錫鐵山選礦廠SAB磨礦電氣及控制系統設計

樊雙雁

摘 要：本文從工藝、電氣、控制三個方面論述了錫鐵山選礦廠SAB磨礦工序的電氣及控制系統的設計思想。在工藝方面，研討了SAB（半自磨機閉路+球磨機閉路）的設備機理和工藝原理，探索了對過程控制的影響；在電氣系統方面，論述了電氣設計的總體思路、設備特點和電氣控制的安全設計；在控制系統方面，闡述了基礎控制、回路控制和調度控制的設計要點。

關鍵詞：磨礦；半自磨機；過程控制；電氣控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.091

0 引言

半自磨磨礦工藝因流程簡潔、設備數量少和分布集中、易于維護管理的優點，在我國礦山得到推廣應用。錫鐵山選礦廠技改工程采用了SAB（半自磨機閉路+球磨機閉路）工藝，相對于傳統的三段一閉路破碎和球磨工藝流程，改造完畢后勢必在選廠運行和管理方面得到提升。錫鐵山選礦廠電氣和控制系統的設計需要與磨浮工藝相結合，滿足工藝流程改進和設備大型化的要求。通過電氣設計和自動控制系統相配合，實現設備間的連鎖保護和控制回路的串級級聯控制，以達到經濟、高效、安全、穩定的控制目的。本文針對錫鐵山選礦廠的工藝特點、結合國內外半自磨工藝生產特點和主要存在的問題，提出精細化設計理念，為未來生產操作的可靠性和安全性提供保障。

1 總體概述

1.1 SAB磨礦工藝流程

錫鐵山選礦廠的SAB磨礦工藝分為兩段，第一段為半自磨直接閉路的粗碎工藝，即頑石產品直接返回到半自磨機的給礦入料口、進行閉路再磨；第二段為球磨機+旋流器的細磨工藝，旋流器的沉砂直接返回到球磨機形成閉路再磨。

如圖1所示，粗碎工藝包括礦石堆場、4臺重板給料機、3#/4#/5#皮帶運輸機，半自磨機規格為φ5.02.5m，其排礦產品的分級設備為圓筒篩，篩上頑石由5#皮帶運輸到3#皮帶、3#皮帶倒運到4#皮帶并輸送半自磨機，從而形成閉路磨礦。

細磨工藝閉路流程由渣漿泵池、渣漿泵、旋流器、球磨機構成，球磨機規格為φ3.85.2m，旋流器一組四臺、兩用兩備，渣漿泵一用一備。

1.2 過程檢測與控制

SAB磨礦工藝的工藝參數檢測包括：原礦堆場料位、半自磨機給礦流量、半自磨機頑石返回流量、磨礦給水流量檢測、渣漿泵泵池液位、旋流器給礦流量/濃度、旋流器溢流礦漿流量/濃度/粒度、旋流器工作壓力等；執行機構包括變頻驅動重板給料機、變頻驅動渣漿泵和磨礦給水流量調節閥；控制回路包括：半自磨機給礦量控制回路、半自磨機前給水控制回路、圓筒篩沖洗水控制回路、泵池補加水控制回路、球磨機前給水控制回路、旋流器給礦分級控制回路。

SAB磨礦工藝的設備參數檢測包括：重板給料機、皮帶運輸機、半自磨機、球磨機、圓筒篩、渣漿泵、球磨機等設備的功率和電流檢測，半自磨機和球磨機的軸溫、軸壓等負荷參數；旋流器的開停狀態及遠程控制信號等。

SAB磨礦工藝的主要操作包括：生產開停車聯鎖，給礦量調整、給水量調整、磨機鋼球添加、渣漿泵轉速調整；渣漿泵用備切換、旋流器用備切換等。

1.3 總體設計目標

SAB磨礦控制系統設計的總體目標是：通過粗碎和細磨工藝的自動控制，提高生產安全可靠性、減少生產過程的人工干預，從而在實現過程穩定的基礎上，保證磨礦溢流產品達到工藝要求，即經濟、高效、安全、穩定的總體目標。

2 設計基礎

控制系統的設計基礎來源于設備工作機理和工藝的工作原理，工藝的工作原理實際上是原料特性與設備機理相互作用的結果。選礦廠的設備一旦選定很難更改，了解設備機理及設備之間的匹配關系，對于指導控制系統的設計十分重要。

