警提醒，啟動失敗，需要技術人員及時處理。條件信號恢復正常之后，才可以再次啟動，啟動順序為流程下游出口離心渣漿泵對應的高壓開關柜、到中間離心渣漿泵對應的高壓開關柜、最后到流程上游入口離心渣漿泵對應的高壓開關柜。正常停車流程與啟動順序相反。

高壓變頻器的順序遠程自動啟停：每一組3臺高壓變頻器設備的上電、無故障、備妥信號反饋給PLC程序，同時，每一臺變頻器對應的高壓開關柜的運行信號發給PLC，此時，可以在遠程、自動方式下，在PLC程序里串聯作為每一臺高壓變頻器自動啟動的條件。每一臺高壓變頻器完成延時5 s的順序自動啟動，啟動過程中，順序在前的設備運行信號與延時時間到時信號均參與到后續設備啟動的串聯條件中，如果啟動過程中，有條件信號丟失，則及時聲光報警提醒，啟動失敗，需要技術人員及時處理，條件信號恢復正常之后，才可以再次啟動。啟動順序為流程下游出口離心渣漿泵對應的高壓開關柜對應的高壓變頻器、到中間離心渣漿泵對應的高壓開關柜對應的高壓變頻器、最后到流程上游入口離心渣漿泵對應的高壓開關柜對應的高壓變頻器。正常停車流程與啟動順序相反。就地機旁啟停不存在以上控制系統設計的邏輯關系；遠程手動方式，可以在HMI上單獨操作每一臺設備，各設備聯鎖條件任然需要滿足才可以操作，一般作為調試、檢修使用。

在高壓開關柜與高壓變頻器均自動啟動正常運行的情況下，將其泵組正常運行信號串聯作為本單元的準備好信號發給PLC程序，作為條件傳送到自動檢測與調節輸送控制單元，作為其自動檢測與調節輸送控制的前提條件。

2.4 自動檢測與調節輸送控制單元

輸入輸出信號：6臺高壓開關柜的上電、無故障、備妥、遠程、運行；6臺高壓變頻器的上電、無故障、備妥、遠程、運行；6臺離心渣漿泵的減速機、加熱器、潤滑泵均運行正常；濃密機運行正常，濃密機出口泵池液位正常。

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在前面輔助設備與流程自動檢測控制單元、高壓開關柜與變頻器的檢測與自動控制單元、自動順序啟停過程控制單元均完成自動檢測控制且正常運行之后，其各單位的準備好信號均送到本單元，及濃密機正常運行，濃密機出口泵池液位正常信號，作為自動檢測與調節輸送控制的前提條件，該控制單元的控制邏輯框圖如圖4所示。

圖4 自動檢測與調節輸送控制單元的控制邏輯框圖Fig.4 The control logic block diagram of automatic detection and adjustment of convey control unit

管路的開機啟動輸送疏通自動檢測控制過程。在選擇的運行泵組投入運行后，將根據尾礦輸送管路終端出口處的礦漿流量，判斷輸送管路是否已經打通。整個管路的打通過程，對各泵的使用頻率要求較高，基本上保持在頻率40 Hz運行，直到打通之后，通過管路出口有流量，且流量穩定不變之后，控制系統自動進行降頻率運行處理，頻率降到礦漿輸送過程的實時自動運行檢測調節區域，因為每次正常停機之后，將會對管路進行打水清潔，但是難免有清洗不到位，留下的管路干礦形成開機管路阻力，另外，在故障停機之后，由于輸送系統不能及時完成管路清洗，也會產生更大的開機管路阻力[9]。

管路的正常運行輸送自動檢測與調節控制過程。管路疏通后，自動切換到該功能下運行。經過長期使用探索，上級流程不管工藝參數指標波動與否，經過大型濃密機超大空間緩沖穩定和絮凝劑的添加處理之后，尾礦輸送礦漿濃度始終在輸送泵池能保持55%以上的粗調值（該調節控制不在本設計范圍）。同時，經過輸送泵池是液位補加水的細調節，這時，目標濃度設定值和實際濃度反饋與控制水閥形成PID的負反饋自動調節控制[10-11]，同時，濃密機底流濃度實時檢測值為前饋信號，在與其形成前饋負反饋自動調節控制。通過該環節的控制模型設計可以很好地將最終尾礦輸送礦漿濃度控制在55%。這時的尾礦輸送礦漿的泵組頻率給定控制在35 Hz為最佳，其設定范圍在（30～40）Hz之間，這時頻率的給定和反饋作為負反饋控制PID調節控制[10-11]，實現頻率的穩定運行，因為泵組的三臺離心渣漿泵性能選擇完全一致，目標完全一致，因此控制頻率必須同步且一致。對頻率的目標值限定，主要因素有：①頻率過高，對系統設備沖擊過大過長，導致機械性能快速下降，不利于系統設備長期運行，會造成系統設備機械故障頻發，嚴重耽誤正常生產；②頻率過小，達不到尾礦礦漿輸送目的，反而會對一直上坡的輸送管路及設備形成回落、后坐力沖擊，對系統設備及人的安全存在嚴重安全隱患，對車間環境形成不必要的污染。

