中国水利水电第九工程局有限公司 贵州贵阳 550081
摘要：由水电九局自行设计施工的乌江沙沱电站左岸人工砂石系统，采用半干式制砂工艺智能化运行，本文阐明了该砂石系统生产控制采用自动化控制技术、产品质量控制采用智能化控制技术的设计思路，以及投产后砂石料产品质量数据说明该系统的运行效果。
关键词：沙沱砂石系统；自动化控制；智能化控制；产品质量分析
1 概述
1.1 工程简介
沙沱水电站是乌江干流梯级开发方案中的第九级，是乌江干流在贵州省境内的最后一个梯级水电站。本电站装机4台，总装机容量1120MW。沙沱水电站大坝属碾压混凝土重力坝，工程总计有混凝土270.8万m3，其中常态混凝土119.73万m3，碾压混凝土151.07万m3，工程建设总工期5年零6个月。
1.2 料源情况
沙沱水电站左岸人工砂石加工系统所需的加工料源72％（约210万m3）取至蚂蟥湾料场，28％（约130万m3）取至水淹坝渣场。蚂蟥湾料场位于左岸坝址上游2.47Km处，面积175713m2，两个山坡以蚂蟥湾冲沟相隔。
蚂蟥湾料场开采地层为O1h厚层、中厚层灰岩，含少量燧石结核和条带；O1t 地层中厚白云质灰岩，含少量燧石团块。岩层产状N50°E，NW∠7°～N30°W，NE∠10°。采料范围内包括f1、f2两条断层；夹层主要有J4，瘤状泥灰岩夹泥岩，厚1.8m；裂隙两组，以方解石脉胶结为主。溶蚀深度约8m，弱风化深度与强溶蚀底界相当。
1.3 系统任务及规模
沙沱水电站左岸上游人工砂石料加工系统主要承担沙沱水电站主体工程和主要临建工程270.80×104m3混凝土所需砂石料的生产任务。共需制备砂石骨料约595.76×104t，其中碎石（特大石、大石、中石、小石）387.24×104t，砂208.52×104t。砂石加工系统设计规模为粗碎处理能力1500t/h，成品骨料生产能力为1150t/h，满足沙沱水电站高峰月浇筑强度15万m3万混凝土所需的砂石骨料。
2 砂石加工系统描述
沙沱砂石系统由粗碎、一筛中碎、骨料筛分、制砂、砂筛分、供排水系统、成品砂石骨料出口输送几个部分组成，生产砂石骨料粒径为砂0~5mm，小石5~20mm、中石20~40mm、大石40~80mm、特大石80~120mm，由于本标只要求加工系统能生产特大石，无生产强度要求，系统设计按能够生产四级配和主要生产三级配混凝土用骨料设计。
粗碎车间至半成品料仓运距815m（皮带机运输距离），与中碎成品生产没有设备连接逻辑关系，另外，成品砂石骨料输送也与中碎成品生产无设备连接逻辑关系，因此，沙沱砂石系统电控分三个系统布置：粗碎电控系统、中碎电控系统、出口输送计量系统。
2.1粗碎系统设备
粗碎系统由三台棒条式振动筛、三台反击式破碎机、1~4#皮带机共11台设备组成。
2.2中碎系统设备
2.2.1一筛中碎系统
一筛中碎由12台振动给料机、4台反击破碎机、8台圆振筛、2台脱水筛、4台洗泥机、5~22#皮带机共48台设备组成。
2.2.2制砂及砂筛分系统
制砂及砂筛分系统由4台PL9500立轴式制砂机、4台圆振筛、1台高频筛、14台振动给料机、2台PL8500高速立轴式制砂机、5台皮带称、2台吸尘装置、1台含水检测仪、23~41#皮带机52台设备组成。
2.2.3供排水系统
供水系统由高位水池直接供水，其中所列设备均为污水循环处理设备，由2台螺旋分极机、1台链板式刮砂机、1台脱水筛、1台盘式真空式过滤机、1台泥浆净化装置、2台清水泵、4台渣浆泵、3条皮带机共14台设备组成。
2.3成品出口皮带输送系统
