自動化在磨礦分級過程控制中的應用

辛智娟

【摘 要】 磨礦分級過程是一個復雜的循環系統，各種外界干擾因素眾多。磨礦分級過程慣性大，純時滯長，非線性嚴重又有時變性，機理比較復雜，單憑人工操作難以達到理想的效果，這就迫切要求對磨礦分級過程進行自動控制。

【關鍵詞】 磨礦分級 模糊控制 PLC 模糊PID PROFIBUS

【Abstract】 The grinding-classification process is a complex circulatory system，each external interference influence factor is multitudinous. At the same time， grinding-classification process has a large inertia， very long pure lag time， the non-linearity serious and sometimes has the denaturation. the mechanism quite is complex. So it only depends on the manual control to achieve with difficulty the ideal effect and that urgent need to carry on the automatic control to the grinding-classification process.

【Key words】 grinding-classification fuzzy control PLC fuzzy PID PROPIBUS

1 引言

磨礦分級過程是一個復雜的循環系統，各種外界干擾影響因素眾多，礦石的性質、磨礦濃度、介質充填率、磨機轉速率、料球比、返砂量、分級效率、介質配比、介質形狀等等都會對磨礦作業產生較大影響。同時，磨礦分級過程慣性大，純時滯長，非線性嚴重又有時變性，機理比較復雜。人工操作時，由于人的觀察能力和精力有限，不可能適時地、準確地調整操作參數。于是人工操作時不得不采用降低磨礦分級機組效率的操作方法，以求得在干擾幅度較小時工況正常。然而，在干擾幅度較大時，仍難免造成操作事故，作業過程大起大落，球磨機或“脹肚”（過負荷）“空砸”（欠負荷），分級機不是跑粗就是返砂過量，并且形成惡性循環，嚴重影響磨機和分級機組的效率的發揮，造成了能耗的增加，提高了企業的成本。這就迫切需要對磨礦分級過程進行自動化控制。

1.1 影響磨礦分級因素的概述

要想控制好磨礦分級過程，就得對磨礦分級的運行特性有深入了解，以下就對磨礦分級的特性作一分析。

磨礦分級過程是一個非常復雜的系統，影響因素多、干擾大、過程長、滯后大。眾多影響因素中，屬于物料性質方面的有：礦石性質，給礦粒度，礦石含泥量、含水量，產品細度；厲于磨機結構方面的有：磨機規格、型式，襯板；屬于操作方面的有：介質充填率、磨機轉速、返砂比、分級效率、礦漿的濃度、粒度、 溫度以及礦漿的化學成分。此外，還有很多隨機干擾因素。這些影響因素本身又相互影響，如溢流濃度直接影響著返砂量，進而影響磨機裝載量，再又影響磨機排礦量，磨機的排礦量又對分級溢流濃度及產品細度有影響。上述諸多因素的多變性及隨機性大大增加了最優化問題解決的難度。必須對各影響因素進行深入研究和分析，才能取得有效的控制。

1.2 影響磨礦分級的其他因素

物料性質、給礦粒度和產品粒度是一類影響磨機生產率的因素。物料性質可通過礦石的可磨性系數來反應，可磨性系數是與礦石的機械強度，嵌布特性和磨礦比等有關。礦石越硬，可磨性越小，磨細它所消耗的能量越多，這樣磨機的處理能力會下降。給礦粒度越粗，需要磨礦的時間越長，將它磨到規定細度所消耗的能量也越多，生產率會越小。磨礦產品的粒度還直接影響選別的指標，磨礦產品過粗，有用礦物和脈石沒有充分的分離，太細又引起過粉碎，兩種情況都會使選別的指標降低。

鋼球的添加量，鋼球的磨損情況以及襯板的磨損情況對球磨機的運行特性都會有影響力。當鋼球按一定的配比添加時，球磨機的處理能力隨鋼球的添加而增加。當達到一定程度后，出現最大值，此時對應鋼球的最佳添加量，此后若再添加，球磨機的處理能力將下降。

礦漿的流變特性對磨礦效率也有很大影響。隨著筒體濃度的增加，礦漿的流變特性由膨脹型過渡到假塑型，這對生產指標影響很大，與此同時，礦漿流速也會發生顯著變化。本文以巴潤公司磨礦分級為研究對象，討論自動化在巴潤公司磨礦分級過程控制中的應用。