2.1 磨機與磨礦

半自磨機、球磨機是有色金屬礦山最常用的兩種濕式磨礦設備，均需要通過鋼球介質達到破碎效果，主體部分均由圓柱形筒體、端蓋、中空軸頸、軸承和傳動大齒圈組成。如圖2所示，筒體內裝有鋼球，當筒體轉動時，在摩擦力、離心力和重力的作用下，鋼球被提升到一定高度后，在本身重力作用下，產生自由瀉落和拋落，從而對筒體內固體產生沖擊和研磨作用，使固體粉碎。鋼球的運動軌跡對破碎作用的影響非常重要。影響鋼球運動軌跡有四個主要因素：①磨機筒體的運轉速度；②介質充填率；③磨機襯板的形狀；④磨機內漿體的濃度。圖3所示為主要的三類鋼球運動方式：瀉落運動、拋落運動、離心運動。瀉落運動的磨礦作用以研磨為主，沖擊為輔；拋落運動時磨礦作用以沖擊為主，研磨為輔；離心運動鋼球與襯板之間及鋼球與鋼球之間沒有相對運動，也就不對礦粒產生磨礦作用。離心運動是磨機必須避免發生的狀態。

功耗是磨機操作與控制的風向指標。相對于磨機設備的裝機功率來講，功耗過低、設備投資浪費；功耗過高、增加生產成本。在達到磨機設備滿負荷率的前提下實現磨礦產量最大，是磨機和磨礦操作的終極目標。

卡爾馬金經驗公式[1]是常用的計算濕式磨機有效功率的公式，見公式1。在實際生產過程中，采用經驗公式和實時生產數據進行對比分析以尋求最佳的操作方法、達到節能效果，是一條行之有效的道路。

（1）

其中：

N有：磨礦有用功耗，單位：KW；

ρ：礦石堆比重，單位：t/m3；

D：磨機有效直徑，單位：mm；

L：磨機有效長度，單位：mm；

φ：礦石充填率，取值范圍：0～100%；

ψ：磨機轉速率，取值范圍：0～100%；

Kc：磨礦方式系數，無量綱，通常取1.1～1.2；

KB：自磨機磨礦濃度系數，其取值方法可以參考相關材料。

在碎磨過程中，半自磨機是通過沖擊力達到破碎的效果，沖擊力由下落物料的動能來確定。不同直徑的自磨機，若下落物料的質量相同，沖擊力與自磨機筒體有效直徑成正比。球磨機是通過磨剝力達到研磨礦石的作用，由磨礦機筒體的圓周速度來決定，不同直徑的球磨機，其磨剝力與筒體有效直徑的平方根成正比。因此磨機的長徑比往往決定了磨機作用礦石的受力機制。

為了確定自磨機簡體長度和筒體直徑的合理比值，國外作了許多試驗研究。R.C.Meaders的試驗說明，當L/D=0.3時，生產率最高。芬蘭R.T. Hukki從生產率最大而襯板磨損最小的觀點出發，求得的合理比值L/D=0.25～0.62。錫鐵山選礦廠半自磨機的長徑比為0.5，球磨機的長徑比為1.36。

礦石在半自磨機的充填率和球料比要有較好的控制，充填率過低，容易造成磨機空載、縮短襯板壽命；充填率過高，容易導致磨礦介質運動空間不足、產生不了足夠的沖擊力。半自磨機內應有足夠的介質負荷保證充分破碎物料。因此，對于本項目半自磨機的操作來講，給礦和補球的控制同樣重要。

對于本項目的球磨機來講，由于球磨機內物料縱向運動路徑較長，要防止在運動過程中沉降等因素導致礦石沉積、引起球磨機漲肚，因球磨機的磨礦濃度控制非常重要。

2.2 水力旋流器與分級控制

水力旋流器可以用于分級、濃縮、脫泥等多種工藝，任務是按照顆粒粒度差進行物料分離。水力旋流器是磨礦工藝的出口，合格產品如果不能及時從水力旋流器分離出去，就會返回到磨礦流程內部再磨，不僅浪費能源，而且會導致產品粒級過細，影響浮選回收率、增加浮選藥劑成本。如圖4所示，礦漿通過渣漿泵加壓后給入水力旋流器，固體顆粒呈懸浮狀態隨料漿一起沿切線方向進入旋流器內，料漿液體遇到器壁后被迫作回轉運動，而固體顆粒則依原有的直線運動的慣性繼續向前運動。粗顆粒慣性力大，能夠克服水力阻力靠近器壁，而細小顆粒慣性力較小，未及靠近器壁即隨料漿作回轉運行。在后續給料的推動下，料漿繼續向下和回轉運動，固體顆粒相應產生慣性離心力。于是粗顆粒繼續向周邊濃集，而細小顆粒則停留在中心區域。這樣就發生了粗細顆粒由器壁向中心的分層排列[2]。

從水力旋流器的工作原理可以看出，旋流器的分級效果與給入物料的流速、粒度組成、濃度均有很大的關系。特別給入濃度，如果濃度過高，礦漿顆粒的粘滯系數過大、不利于細顆粒的分離。

