自動化控制系統在破碎工藝流程的應用實踐

鄢新忠

（攀鋼集團礦業有限公司選礦廠，四川攀枝花 617000）

0 引言

選礦過程自動化控制技術的發展始于20 世紀40 年代末，至今已有70 多年的歷史[1-3]。由于選礦生產過程的復雜性和特殊性，如性質多變的物料流以及復雜礦物加工工藝流程導致選礦自動化過程發展進程較慢[4]。隨著感器技術、計算機技術、儀表技術的發展，全國多家企業如鞍鋼礦業、首鋼礦業與云錫集團的破碎系統已經實現了無人值守，并取得了良好的效果[5-7]。

攀鋼礦業有限公司選礦廠是20 世紀70 年代初建成的鐵礦選礦廠，其中破碎工藝流程先后經過破碎閉路改造（2003 年）、中破磁滑輪拋尾系統改造（2009 年）以及工藝設備升級改造（2012 年）。期間設備控制系統雖然經歷多次高壓室、電磁站改造，但電氣設備控制系統基本沿用建廠初期的以繼電—接觸方式實現設備間聯鎖、現場崗位分散控制，整個選礦廠設備自動控制系統裝備水平幾乎為零。

隨著社會的發展，推進數字礦山、綠色礦山、和諧礦山的“三個礦山”迫在眉睫。此外，在礦業的寒冬期，攀鋼集團公司為了應對全球市場的變化，先后進行了人力資源優化（裁員及降低生產成本）。為了使全廠在現有人員配置基礎上，生產系統能得到及時的監測控制，降低崗位勞動強度以及粉塵、噪聲等職業病危害，避免因人為疏忽而引發故障，進一步促使選礦廠建立全流程的自動監測控制系統。

綜上所述，攀鋼礦業有限公司選礦廠破碎工藝全自動化流程改造迫在眉睫。于是在多方考察的基礎上，啟動了選礦廠破碎階段的全自動化流程改造。

1 破碎工藝流程及運輸系統改造

1.1 破碎工藝流程

礦石經火車托運至粗破并送入旋回破碎機，破碎后由2 臺重板給礦機分給到1#、2#皮帶并通過3#、4#皮帶送至中破緩沖倉，經5#～10#皮帶分別送至圓錐破碎機。破碎后的礦石經11#～14#、干1#～干4#皮帶運至干選緩沖倉，經電振給料機送至干選機，尾礦經干9#～干11#送至廢料倉，精礦經干7#、干8#、15#、16#、新13#、新14#皮帶送至篩分礦倉。篩分礦倉礦石經電動給礦機以及皮帶變頻給礦機送至振動篩進行篩分，篩下合格產品經新15#、新16#、21#～24#皮帶送至粉礦倉，篩上礦石經新7#～新12#、17#、18#皮帶送至細破緩沖倉。細破緩沖倉礦石經皮帶變頻給礦機送至破碎機，破碎后的礦石經19#、20#、新1#～新6#皮帶送至篩分礦倉，形成閉路循環（圖1）。

1.2 運輸系統流程改造

圖1 破碎車間生產工藝流程

皮帶系統對整個破碎車間的重要性，就好比血管對人體的重要性。它運行的好壞直接關系到生產是否正常進行，通過對皮帶運輸機的工作狀態進行監控及調節，保證選礦廠礦料的物流正常，為破碎工藝設備的高效運行提供可靠保障。本次不但對全流程的皮帶運輸系統進行了改造，同時也將破碎機電流、溫度、壓力、破碎腔料位等參數接入新系統，實現了控制室可以調節設備排礦口大小等參數但不能啟停，而干選機、篩分機則通過總控制系統能夠全盤控制。由控制系統邏輯通過警示或停機等自動或遠程手動完成操作，視頻監控系統是對自動控制系統功能的補充，以實現安全、可靠的操作，從而達到減輕崗位勞動強度、減少耗電成本、降低設備故障率、保護重要設備安全運行的目的。

1.2.1 皮帶智能運行控制

對于皮帶而言長期運行可能會出現的跑偏、打滑、縱向撕裂、下料斗堵料等現象，因此只要能夠實時監測并調整跑偏、打滑就能保證皮帶良好的運行。

為了能夠實時監測每一條皮帶運行情況，于是對皮帶的皮帶機電流、堵漏、打滑、跑偏、電流等情況進行了檢測，上面皮帶每間隔5 m 設置一個糾偏裝置，下面皮帶每間隔10 m 設置一個糾偏裝置。