2 磨選工藝流程介紹

巴潤的磨選分成4個系列，每個系列磨礦流程相同，為階段磨礦階段選別工藝流程。每個系列的子系統在控制上形成了全流程控制的各個反饋環節，繼而實現整個工藝流程的大閉環優化控制。

選礦設計采用了磁選—浮選聯合選礦工藝流程，其中包括四段弱磁、一段中磁、一段濃縮磁選和降硫反浮選。選礦指標為鐵精礦品位TFe=67.5%，S<0.18%，回收率66.17%。

磨礦倉內的礦石經皮帶機給入第一段φ5.0×6.4m溢流型球磨機，球磨排礦給入φ610×6旋流器組進行一次分級，旋流器沉砂返回球磨形成閉路磨礦；旋流器溢流進入弱磁一CTB1230弱磁選機，弱磁一尾礦進入中磁CTB-1230中磁選機進行選別，其精礦和弱磁一精礦進入二次分級設備φ350×8水力旋流器組進行二次分級，旋流器沉砂進入第二段φ5.0×6.4溢流型球磨機，磨礦后礦漿再返回旋流器組分級，旋流器和磨機形成閉路；旋流器分級溢流進入弱磁二CTB-1230弱磁選機，弱磁二精礦進入2SG48-60W-5STK五路重疊式高頻細篩進行分級，篩上進入NCT-1230濃縮磁選機，濃縮磁選精礦進入第三段φ4.3×6.1溢流型球磨機，磨礦后礦漿再返回2SG48-60W-5STK五路重疊式高頻細篩進行分級，細篩和磨機形成閉路；其篩下進入弱磁三LCTJ-1230弱磁選機，弱磁三精礦進入弱磁四進行精選，弱磁四精礦進入脫硫浮選作業。endprint

3 磨礦系統的控制方式

通過對巴潤公司磨選系統進行長時間的多種方案的現場調試，最終確定了以濃度控制為主線的磨礦分級系統。巴潤公司的磨選作業為階段磨礦階段選別作業，將磨選分級系統劃分成一段磨礦分級控制系統、二段磨礦分級控制系統、三段磨礦分級控制系統。在分成的3段磨礦控制系統中，從工藝流程可以看出一、二段分級機用的是旋流器組，三段用的是高頻細篩。對于一、二段的旋流器磨礦分級控制系統而言，當一段旋流器的分級溢流濃度、弱磁一的給礦泵池濃度、二段旋流器的給礦泵池濃度、三段細篩的給礦泵池濃度控制好后，則對應分段的磨選分級控制系統就會達到動態平衡狀態，當分成的3段磨礦控制系統達到動態平衡后，再對整個系統的設置參數作微調就達到全磨選系統的平衡，從而保證設備的利用率達到最大，鐵精礦產品合格率最高。

3.1 一段磨礦控制分析

3.1.1 一段磨礦濃度和給水量的控制

我們可以建立濃度控制的系統框圖如（圖1）。

1）從濃度控制框圖可以看出，首先要進行的就是給礦量的控制，給礦量的大小直接影響到球磨機的運行效率，給礦量過大，球磨可能發生脹肚，給礦量過小，影響生產，不利于設備運行效率的提高，為此我們設計以下模型保證球磨機的最佳運行狀態（圖2）。

2）從濃度控制框圖可知，一段磨礦分級系統的總給水量包含給礦水、一次分級給礦泵池補加水、一段球磨機的排礦水以及一次旋流器的沉砂沖洗水。一次旋流器的沉砂沖洗水量一般是人工確定大小，只要保證沉砂不在旋流器中堵住就可以了。給礦水的大小控制則需要根據球磨機的最佳運行濃度來確定。如果給礦量的數據已知，濃度的設定值已知，則補加水量可以根據濃度的公式很容易計算出。通過對巴潤現場的實際情況分析可知，一段球磨機的排礦水和一次分級泵池的補加水比例在7：3比較合適，這樣一段磨礦系統的補加水控制就基本確定，