2.3 工藝原理分析

錫鐵山選礦廠的半自磨機入料粒度較國內多數半自磨磨礦工藝的入料粒度小，這給半自磨的操作和控制帶來較多的可能性和變數：

（1）給入粒度小（<100mm），則礦石充當磨礦介質的能力減弱，因此鋼球的補給非常關鍵。補給過量，容易導致襯板磨損和鋼球消耗大，生產成本增加、有效作業時間縮短。補給不足，礦石破碎不充分、增加球磨負荷，有可能造成球磨機漲肚。

（2）給入粒度小（<100mm），另一方面說明礦石硬度或者可磨性比較好，那么礦石在半自磨機內的停留時間需要把控，停留時間過長、可能導致過磨和半自磨機漲肚，停留時間過短，粗粒級比例增加，可能造成半自磨機和球磨機負荷匹配失衡。

3 電氣控制系統設計要點

3.1 基礎設計

錫鐵山電氣系統包括粗碎車間、中間堆場、磨浮車間3個動力配電間。電氣系統以動力中心變壓器低壓出線側為上界，包括3個動力配電間的電氣柜、現場操作箱及電氣設備配線。動力配電間低壓柜體采用MCC框架結構，分為進線柜、電容柜和饋電柜。進線柜使用帶智能電子脫扣單元的空氣斷路器，在線路出現短路、接地等故障時對其站內設備提供保護功能。電容柜設有功率因數檢測和控制裝置，能夠實時監測負載的功率因數，采用自動或手動改變投入電容數量的方式補償系統功率因數，確保電網質量。

為了節能降耗，根據電氣設備的用途和功率，電機控制方式分為變頻控制回路、軟啟控制回路、電動機智能監控器保護回路和熱繼電器保護回路4種。變頻器回路用于有調速要求的場合。變頻器采用西門子SINAMICSG120變頻器和SINAMICSG130變頻器，具有Profibus-DP遠程通信接口，可以通過DP總線實現與現場DCS系統的連接。軟啟動器用于大于30kW的電機控制回路，軟啟動器則采用雷諾爾品牌的軟啟動器。電動機智能監控器用于大于20kW的電機控制回路。熱繼電器則用于小于20kW的電機控制回路。所有電機控制回路均帶有現場操作箱，現場操作箱實現就地控制功能并具備遠程/就地切換權限。

電氣控制回路切換到遠程操作后，DCS系統可以實現對電氣設備的遠程控制；切換到就地操作后，DCS可以獲取設備運行狀態及故障信息，但無法對設備進行控制。各控制回路的遠程就地控制權唯一，即現場操作箱上的遠程/就地選擇開關在就地狀態時，只可由現場操作箱控制設備的啟停；遠程/就地開關在遠程狀態時，只可由DCS控制設備的啟停。在現場操作箱上設置有檢修開關，當檢修開關處于檢修狀態時，現場操作箱和DCS系統均不可對設備進行啟停操作。

3.2 變頻設備電氣控制系統設計

變頻器的作用是通過改變電機電源頻率，來調整電機轉速。錫鐵山項目的重板給礦機、礦漿泵池渣漿泵等需要調速的設備全部使用變頻器調速。其中，磨礦礦漿泵池使用2臺西門子SINAMICSG130高性能單機傳動變頻調速器（一用一備），其他渣漿泵和重板給礦機則使用SINAMICSG120高性能單機傳動變頻調速器。G120變頻器適用于0.37～90kW的泵和傳送帶等設備，G130變頻器則適用于75～1500kW的泵、傳送帶、風機、壓縮機等設備。

SINAMICSG130作為西門子公司的新一代變頻裝置，適用于大功率，高性能，而無需再生反饋的單機驅動的場合。它既適用于恒轉矩負載，如擠出機、攪拌機或輸送機等，也可用于具有平方轉矩負載，如泵、風機和壓縮機等。由于采用了全新設計理念：模塊化的機械設計，損耗極低的半導體器件IGBT以及革新的冷卻系統，SINAMICSG130成為一款性能非常優良，運行異常安靜、結構極為緊湊的變頻器。

到目前為止，電壓源型變頻器主要使用兩種技術來調制可變的輸出電壓。每種技術都有其自身的優缺點：空間矢量技術可將電機電流中的諧波降到最低程度，從而降低了電機的附加損耗。但是輸出電壓最多能達到輸入電壓的 90%，這樣可能會達不到驅動電機所需的額定工作電壓。而采用方塊脈沖調制技術可獲得高達輸入電壓 105% 的輸出電壓，但在電機中會產生極高的諧波成分。電機將會有很高的諧波損耗。這樣會使電機效率明顯變差。SINAMICSG130變頻器則將這兩種調制技術的優點完美融合在一起。這種優化的脈沖調制就稱為脈沖邊沿調制技術，可實現即使在 100% 負載時，也能在電機端獲得 100% 輸入電源電壓而無任何副作用（如電機中的諧波和附加損耗），變頻器損耗同時也會降低。