此外，皮帶連接處的灰塵較大，于是在老系統袋式除塵基礎上，增加了噴霧除塵。噴霧除塵裝置采用聯鎖運行方式，當然也可通過手動調節。聯鎖運行時的聯鎖設備為下一階段的皮帶機，根據皮帶機的空載與負載時電流的差異，噴霧裝置自動運行。此外，現場操作人員可根據礦石濕度及粉塵情況調節噴霧的大小，以避免噴霧過小時，粉塵過重；噴霧過大時，降低篩分效率、皮帶壽命等情況。

1.2.2 礦倉跑車智能布料

整個破碎車間總共包含中破6 料倉、干選12 料倉、篩分10 料倉、細破10 料倉4 個部分。其中，中破料倉由老3#、4#跑車進行布料，干選料倉由干3#、4#跑車進行布料，篩分礦倉由新13#、14#和5#、6#跑車進行布料、細破料倉由老17#、18#跑車進行布料，廢倉4 料倉由11#跑車進行布料。為了實現跑車像人一樣擁有“眼睛”“腳”“智慧”，需要引入監測探頭來充當著智能設備的“眼”“腳”等器官。在綜合考慮下，將雷達料位計、激光測距儀料位倉和跑車上，并加入綜合分析系統的智慧大腦。

為了讓跑車，在各個料場的頂部（無論在料倉還是在跑車）分別安裝有HAWK、HAWK、VEGA 等型號的雷達料位計，該雷達屬于79 GHz 的高頻雷達并具有一定的抗粉塵、抗粉塵的特性，進而實現了料位的自動監控（可移動式的攝像頭進行觀看）。

除了擁有一雙“眼睛”之外，要實現跑車布料的智能化還遠遠不夠，還需要擁有一雙“測距的腳”。為了能夠精確的測定布料車的位置，在跑車上安裝有DIMETIX、KEYENCE 等型號的激光測距儀，改激光測距儀的量程不小于100 m 且誤差小于3 mm，此外，有一定的抗粉塵的特性。

1.2.3 智能給料機

整個破碎間包含了振動給料機和變頻給料機兩種給料設備。就破碎間的圓錐破碎機而言，只有采用擠滿式給料才能實現礦石間的互相擠壓，從而最大限度的發揮出破碎效率。

系統設定破碎機的破碎腔的料位高度為85%，并通過實時監測圓錐破碎機破碎腔內料位高度，將監測數據送入到PLC中，PLC 進行A/D 轉換后，經監測值與設定值進行比較，實現閉環調節皮帶式給礦機或振動給料機的頻率，從而達到破碎腔內料位穩定在設定值范圍內。

1.2.4 監控系統

自動化系統主要由PLC 控制系統構成，且第三方的PLC 系統通過PROFIBUS-DP 或MODBUS 協議與PLC 控制系統通信。有程序聯鎖控制的電氣設備設PLC 系統，單體的電氣設備直接引入相應的PLC 控制系統。

丹東系統實現了設備的集中控制，提高了設備連鎖開、停的及時性和有效性，把無功消耗降到最低限度；此外，無論是設備處于自動和手動運行中均能實時采集設備運行參數，該軟件操作界面簡單且功能強大。該系統顯示了全廠的工藝流程，并在相應的位置實時動態地顯示了破碎機、篩分機、干選機電機電流、運行頻率、運行狀態、（破碎機腔內料位）、排礦口寬度等情況。此外，還實時的顯示了跑車的送礦位置、料倉的儲量、設備給礦皮帶的速率、傳輸皮帶的速率以及它們的運行情況。當設備運行參數超出系統設定參數時，系統及時彈出報警信息并發出報警聲音，實現了問題早發現、早解決的功能，為實施點檢預修創造了良好條件。當運行設備發生嚴重異常時，系統及時指令故障設備及其相關設備依次停止運行，避免事故的擴大。該系統還能根據監測的數據自動生成報表，并通過公司內部局域網共享報表信息，同時還具有歷史查詢功能。