通過上面的分析，一次分級補加水已經確定，則根據比例關系一段球磨機的排礦水、一段旋流器給礦泵池補加水就確定了?？刂茍D如（圖3）。

考慮到整個一段系統的動態控制，我們還將一次旋流器上的壓力因素也參與到一段球磨給礦水的修正控制中。我們通過對現場的觀察，記錄壓力、給礦水的一系列數據，然后選取其中最合適的兩組數據，可以建立壓力與修正給礦水的一元一次方程的對應關系，當然僅僅通過壓力修正給礦水量還不夠，為了防止意外，我們還可以加入一人工修正值，通過對人工修正值的更改，使一段球磨系統達到最佳運行狀態。通過以上分析我們得出一段球磨給礦水的控制系統圖如（圖4）。

3.1.2 磨機工作效率隨磨礦濃度的變化情況

根據對球磨機的運行狀態觀察可知，當球磨機的裝載量不變時，球磨機的磨礦工作效率是隨著磨礦濃度的變化而變化的。它們之間的關系特性曲線如圖所示。開始時，球磨機的磨礦效率隨著磨礦濃度的增大而增大，但達到一極值后，再增加磨礦濃度，球磨機的效率反而會下降，對應于有功功率最大值的磨礦濃度就是最佳磨礦濃度，也即圖中的P點處。所以磨礦濃度是一個對磨機運行有重要影響的因素，需對它進行有效控制。巴潤選廠根據實際運行效果磨礦濃度P點控制值為80%（圖5）。

3.1.3 一段磨礦的泵的控制

從磨礦系統的工藝流程圖看出在一段磨礦和二段磨礦之間涉及到過程控制的還有弱磁1給礦泵池水位控制，弱磁1給礦泵頻率控制。在所有的泵池（一次分級給礦泵池、弱磁1給礦泵池、二次分級給礦泵池、三次分級給礦泵池）控制中我們都考慮到自動過程控制出現意外情況的處理方式，在泵的控制上分成遠程手動和遠程自動控制。遠程手動控制就是手動設定泵的變頻器的頻率，遠程自動控制就是根據液位控制泵的變頻器頻率。遠程手動控制可以保證當遠程自動控制出現問題時操作員根據操作經驗輸入合適的頻率，保證系統的連續生產，在找出遠程自動控制出現的問題后再切回到遠程自動控制。弱磁1給礦泵頻率控制系統圖如（圖6）。

在整個磨選系統中其控制思想是以濃度控制為主，對于弱磁1給礦泵池的給礦濃度是通過調節弱磁1給礦泵池的補加水系數來調節的，通過對系數的不斷修正使整個系統達到最佳運行狀態?？刂葡到y圖如（圖7）。

3.2 二段磨礦控制

二段磨礦控制的主要控制對象包含：二段球磨機排礦水、二次分級給礦泵池的補加水、二次分級給礦泵變頻器頻率。二次分級給礦泵變頻器頻率控制方式與一次分級給礦泵變頻器頻率控制相同，在此不在贅述。

3.3 三段磨礦控制

三段磨礦控制的主要控制對象包含：三段球磨機排礦水、三次分級給礦泵池的補加水、三次分級給礦泵變頻器頻率。對于三段磨礦的這幾個控制對象，控制方式基本與前面的相同，此處不再重復。

整個磨礦系統采用“化整為零“的控制方式，對分出的小控制系統先進行調節，再調節整體，當整個系統達到動態穩定狀態后可以看出，各給礦泵池的液位基本保持不變，在保證最終精礦產品質量的前提下，充分發揮了設備效率。 保證生產系統的連續、穩定和高效運行。通過優化控制實現了選廠生產磨礦處理能力和金屬回收率最大化。

4 結語

巴潤公司選礦控制系統工程于2009年6月現場開始施工、安裝、調試，2010年6月份全面投入運行。直到現在運行3年來，無論在控制精度、穩定性以及其它控制質量指標方面都取得了良好的控制效果。全流程控制系統界面友好，操作簡單，在降低工人勞動強度和提高設備運行率方面也取得明顯的成效，尤其是磨選全流程自動控制系統的應用，它能為提高選廠生產效率、產品質量、節能降耗、提高選礦現代化科學管理和數字化管理發揮主要作用，帶來顯著的經濟效益。endprint