管路的運行過程中故障切換處理。泵組配合其出口前端控制閥門共同完成，在控制閥門無故障，能正?？焖匍_關，以及備用泵組處于熱備狀態前提條件下，正在運行的泵組管理出現故障時，聲光報警提醒技術人員注意處理相關問題，同時，系統及時自動開關閥門，迅速啟用備用泵組，在新的泵組和管路上，經過以上開機啟動輸送疏通自動檢測控制過程，管路正常運行輸送自動檢測與調節控制運行得到自動切換，進行新的尾礦高濃度礦漿輸送。如果備用泵組及其出口前端控制閥門不正常，那將立即故障停機，聲光報警提醒及時問題處理。輸送管路的清洗需要操作人員根據系統設備的檢修實際情況，選擇時間單獨操作完成，之后才可以進入新一輪的自動輸送控制使用過程。

2.5 管道輸送安全在線實時監測處理單元

通過對管路上各點的流量和壓力的實時監測，實現對管路環境的保護和及時預警。若某點出現瞬間的壓力、流量的大波動超過波動設定值，PLC系統通過濾波鉗位處理程序，自動判斷大波動的波動值和持續時間，如果大波動觸發持續超過時間設定值為5 s以上，則認為可能存在管道泄漏等異常情況發生，及時觸發系統聲光報警，否則系統自動判斷為非異常，不需要做任何處理。在發出聲光報警提醒，提示該段管路管道異常，存在泄漏可能，需要崗位人員和維護人員及時排查處理異常，同時，PLC控制系統的HMI通過無線收發器通訊，將異常信息及時推送到區域負責人、崗位操作人員、維修人員的手持點巡檢設備終端和手機終端上，對應人員通過管路沿線視頻監控的電腦或手機APP等終端直觀快速判斷異常情況是否屬實，提前進入準備狀態。同時系統自動進入輸送管道故障切換處理單元的確認環節，備用輸送線路的泵組和管道被及時喚醒，處于就緒等待運行狀態，在用管線異常檢測判斷終端確認后，備用泵組和管路及時完成自動切換與投入運行，故障管線進入無負荷的檢修狀態，由機修人員進行停機檢修故障處理，處理完畢后自動進入備用狀態。這樣有效避免管路泄漏處理不及時對周邊生態環境造成污染，也有效避免了故障發生時，操作處理長時間停機和開機的生產不連續，確保了生產的高效持續運行。其控制單元的控制邏輯框圖如圖5所示。

圖5 管道輸送安全在線實時監測處理單元控制邏輯框圖Fig.5 The control logic block diagram of on-line monitoring handling unit of pipeline convey

3 應用效果

某公司的尾礦處理是將尾礦進行濃縮，提高濃度，然后通過離心泵將高濃度的尾礦輸送到2 km之外的尾礦庫區域，尾礦庫區域與尾礦濃密機出口處的高差約1 000 m左右，濃密機出口均為30°～50°的上坡輸送。該尾礦輸送的原有系統基建投用以來，無管道泄漏監測，無自動檢測調節輸送控制，為人機旁工啟停，輸送兩端靠人工觀察對講來手動調節，存在控制實時性差、可靠性不高、勞動強度大、野外環境污染隱患大等一系列制約安全生產的問題。

為了更好地解決以上問題，最終選擇應用以性價比高的PLC系統為核心，配置6臺離心渣漿泵，分兩組串級自動變頻，對室內外2 km雙輸送管道上安裝流量計、濃度計、壓力計、閥門等儀器儀表的整體系統設計，實現尾礦輸送全流程自動檢測控制及管道安全實時在線監測與切換控制。減少尾礦輸送系統人工操作，提高輸送過程安全性能。避免管理泄漏處理不及時對室外水土環境造成污染，整體實現無人值守尾礦安全輸送自動過程控制。本設計系統功能包含：手/自動控制與切換、實時及歷史記錄和趨勢、運行狀態監視、參數設置、聲光報警、系統報表等功能。

該控制系統在完成設計、實施和投入運行使用以來，獲得了以下的應用效果：

1）該控制系統選用性價比高的PLC進行編程設計，低成本實現大高差下高濃度尾礦輸送自動檢測調節控制，徹底解決了在高濃度尾礦輸送車間的系統設備頻繁停機，人工操作干預頻繁等問題；

2） 通過PLC及HMI編程，無線傳輸、電腦及手機APP終端監控配合的形式，開發系統在線點對點報警提醒與監控功能，能及時準確直觀判斷異常情況，避免額外的尾礦輸送管道泄漏在線監測專家系統增加建設，減少了生產系統維護故障節點，最大限度地節約了生產成本；

3）尾礦輸送工序整體實現無人值守全自動運行，避免了人工操作頻繁，降低了崗位操作人員勞動強度；

4）雙輸送管道安全實時在線監測與故障自動切換，避免了人工操作處理與點巡檢不及時、不徹底的情況下，渣漿泵、管道、閥門等系統設備異常發生時，不能及時掌握和排查處理，徹底解決了尾礦輸送區域周邊環境的安全環保隱患問題。

4 結語

1）基于PLC系統平臺的尾礦輸送全流程自動檢測控制與輸送管道安全實時在線監測的系統設計應用，解決了傳統輸送礦山離心泵輸送方式無實時在線檢測控制的問題，它具有安全、高效、成本低的特點；

2）該系統特別適合在大高差、非超長的尾礦輸送離心泵設備不帶在線檢測監控系統時應用。