成品砂石骨料出口皮带输送系统由2台振动给料机、25个气动弧门、2条皮带机共29套设备与拌和系统进料设备连接。
3 电气系统设计依据及原则
3.1系统设计依据
本设计方案是根据沙沱水电站人工砂石系统工艺流程图及现场实际情况，结合水电九局公司多年来对砂石系统自动化系统集成的工程经验总结编制而成。
3.2系统设计原则
系统的电气设计必须确保运行安全、稳定、可靠，并使运行效率达到最优，自动化率达100%，在充分保证系统功能的基础上具备最佳的性能价格比；智能化系统运行可靠，保证成品砂石骨料质量稳定，成品合格率100%。
4电气控制系统整体方案
根据沙沱砂石系统工艺流程及运行特点，我们把系统分为三个子系统进行设计，粗碎至半成品仓系统设备单一，与中碎系统距离远，在设备控制运行中无逻辑关系（由于半成品仓相隔）。另外，成品砂石骨料出口输送系统由于有成品料仓相隔，与砂石骨料生产设备运行控制无逻辑关系，三个子系统分为粗碎系统、中碎系统、砂石骨料出口皮带输送系统。粗碎系统电控设计采用常规继电器控制回路来启/停该系统设备，砂石骨料出口皮带输送系统与拌和楼系统连接，电气设计采用常规继电器控制回路，因此，粗碎系统和砂石骨料出口皮带输送系统在本文中只作简单工艺介绍。
5中碎电气控制系统
中碎电气控制系统分为三层，即工控机+PLC集中控制系统、设备启动控制柜、现场紧急停机按钮操作箱。在设备启动柜内完成单个设备主接线布设、常规继电器“启/停”控制回路，现场紧急停机按钮由常规继电器控制回路引出，作为设备及运行人员安全保障，正常运行指令顺序由中央控制台工控上位机→通讯连接PLC→设备启动控制柜。
5.1设备启动控制柜
（1）设备启动控制柜电气控制是驱动设备最原始控制接线单元，柜内组装电机主接线及二次回路控制接线；设备启动控制柜位于中碎车间配电室，根据供配电原理，中碎车间配电室配置有进线柜、电容补偿柜、外接开关柜，所有开关柜采用GGD结构柜顶母线连接，因篇幅有限，未列出中碎车间配电室主接线图。
（2）设备启动控制柜按启动方式分四种：直接启动、星三角启动、频敏启动、软启动。由于高压供电电源（变电站）就在砂石系统附近，对于驱动单元功率在30kW及以下的控制设备采用直接启动；对于驱动单元功率在30kW以上的控制设备采用星三角启动；根据电机结构，部分转子为绕线式的电机采用转子外接频敏电阻启动；立轴式制砂机因特殊的机械重负荷启动采用变频软启动，制砂、粉砂给料机采用变频调速。
5.2工控机+PLC集中控制系统
（1）PLC控制系统主要实现各设备的逻辑控制编程、控制程序运行、数模转换、与设备启动柜端口连接功能，为保证自动运行稳定可靠，减小通讯故障机率，沙沱砂石系统中碎车间工艺流程合理，设备选型及布置集中合理，控制室采用集中布置，控制室修建为二层楼砖混结构，一楼布置电源进线柜、电容补偿柜、设备启动控制柜，二楼布置为中央控制室，主要布置工控机集中操作台和PLC柜。沙沱砂石系统用PLC主要硬件包含有：电源模块、通讯模块、存贮器及中央处理器、I/O端口模块及主板，PLC选型主要参数为I/O点数量，沙沱砂石系统中碎车间I/O点统计表见表1。选择NA系列可编程控制器，由南大傲拓科技有限公司自主设计与研发，汲取了国际主流PLC的成功经验，改进了其不足之处，瞄准了当今PLC的最新发展方向，采用了计算机、通信、电子和自动控制等方面的国际先进技术，在CPU操作系统、I/O信号处理、网络通讯、软件开发及生产工艺等方面具有优越的性能，是适用于各种自动化控制的可编程控制器。NA400 PLC是对传统PLC功能的极大提升，其组网的灵活性、系统平台的开放性、编程软件的灵活性以及智能性可使复杂的控制项目得以完美地实现。详见表1。