3 磨礦系統的控制方式

通過對巴潤公司磨選系統進行長時間的多種方案的現場調試，最終確定了以濃度控制為主線的磨礦分級系統。巴潤公司的磨選作業為階段磨礦階段選別作業，將磨選分級系統劃分成一段磨礦分級控制系統、二段磨礦分級控制系統、三段磨礦分級控制系統。在分成的3段磨礦控制系統中，從工藝流程可以看出一、二段分級機用的是旋流器組，三段用的是高頻細篩。對于一、二段的旋流器磨礦分級控制系統而言，當一段旋流器的分級溢流濃度、弱磁一的給礦泵池濃度、二段旋流器的給礦泵池濃度、三段細篩的給礦泵池濃度控制好后，則對應分段的磨選分級控制系統就會達到動態平衡狀態，當分成的3段磨礦控制系統達到動態平衡后，再對整個系統的設置參數作微調就達到全磨選系統的平衡，從而保證設備的利用率達到最大，鐵精礦產品合格率最高。

3.1 一段磨礦控制分析

3.1.1 一段磨礦濃度和給水量的控制

我們可以建立濃度控制的系統框圖如（圖1）。

1）從濃度控制框圖可以看出，首先要進行的就是給礦量的控制，給礦量的大小直接影響到球磨機的運行效率，給礦量過大，球磨可能發生脹肚，給礦量過小，影響生產，不利于設備運行效率的提高，為此我們設計以下模型保證球磨機的最佳運行狀態（圖2）。

2）從濃度控制框圖可知，一段磨礦分級系統的總給水量包含給礦水、一次分級給礦泵池補加水、一段球磨機的排礦水以及一次旋流器的沉砂沖洗水。一次旋流器的沉砂沖洗水量一般是人工確定大小，只要保證沉砂不在旋流器中堵住就可以了。給礦水的大小控制則需要根據球磨機的最佳運行濃度來確定。如果給礦量的數據已知，濃度的設定值已知，則補加水量可以根據濃度的公式很容易計算出。通過對巴潤現場的實際情況分析可知，一段球磨機的排礦水和一次分級泵池的補加水比例在7：3比較合適，這樣一段磨礦系統的補加水控制就基本確定，

通過上面的分析，一次分級補加水已經確定，則根據比例關系一段球磨機的排礦水、一段旋流器給礦泵池補加水就確定了?？刂茍D如（圖3）。

考慮到整個一段系統的動態控制，我們還將一次旋流器上的壓力因素也參與到一段球磨給礦水的修正控制中。我們通過對現場的觀察，記錄壓力、給礦水的一系列數據，然后選取其中最合適的兩組數據，可以建立壓力與修正給礦水的一元一次方程的對應關系，當然僅僅通過壓力修正給礦水量還不夠，為了防止意外，我們還可以加入一人工修正值，通過對人工修正值的更改，使一段球磨系統達到最佳運行狀態。通過以上分析我們得出一段球磨給礦水的控制系統圖如（圖4）。

3.1.2 磨機工作效率隨磨礦濃度的變化情況

根據對球磨機的運行狀態觀察可知，當球磨機的裝載量不變時，球磨機的磨礦工作效率是隨著磨礦濃度的變化而變化的。它們之間的關系特性曲線如圖所示。開始時，球磨機的磨礦效率隨著磨礦濃度的增大而增大，但達到一極值后，再增加磨礦濃度，球磨機的效率反而會下降，對應于有功功率最大值的磨礦濃度就是最佳磨礦濃度，也即圖中的P點處。所以磨礦濃度是一個對磨機運行有重要影響的因素，需對它進行有效控制。巴潤選廠根據實際運行效果磨礦濃度P點控制值為80%（圖5）。

3.1.3 一段磨礦的泵的控制

從磨礦系統的工藝流程圖看出在一段磨礦和二段磨礦之間涉及到過程控制的還有弱磁1給礦泵池水位控制，弱磁1給礦泵頻率控制。在所有的泵池（一次分級給礦泵池、弱磁1給礦泵池、二次分級給礦泵池、三次分級給礦泵池）控制中我們都考慮到自動過程控制出現意外情況的處理方式，在泵的控制上分成遠程手動和遠程自動控制。遠程手動控制就是手動設定泵的變頻器的頻率，遠程自動控制就是根據液位控制泵的變頻器頻率。遠程手動控制可以保證當遠程自動控制出現問題時操作員根據操作經驗輸入合適的頻率，保證系統的連續生產，在找出遠程自動控制出現的問題后再切回到遠程自動控制。弱磁1給礦泵頻率控制系統圖如（圖6）。

