城門山銅礦磨礦基礎自動化完善

劉夢曉，鐘 震，黃建偉

（江西銅業集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦位于江西省九江市柴桑區城門鄉，隸屬于江西銅業股份有限公司，是以銅、硫為主，共生鉬、鋅、鐵，伴生金、銀等多種金屬元素的露天礦山，是國內已探明的18座大型露天銅礦和9大稀有稀散金屬礦床之一［1］。20世紀50年代末60年代初開始進行開采，經過多次擴建改造，目前已形成約7000t/d礦石處理能力，是江銅集團的骨干礦山企業。

城門山銅礦礦石性質多變，根據多碎少磨的原則，磨礦流程采用半自磨機+球磨機生產工藝［2］。磨礦是選礦生產重要流程，其產品濃度、粒度對后續浮選流程具有重大影響，同時，磨礦流程中能源消耗占選廠總能耗一半以上，鋼球、襯板等備件消耗占選廠生產費用的很大比重［3］。提升磨礦生產流程自動化水平，加強設備運維管理，對提高生產指標，降低生產費用，都具有重大意義。本文概述了城門山銅礦選廠磨礦基礎自動化概況，并闡述了后續過程優化控制方法。

2 磨礦流程生產現狀

選礦廠磨礦采用了兩段一閉路的生產工藝流程，半自磨機是開路磨礦，球磨機與水力旋流器形成閉路磨礦。從采礦場運輸來的礦石先經過破碎站顎式破碎機破碎后，形成不大于200mm粗碎塊礦，經2#、4#皮帶運輸至重型板式給礦機，然后再經5#皮帶傳送進入半自磨機。礦石在半自磨機內經過研磨和物理反應后，排料進入粗砂泵池，粗砂泵池底部粗砂泵經變頻調節，將粗磨后的礦漿以一定的壓力輸送給旋流器，礦漿以一定斜線進入旋流器中沿圓周運動，比重較輕的礦物從上方流出進入一段浮選作業，比重較大礦漿自流進入球磨機［4］，在球磨機內與鋼球共同作用研磨再次排入粗砂泵池，從而形成兩路一閉環系統。如圖1所示。

圖1 磨礦生產工藝

在磨礦流程中配置了大量儀表設備采集現場生產工藝數據。重型板式給礦機驅動電機為變頻電機，可以通過變頻調節礦石給礦量。皮帶上除安裝了拉繩、跑偏、急停等常規保護外，還增加了防大塊礦石、皮帶速度檢測等多種保護機構，并與重型板式給礦機實現了連鎖。皮帶下方安裝了電子皮帶秤，可以實時監控當前皮帶給礦量。磨機前、后給水管道上安裝了電磁流量計、電動閥門等儀器，可以動態調節給水流量。粗砂泵池上方安裝超聲波液位計，實時監測泵池液位，防止出現冒槽或空轉等生產事故。旋流器上安裝了壓力傳感器，實時監測壓力，調節粗砂泵頻率可改變壓力大小，保證溢流效果。旋流器進漿管道上安裝了濃度計可以實時監測磨礦產品濃度，旋流器溢流管道上還安裝了取樣器，可進行取樣并送入粒度分析儀檢測磨礦產品粒度［5］。

3 控制系統架構

選礦廠建廠投產時已搭建一套主控DCS系統，采用美國Rockwell公司的Controllogic 1756系列PLC作為主控CPU，磨礦車間、浮選車間、精礦脫水車間均設有子站，并已與主控PLC通過Control Net現場總線建立了通信連接［6］。磨礦生產過程中皮帶秤處理量、前給水流量、后給水流量、閥門開度、粗砂泵頻率、電流、旋流器壓力等數據均采集進入磨礦車間子站，并實現了遠程給定、調節的功能。

對磨礦生產流程而言，磨機是主要運行設備，半自磨機與球磨機均具有獨立的控制站。磨機控制站選用的是西門子S7-300系列PLC，采集了磨機運行過程電流、溫度，磨機潤滑油流量、壓力等數據，并進行實時監控。電機高壓柜、勵磁裝置、離合器系統等與磨機控制站進行了連鎖保護控制。由于西門子公司Profibus-DP總線與AB公司Control Net總線協議不兼容，選用瑞典HMS公司的網關進行協議轉換，并通過配置相關參數，讀取了磨機控制站全部數據，并實現了遠程控制。

DCS系統搭建完成后，經過不斷的完善，采集了大量生產數據，并經過不斷的優化調試，目前已實現給礦、給水單回路的自動控制。給水控制是典型的單回路PID控制，根據設定給水量與實際采集的電磁流量計相比較，差值經PID運算器計算后給出4～20mA信號調節電動調節閥開度，從而穩定給水流量。

給礦控制與給水控制類似，根據設定給礦量與皮帶秤采集的處理量相比較，差值經PID運算器計算后給出4～20mA信號調節板式給料機頻率，從而穩定處理量。由于礦石性質變化頻繁，且調節變化的滯后性強，采用傳統PID控制方式難以穩定控制，經常發生超調甚至振蕩等極端情況。經大量調試，在程序中寫入了基于模糊控制的PID參數自適應控制方法，根據設定值與實際值偏差大小、變化率動態調整P、I、D等參數的設定值［7］，從而消除滯后，減少系統超調量，如圖2所示。