在錫鐵山項目中，現場產生的各種開關信號通過變頻器控制單元（CU320-2DP或者CU240-DP）的IO接點傳送給變頻器，并控制變頻器的啟停。DCS則通過Profibus-DP通訊接口與變頻器控制單元通訊，讀取變頻器的狀態和控制變頻器的啟停，同時對變頻器進行調速。就地IO信號控制和遠程DCS控制方式則可以通過現場控制箱上的遠程/就地選擇開關進行切換。

3.3 軟啟動器電氣控制系統設計

軟啟動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。軟啟動器采用三相反并聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。

在本項目中功率>30kW的浮選機以及皮帶運輸機全部采用軟啟動器控制。

3.4 對于皮帶運輸機以及重板給料機的響鈴保護

對于皮帶運輸機以及重板給料機等具有裸露運動部件的設備，必須在開機運行之前讓人員遠離運動部件，以保護人員不受傷害。因此對于這些設備都設計有發訊警示信號。當需要對設備進行開機操作時，首先發出發警示信號，警示信號接安裝于現場的聲光報警器，聲光報警器動作至少15秒之后，才允許對設備進行開機操作。

4 控制系統設計要點

4.1 基礎設計

根據錫鐵山選礦廠技改工程的SAB磨礦工藝流程，DCS系統的功能設計包括以下幾個方面：

（1）實現整個流程工藝參數、設備參數的實時采集、歸檔和顯示；

（2）實現整個流程開車、停車的自動操作；

（3）實現整個流程中各個控制回路的閉環調節；

（4）實現生產過程中報警信息的存儲和歸檔。

4.2 回路設計

控制回路是穩定磨礦流程、減少勞動強度、提高生產可靠性的關鍵，回路控制器的設計至關重要。PID控制器問世至今已有70 多年的歷史，盡管在控制領域，各種新型控制器不斷涌現，但它以結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便、易實現、魯棒性強等優點一直是工業生產過程中應用最廣、也是最成熟的控制器，即便是在美國、日本等工業發達國家，PID控制仍達90%以上[3-4]。國內選礦廠的實踐也證明，選礦工藝流程多數回路采用PID控制器是有效的。

SAB磨礦過程的控制回路包括半自磨機給礦量控制回路、半自磨機前給水控制回路、圓筒篩沖洗水控制回路、泵池補加水控制回路、球磨機前給水控制回路、旋流器給礦分級控制回路。半自磨機給礦控制回路因為存在大滯后的特點，因此在給礦PID控制器設計時要注意PID參數的整定，特別是5#皮帶上頑石返回流量會成為4#皮帶給入半自磨機礦石流量控制的擾動，因此需要在PID參數整定過程加以注意。給水控制因被控對象相對靈敏、只要調節閥選型得當，控制效果均能得當保證。旋流器給礦分級控制的難點在于渣漿泵轉速的工作區間的標定。如果渣漿泵流量的選型過大或者過小，則有可能影響渣漿泵作為執行機構的有效調節范圍。因此，為了達到合理的控制效果，在PID控制器投運前，應先進行回路的開環試驗，確定被控對象的過程特性后再優化PID參數，從而提高PID控制器適應工藝調整的能力。

4.3 調度設計

先進的DCS系統在選礦生產過程中的應用，使得生產過程數據的采集、存儲、傳輸、應用更為可靠和便利。DCS系統的流程畫面及生產數據通過WEB發布可以在礦山的相關部門和生產單位進行投放，從而可以提高各個部門相互配合的能力和水平。

水、電、球是磨礦生產的基本條件，其保障程度決定了生產操作和過程控制的效果。此次DCS系統設計中考慮了關于生產用水資源的調度，特別是生產回水和生產新水利用的協調功能。如果有條件的話，亦可接入選廠變配電系統的數據實現供電調度。由于鋼球添加采用批次補加方式，可以利用DCS系統開發相應的錄入界面，實現對鋼球補加數據的存儲，作為生產調度數據和生產優化控制時的診斷數據使用。

5 結束語

SAB磨礦工藝過程控制是生產實踐的難題之一，其本質一是生產條件對控制系統的滿足，二是對生產操作邊界和生產異常的識別和適應。在系統設計階段，應充分考慮原料性質、設備機理和工藝特征，細化控制邏輯和控制參數的設計，為系統的可靠投運奠定良好的基礎。

參考文獻：

[1]關雅梅，劉萬年.自磨半自磨磨機的參數確定[J].中國礦業，2008

，17（03）：47-50.

[2]孫玉波.淺談水力旋流器的工作原理和影響參數[J].礦業快報，2003（403）：5-8.

[3]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2003.

[4]黃友銳，曲立國.PID控制器參數整定與實現[M].北京：科學出版社，2010.