在整個磨選系統中其控制思想是以濃度控制為主，對于弱磁1給礦泵池的給礦濃度是通過調節弱磁1給礦泵池的補加水系數來調節的，通過對系數的不斷修正使整個系統達到最佳運行狀態。控制系統圖如（圖7）。

3.2 二段磨礦控制

二段磨礦控制的主要控制對象包含：二段球磨機排礦水、二次分級給礦泵池的補加水、二次分級給礦泵變頻器頻率。二次分級給礦泵變頻器頻率控制方式與一次分級給礦泵變頻器頻率控制相同，在此不在贅述。

3.3 三段磨礦控制

三段磨礦控制的主要控制對象包含：三段球磨機排礦水、三次分級給礦泵池的補加水、三次分級給礦泵變頻器頻率。對于三段磨礦的這幾個控制對象，控制方式基本與前面的相同，此處不再重復。

整個磨礦系統采用“化整為零“的控制方式，對分出的小控制系統先進行調節，再調節整體，當整個系統達到動態穩定狀態后可以看出，各給礦泵池的液位基本保持不變，在保證最終精礦產品質量的前提下，充分發揮了設備效率。 保證生產系統的連續、穩定和高效運行。通過優化控制實現了選廠生產磨礦處理能力和金屬回收率最大化。

4 結語

巴潤公司選礦控制系統工程于2009年6月現場開始施工、安裝、調試，2010年6月份全面投入運行。直到現在運行3年來，無論在控制精度、穩定性以及其它控制質量指標方面都取得了良好的控制效果。全流程控制系統界面友好，操作簡單，在降低工人勞動強度和提高設備運行率方面也取得明顯的成效，尤其是磨選全流程自動控制系統的應用，它能為提高選廠生產效率、產品質量、節能降耗、提高選礦現代化科學管理和數字化管理發揮主要作用，帶來顯著的經濟效益。endprint

3 磨礦系統的控制方式

通過對巴潤公司磨選系統進行長時間的多種方案的現場調試，最終確定了以濃度控制為主線的磨礦分級系統。巴潤公司的磨選作業為階段磨礦階段選別作業，將磨選分級系統劃分成一段磨礦分級控制系統、二段磨礦分級控制系統、三段磨礦分級控制系統。在分成的3段磨礦控制系統中，從工藝流程可以看出一、二段分級機用的是旋流器組，三段用的是高頻細篩。對于一、二段的旋流器磨礦分級控制系統而言，當一段旋流器的分級溢流濃度、弱磁一的給礦泵池濃度、二段旋流器的給礦泵池濃度、三段細篩的給礦泵池濃度控制好后，則對應分段的磨選分級控制系統就會達到動態平衡狀態，當分成的3段磨礦控制系統達到動態平衡后，再對整個系統的設置參數作微調就達到全磨選系統的平衡，從而保證設備的利用率達到最大，鐵精礦產品合格率最高。

3.1 一段磨礦控制分析

3.1.1 一段磨礦濃度和給水量的控制

我們可以建立濃度控制的系統框圖如（圖1）。

1）從濃度控制框圖可以看出，首先要進行的就是給礦量的控制，給礦量的大小直接影響到球磨機的運行效率，給礦量過大，球磨可能發生脹肚，給礦量過小，影響生產，不利于設備運行效率的提高，為此我們設計以下模型保證球磨機的最佳運行狀態（圖2）。

2）從濃度控制框圖可知，一段磨礦分級系統的總給水量包含給礦水、一次分級給礦泵池補加水、一段球磨機的排礦水以及一次旋流器的沉砂沖洗水。一次旋流器的沉砂沖洗水量一般是人工確定大小，只要保證沉砂不在旋流器中堵住就可以了。給礦水的大小控制則需要根據球磨機的最佳運行濃度來確定。如果給礦量的數據已知，濃度的設定值已知，則補加水量可以根據濃度的公式很容易計算出。通過對巴潤現場的實際情況分析可知，一段球磨機的排礦水和一次分級泵池的補加水比例在7：3比較合適，這樣一段磨礦系統的補加水控制就基本確定，