圖2 給礦控制回路圖

4 基礎自動化完善

磨礦生產過程復雜，受礦石性質、鋼球添加、襯板損耗等多種因素共同影響作用，難以建立精確的數學模型。工人依據經驗調節相關參數，難以形成有效的操作控制。磨礦產品波動范圍較大，設備故障時有發生，降低了設備的使用臺效。當前隨著礦冶科技的發展，新技術新手段層出不窮，該廠結合自身生產工藝特點，通過多項技術改造，逐步完善了參數的檢測管理，加強了磨礦過程監控，并大幅提高了自動化水平，創造了良好的經濟效益。

4.1 磨機變頻改造

磨礦過程之前一直都是工頻運行，由于礦石硬度、塊度等性質的變化，即使在穩定的給礦量、給水量情況下，也可能存在功率過高，直至發生脹肚等影響生產狀況。在缺乏調節手段的情況下，工人只好采取暫時斷礦等緊急處理措施。在查閱大量資料并多方面考察情況下，該廠立項進行了磨機變頻改造。通過新增變頻配電室，安裝高壓變頻器，與原控制系統調試對接等大量工作，成功實現了磨機轉速變頻調節。在磨機功率升高趨勢下，增大電機頻率，加快磨機轉速，提高礦石拋落，加強研磨效果，避免了斷礦等極端處理措施，設備臺效得到明顯提高［8］。并且在粒度儀投用的情況下，可以根據研磨的原礦粒度大小動態調節頻率和轉速，以達到穩定原礦粒度的目的。

4.2 新增自動加球機

磨礦過程鋼球的添加，對增強礦石研磨效果，穩定磨礦產品粒度及電機運行功耗具有重要影響［9］。以前工人根據生產制度，在每天早班或生產實際，通過行車吊裝數袋鋼球一次性加入傾倒進入磨機中，造成鋼球加入初期鋼球自磨，磨機功率升高，加入末期鋼球已磨損殆盡，對礦石已無研磨效果，控制粗放，影響后續浮選指標。

該廠對此新增了一套加球機器人和自動加球機，加球機器人機械臂上安裝有3D相機，通過訓練算法可以識別并定位鋼球位置，并沿途進行避障，從而可自動抓取鋼球，并投入加球機儲球倉。

加球機自動根據程序設定，從自身球倉內均勻抓取鋼球，由于鋼球池位于磨礦平臺以下，提升機自動開啟升至平臺后通過溜槽進入半自磨機。整體示意圖如圖3所示。

圖3 加球機整體示意圖

加球機具有多種加球模式，在均勻模式下工人可以設定班次、加球數量、加球次數等參數，在自動模式下，加球機將根據當前給礦量自動計算加入鋼球的數量、次數等參數，加球機將在設定的參數條件下，均勻、分批次加入不同數量的鋼球，有效避免了一次性加球的缺陷。自動加球機的使用對穩定磨機功率、礦石粒度等指標發揮了重要的作用。

4.3 新增磨機負荷等新型監控儀器

在磨機運行過程中，磨機內物料與襯板的碰撞會使筒壁產生振動，因此，磨機筒壁振動信號可以直接反映磨機內物料與襯板碰撞特性的變化，而這些變化取決于物料的總量、運動軌跡和物料中各種成分比例。相比現有的各種檢測方法，筒壁振動信號檢測法采用了更為可行且直接的檢測原理，而且由于筒壁振動信號中包含了較為豐富的磨機運行狀態信息，所以它能夠在一定程度上反應磨機內部的工況變化［10］，實現對磨機的負荷監測。

該廠在半自磨機筒體表面固定安裝了磨機負荷信號采集傳感器，采集磨機筒體壓力、振動等信號并放大，信號接收單元通過無線通信的方式接收數據，并對數據進行儲存和分析，計算得到磨機負荷的特征參數，實時顯示參數曲線并將特征參數通過Modbus-TCP協議集成到DCS系統。通過大量采集這些數據并與磨機功率、電流進行相關性分析，為未來摸索磨機優化控制策略提供了數據支撐。

圖4 磨機負荷裝置安裝示意圖

5 前景探討

磨礦基礎自動化的實現降低了對工人操作的依賴，使工人的勞動強度大大降低。但是由于磨礦過程的復雜多變，磨礦產品生產指標仍有波動。基于現有自動控制基礎，未來可以努力的方向還有很多。例如找尋磨礦粒度與鋼球添加、襯板損耗、電機頻率之間的關系，找尋磨礦濃度與前后給水量、給礦量、電機頻率之間的關系等。通過神經網絡建模等技術手段［11］，對采集的大量數據進行相關性分析后，可進一步摸清磨礦規律。針對磨礦過程復雜多變、滯后性大、非線性強的特點，可持續研究專家系統、預測控制等先進控制算法［12］在磨礦流程中的應用實驗。