（2）工控机即工业控制计算机，是实现人机对话的主要工具（有工控机一般不配置PLC手动编程器），是自动控制中央处理单元，与PLC相对应通讯协议连接，在计算机上使用VB编程语言编辑PLC控件程序库传送于PLC存贮器内，即完成PLC编程。沙沱砂石系统中央控制工控机模拟中碎车间设备运行工艺流程，着色区分启/停、故障状态，贵重设备运行数据监控，以及为保证成品砂石骨料质量由九局公司自行研制发明的智能化控制系统运行数据监控。
6智能化控制系统
沙沱砂石系统采用半干式制砂工艺智能化人工制砂控制技术，解决了过去人工砂细度模数、石粉含量和含水率调整困难的问题，保证人工砂的各项指标处于受控状态，并使人工砂的细度模数、石粉含量和含水率实现自动控制。
6.1人工砂细度模数控制原理
细度模数是人工砂的级配比例曲线，沙沱砂石系统生产用砂为中砂，粒径控制为≤5mm，细度模数计算式：F.M=[（A1+A2+A3+A4+A5+A6）－5A1]÷（100－A1），式中A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为5.0mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.32mm、0.16mm各筛上的累计筛余百分率，立轴式制砂机制砂特性为2.5mm筛余偏多，在生产过程中采用剔除部分2.5mm粒径通过高速制砂机二次破碎进行调节，因此细度模数控制通过PLC对制砂车间和粉砂车间进料胶带机上的皮带秤的瞬时给料量，发出控制速度指令，调整粉砂车间的给料速度和进料量，其控制流程：上位机输入成品砂产量→计算并控制制砂机进料皮带机转速→计算并控制粉砂车间进料皮带机转速→调节制砂机给料机、粉砂车间给料机的变频器自动调节进料给料量，也就是自动调节制砂车间和粉砂车间掺和砂量比例。
6.2人工砂石粉含量控制原理
自动控制系统根据其检测到的制砂车间进料胶带机的速度和制砂车间皮带秤瞬时进料量，由PLC通过设置的扬粉量大小控制变频器转速及轴流风机的供风强度，从而调整了系统的扬粉量，达到改变了成品砂石粉含量的目的，控制流程：上位机给定人工砂含粉量→PLC自动计算控制轴流风机变频速度→轴流风机变频调速。
6.3人工砂含水率自动控制原理
PLC自动控制系统根据其检测到的制砂车间进料皮带机速度和制砂车间皮带秤瞬时进料量及砂含水率检测数据作为控制系统的前馈系统，设定含水率作为控制的目标值，在自动控制系统里属于反馈PID+前馈控制系统来控制电磁阀的开度，调节制砂料源含水率，完成对成品砂含水率稳定控制。
7砂石产品质量
7.1骨料质量（见表2）
8结语
本文以工艺流程和设备配置为基础，结合人工砂石系统稳定运行、保障产品质量为条件进行砂石系统电气控制设计，提出在流水性作业系统中电气自动化控制设计必须熟悉了解生产系统工艺性能以及局部设备性能为重点。沙沱水电站砂石系统自2007年4月9日系统建成投产后，经过单机及满负荷生产调试，已正常运转5年多，从成果表中可以看出，生产产品的质量完全满足水工混凝土砂石骨料的质量标准。
论文作者:吴杰
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第14期
论文发表时间:2019/12/17
标签：砂石论文; 系统论文; 骨料论文; 设备论文; 车间论文; 进料论文; 成品论文; 《建筑细部》2019年第14期论文;