小型礦山破碎篩分系統自動化改造設計及應用

趙孟陽，肖放萍，洪 順，鮑光華

（南昌礦山機械有限公司，江西 南昌 330000）

礦產資源的開發與利用是推動社會經濟和科學技術發展的基礎，尤其是近年來對稀有金屬、稀散金屬和稀土金屬元素的利用，顯著的推動了我國尖端科學技術的發展。因此，提高礦產資源開發與利用效率是基礎。礦產資源開發與利用是一項復雜的過程，包括找礦勘查工作、資源開采、礦石冶煉和產品加工等工序[1，2]。礦山開采是資源利用的關鍵環節，尤其是隨著自動化和智能化礦山的建設，促進了礦山破碎篩分系統的自動化發展，提高了資源開發效率，在小型礦山中應用較為廣泛[3]。但是，礦山破碎篩分系統在自動化程序方面仍然具有較大的缺陷，如控制系統等不穩定等[4]。鑒于此，本文以某小型金屬礦山為例，通過破碎篩分系統自動化改造研究，為提升資源開發利用效率奠定基礎。

1 基本概況簡介

（1）礦山基本概況。研究區屬于小型礦山，以鉛鋅銀礦石為主，日生產礦石量約為1000t/d，年總處理礦石量約為3×105t，礦山設計服務年限為30a。礦石品位變化屬于較穩定型，其中Pb平均品位為4.6%，Zn平均品位為3.7%，Ag平均品位為313g/t。銅礦選礦試驗研究，最終的精礦產品中Pb含量約為65%，Ag含量約為3564g/t，回收率可達92.5%，總產率為6.71%；精礦產品中Zn含量約50%，其中Ag含量可達411g/t，回收率為81.1%，產率為5.78%；尾礦中Pb平均品位為0.35%，Zn平均品位為0.24%，Ag平均品位為55.21g/t。礦石最終的破碎粒度小于15mm，精礦中的含水率約為12%。

（2）礦山破碎篩分工藝流程。根據研究區礦山基本現狀，礦山破碎篩分工藝流程采用三段一閉路的流程，因此粗碎采用顎式破碎機（型號JC1100）、中碎采用圓錐破碎機（型號CC300）和細碎采用圓錐破碎機（型號CC400），篩分采用振動篩，型號為YKR3060H，處理量可達200t/h，總體上設備的作業率為61%左右。礦山破碎篩分機中的給料粒度為0mm～500mm的粗破碎礦石料，經過三段一閉路處理后的最終產品粒度為0mm～15mm。此外，由于礦石運輸以大傾角帶式運輸機為主，不僅設備運行維護成本高，而且在運輸過程中極易產生粉塵，對井下開采環境影響較大。

2 礦山破碎篩分系統存在問題

由于該礦山開采時間較長，因此設備較為落后，現階段采礦過程中的破碎、篩分等設備以就地、人工操作為主，尤其是破碎機以及篩分機的給料過程，主要以工人的工作經驗為主，極易引起給料過量或者給料過小的問題，若給料過量，則容易引起設備負荷運行進而造成設備跳閘、損壞等；若給料過小，則開采效率低下。為了提高生產效率和保障機械設備運轉狀況，就必須增加工人配置，由于井下開采環境復雜、加之機械設備噪聲大，容易引起粉塵等，對工人的身體健康影響極大。基于礦山基本現狀，以自動化和智能化發展為基本目標，對礦山的破碎篩分系統進行自動化、智能化和集中控制改造，逐步實現破碎篩分設備運行狀況的實時動態監測，在確保設備運行狀態良好的前提下提高生產率，即確保細碎圓錐破碎機滿腔給料。同時，實現自動化和智能化控制，減少了工人的數量和勞動強度，逐步實現節能降耗目的，為逐步建設綠色礦山奠定基礎。