通過上面的分析，一次分級補加水已經確定，則根據比例關系一段球磨機的排礦水、一段旋流器給礦泵池補加水就確定了。控制圖如（圖3）。

考慮到整個一段系統的動態控制，我們還將一次旋流器上的壓力因素也參與到一段球磨給礦水的修正控制中。我們通過對現場的觀察，記錄壓力、給礦水的一系列數據，然后選取其中最合適的兩組數據，可以建立壓力與修正給礦水的一元一次方程的對應關系，當然僅僅通過壓力修正給礦水量還不夠，為了防止意外，我們還可以加入一人工修正值，通過對人工修正值的更改，使一段球磨系統達到最佳運行狀態。通過以上分析我們得出一段球磨給礦水的控制系統圖如（圖4）。

3.1.2 磨機工作效率隨磨礦濃度的變化情況

根據對球磨機的運行狀態觀察可知，當球磨機的裝載量不變時，球磨機的磨礦工作效率是隨著磨礦濃度的變化而變化的。它們之間的關系特性曲線如圖所示。開始時，球磨機的磨礦效率隨著磨礦濃度的增大而增大，但達到一極值后，再增加磨礦濃度，球磨機的效率反而會下降，對應于有功功率最大值的磨礦濃度就是最佳磨礦濃度，也即圖中的P點處。所以磨礦濃度是一個對磨機運行有重要影響的因素，需對它進行有效控制。巴潤選廠根據實際運行效果磨礦濃度P點控制值為80%（圖5）。

3.1.3 一段磨礦的泵的控制

從磨礦系統的工藝流程圖看出在一段磨礦和二段磨礦之間涉及到過程控制的還有弱磁1給礦泵池水位控制，弱磁1給礦泵頻率控制。在所有的泵池（一次分級給礦泵池、弱磁1給礦泵池、二次分級給礦泵池、三次分級給礦泵池）控制中我們都考慮到自動過程控制出現意外情況的處理方式，在泵的控制上分成遠程手動和遠程自動控制。遠程手動控制就是手動設定泵的變頻器的頻率，遠程自動控制就是根據液位控制泵的變頻器頻率。遠程手動控制可以保證當遠程自動控制出現問題時操作員根據操作經驗輸入合適的頻率，保證系統的連續生產，在找出遠程自動控制出現的問題后再切回到遠程自動控制。弱磁1給礦泵頻率控制系統圖如（圖6）。

在整個磨選系統中其控制思想是以濃度控制為主，對于弱磁1給礦泵池的給礦濃度是通過調節弱磁1給礦泵池的補加水系數來調節的，通過對系數的不斷修正使整個系統達到最佳運行狀態。控制系統圖如（圖7）。

3.2 二段磨礦控制

二段磨礦控制的主要控制對象包含：二段球磨機排礦水、二次分級給礦泵池的補加水、二次分級給礦泵變頻器頻率。二次分級給礦泵變頻器頻率控制方式與一次分級給礦泵變頻器頻率控制相同，在此不在贅述。

3.3 三段磨礦控制

三段磨礦控制的主要控制對象包含：三段球磨機排礦水、三次分級給礦泵池的補加水、三次分級給礦泵變頻器頻率。對于三段磨礦的這幾個控制對象，控制方式基本與前面的相同，此處不再重復。

整個磨礦系統采用“化整為零“的控制方式，對分出的小控制系統先進行調節，再調節整體，當整個系統達到動態穩定狀態后可以看出，各給礦泵池的液位基本保持不變，在保證最終精礦產品質量的前提下，充分發揮了設備效率。 保證生產系統的連續、穩定和高效運行。通過優化控制實現了選廠生產磨礦處理能力和金屬回收率最大化。

4 結語

巴潤公司選礦控制系統工程于2009年6月現場開始施工、安裝、調試，2010年6月份全面投入運行。直到現在運行3年來，無論在控制精度、穩定性以及其它控制質量指標方面都取得了良好的控制效果。全流程控制系統界面友好，操作簡單，在降低工人勞動強度和提高設備運行率方面也取得明顯的成效，尤其是磨選全流程自動控制系統的應用，它能為提高選廠生產效率、產品質量、節能降耗、提高選礦現代化科學管理和數字化管理發揮主要作用，帶來顯著的經濟效益。endprint