另外，在破碎車間重要的位置如皮帶連接處、跑車上等均安裝監控攝像頭，方便操作人員監控實際運行情況，并與系統采集的信號做出對比，以便對自動控制系統功能的補充，以實現破碎流程運行的雙重保障。

2 優異性及經濟效益

2.1 改善員工工作情況，提高設備保護能力

通過運輸系統智能化改造后，原本破碎車間復雜的皮帶運行系統更加智能化，從而減少了大量的操作人員及巡檢人員，同時也減輕了他們的勞動強度。運輸系統的自動化改造，當然不僅局限于降低了員工的勞動強度，而且也對生產設備有直接或間接的保護作用，具體表現為以下3 個方面。

（1）運輸系統配備了完善的保護及設備聯鎖功能，使得原本復雜的運行系統需要逐級啟動且需要人員較多，現在僅需一鍵就可完成，這不但減少了操作人員的勞動強度，而且避免了人員過多參與操作時造成的誤操作。此外，也實現設備故障及時反應并報警，同時也能及時井然有序的停機，避免了設備損壞和故障范圍的擴大。

（2）原本需要人工進行操作的跑車，經自動化改造后，使得小車能夠根據礦倉的倉位及破碎設備、篩分設備、干選設備的需求自動布料，這不但減少了人工操作，降低了員工勞動強度，并且也近一步提高工作效率。

（3）皮帶給礦機的智能改造，實現了按破碎機的需求自動給料。由于破碎設備眾多難以兼顧所有的破碎設備擠滿給礦，通過這項改造減輕了員工的操作，降低了員工的勞動強度，此外也保護了設備，并提高了設備的效率。

由于破碎崗位的特殊性，存在著粉塵噪聲兩種主要職業病危害因素。通過智能化水霧除塵的改造，使得整個破碎車間的分寸得到進一步降低；此外，這樣智能化的流程改造也減少了員工進入現場的時間；再加上原來的防塵、防噪措施，大大降低了員工患職業病的概率。

2.2 經濟效益

2.2.1 人員優化

自動化控制管理系統運行可靠，得到一線職工的認可，操作方便，達到了本應由現場崗位工人做的工作改為由設備來完成，減少工人的勞動強度和對工人操作崗位的依賴，為了避免人力資源的浪費，進行優化，自動控制管理系統實施前，生產每班人數定員30 人，實施后生產每班18 人，每年節約人工成本為108 萬元。自動控制系統實施前后崗位人員配置情況如表1 所示。

表1 自動控制系統實施前后崗位人員配置情況

優化后的人員通過管理手段消化，一部分人員去檢修，一部分通過退休自然減員，還有一部分成立生產白班。

2.2.2 設備優化

自動控制管理系統實施后，提高了粗破機破礦效率，減少空轉時間，為避峰生產創造了良好的條件，通過“移峰填谷”措施降低電費。自動控制系統對設備有保護檢測作用，能做到事前發現隱患，降低了設備事故，保證了生產流程順利進行。自動控制管理系統實施前后的數據如表2 所示。

表2 2017 年和2018 年自動控制管理系統實施前后的數據h

由表2 可知，自動控制管理系統實施后，每年能節約1232.67 h。通過避峰和提高生產效率，降低生產事故，縮短設備事故處理時間能創造效益600 萬元左右。

3 結論

（1）通過對選礦廠破碎車間運輸系統自動化的智能布料、智能給料、智能水霧除塵等方面的改造，不但精簡了人員，而且降低了勞動強度、職業病危害、事故率；此外，也實現了整個破碎設備狀態的實時監控，并對各個設備具有直接或間接的保護作用。基于此，自動控制系統實施不但提高了企業的社會形象，同時每年可創效700 萬元左右。

（2）自動控制系統改造為工業數字化礦山提供技術支撐，實現破碎工藝自動控制，為整個選礦廠以及攀西地區選礦廠推行自動化積累經驗。

（3）視頻監控系統是對自動控制系統功能的補充，但現如今選礦廠的攝像頭均為固定式，這導致攝像頭只能監測固定的區域產生了視覺盲區。因此為了使監測更加全面，建議安裝移動式360°無死角，同時能夠沿著皮帶的運動方向進行移動，此外還應具有人像識別的功能的攝像頭。該攝像頭不但能全方位地監測現場，而且還能在設備開啟前自動監測是否有人員在皮帶處。