3 小型礦山破碎篩分系統自動化改造設計

3.1 控制系統網絡改造設計

圖1 基于小型礦山破碎篩分系統的控制系統網絡改造設計圖（據參考文獻[2]略改）

控制系統是破碎篩分系統實現智能化和自動化控制的基礎，也是實現遠程控制的前提，因此，控制系統網絡改造設計至關重要。本文選用星形網絡架構方式對控制系統進行改造，其中，中控室工控機與分布在礦山施工場地中的5個控制站（型號S7-1200PLC）連接在同一臺交換機上，將PLC與細碎液壓潤滑站觸摸屏以及中碎液壓潤滑站觸摸屏對應連接。為了實現遠程控制，以及滿足今后互聯網應用要求，在設備中預留第三方系統的接口，以OPC通訊協議為主。同時，為了與觸摸屏、PC端以及編程設備之間的通訊良好，在西門子本體中集成1個PRO-FINET通信口，進而提高設備的自動化程度（圖1）。

3.2 控制系統硬件改造設計

硬件系統改造是實現智能化和自動化發展的載體，主要包括下位控制部分和上位控制部分兩個方面。其中，上位控制部分以單站結構為主，在改造過程中以1臺工控機為基礎，同時實現代替操作員站、服務器和工程師站的目的，不僅滿足了資源開采的基本設備和工人需求，同時顯著的降低了成本。此外，改造后的工控機不僅必須滿足PLC編程以及人機界面的基本功能需求，還需滿足操作員的監視功能需求，包括井下開采環境監測、設備運行狀態監測、數據傳輸、處理以及警報等功能。基于上述基本要求，本次改造時采用西門子PLC（型號為S7-1200）作為控制系統的核心設備，CPU采用高性能的1214C型號，該型號CPU自身集成了輸入和輸出功能，能夠實現8個信號模板、1和信號板和3個通信模板的擴展功能。中隨機和細碎機是破碎篩分系統中的關鍵設備，因此，在控制系統選擇中采用KTP600 TFT觸摸屏作為人機界面，其像素分辨率能夠滿足礦山的實際需求。

3.3 控制系統軟件改造設計

控制系統中軟件改造設計是實現自動化和智能化控制的必要條件，主要針對PLC和工控機中的人機界面編程兩個方面，因此，自動化改造設計采用性能優越的博途V15系統完成。博途V15系統是集成了STARTDRIVE、WINCC和STEP7等編程軟件的高度集成自動化編程軟件，可實現PLC、仿真操作、觸摸屏以及驅動裝置進行編程調試等目的。為了與礦山破碎篩分系統有效的結合，本次自動化改造設計主要對模擬量信號轉化、電動機控制等方面進行了編寫，如對1#大傾角帶式運輸機的控制設備，僅通過電機塊的背景數據塊即可實現，并將其改為“1#皮帶機DB”命令即可，不僅實現了破碎篩分機系統的自動化改造目的，而且顯著的降低了編程和通信組態的工作復雜度。

軟件系統中的人機界面是員工進行監控處理的直接平臺，本次自動化改造采用博途V15系統完成。根據礦山破碎篩分系統的基本現狀，人機界面改造必須滿足預警畫面、工藝流程、趨勢畫面以及中碎油站和細碎油站等內容。其中，工藝流程主要顯示和監控生產線的基本運行狀況，并對設備運行的實時動態數據進行分析，確保設備運行狀態良好。若需要單獨查看時，僅需切換畫面即可；警報畫面是實現井下開采環境監測的基礎，也是智能化分析井下開采環境是否安全的基礎，可通過畫面處理操作，進行前后畫面的對比，為提高井下開采環境安全奠定基礎。

4 結語

綜上所述，礦產資源的開發與利用離不開大型機械設備的支撐，因此，強化機械設備的自動化、智能化發展不僅是提高礦山生產率的基礎，也是逐步實現智能化礦山建設和綠色礦山建設的前提。文章以某小型礦山為例，分析了礦山破碎篩分系統自動化改造，主要從網絡、硬件和軟件等3個方面分析了改造方案，為提升礦山破碎篩分機的工作效率奠定基礎。此外，通過礦山破碎篩分機的自動化改造，逐步提升了礦山自動化生產程度，減少了井下工人數量以及工作量，有效的降低了礦山生產安全事故發生率。