陜西某鉛鋅選礦廠球磨自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周金民，趙彥杰，王洋，張柏春，張柏

(1.寶雞西北有色七一七總隊(duì)有限公司， 陜西 寶雞市 721004；2.陜西震奧鼎盛礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞市 721707；3.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將選礦過程中的技術(shù)參數(shù)通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)選礦自動(dòng)化生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)礦山選礦廠均不同程度地研究與應(yīng)用了自動(dòng)化控制技術(shù)[1]，得到了較好的應(yīng)用效果，目前，自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)已成為一種趨勢(shì)。因此，采用傳統(tǒng)人工操作的礦山需要進(jìn)行自動(dòng)化控制改造來提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工藝簡(jiǎn)介

該選礦廠球磨系統(tǒng)采用一段閉路磨礦工藝流程，球磨設(shè)備采用MQG2100×3000濕式格子型球磨機(jī)，分級(jí)設(shè)備采用 FLG-Φ2000髙堰式單螺旋分級(jí)機(jī)，圓盤給料機(jī)采用DB800圓盤給料機(jī)。處理能力為21 t/h，溢流細(xì)度-200目占55%～65%。

通過對(duì)磨礦作業(yè)數(shù)據(jù)分析及過程診斷研究發(fā)現(xiàn)，該選礦廠磨礦溢流細(xì)度達(dá)不到70%且細(xì)度不穩(wěn)定，影響了浮選精礦質(zhì)量、尾礦指標(biāo)及金屬回收率。需要通過各種途徑來降低溢流細(xì)度并保持磨礦的穩(wěn)定性，其中最好的方法就是應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 球磨自動(dòng)化設(shè)計(jì)應(yīng)用原則

（1）確保系統(tǒng)所采用的技術(shù)與當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)一致，以便于未來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展、升級(jí)和優(yōu)化，使系統(tǒng)具有較高的先進(jìn)性和較長(zhǎng)的生命周期。

（2）從系統(tǒng)硬件的選型、網(wǎng)絡(luò)層的部署到操作多樣性等方面進(jìn)行控制。系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種獨(dú)立、互為備份的操作方法，最大程度保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

（3）自動(dòng)化系統(tǒng)要具有很強(qiáng)的實(shí)用性，保證易于管理、易于維護(hù)，操作簡(jiǎn)便。

3 自動(dòng)化控制功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

由于磨礦作業(yè)作用因素多、參數(shù)相關(guān)性強(qiáng)、機(jī)理復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)磨礦作業(yè)的自動(dòng)化控制需要從監(jiān)測(cè)顯示手段、數(shù)據(jù)分析、控制技術(shù)等方面進(jìn)行全面的研究。主要包括：給水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制、自動(dòng)加球機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用、給料的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制、溢流濃度采集與顯示、磨礦機(jī)聲音采集與顯示、主要設(shè)備電流電壓采集與顯示、皮帶的自動(dòng)糾偏與扶正、設(shè)備的連鎖控制及故障監(jiān)測(cè)、主要設(shè)備與監(jiān)控點(diǎn)的視頻監(jiān)控。

3.1 給水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制

在分級(jí)機(jī)返砂口及球磨機(jī)排礦口2處安裝自動(dòng)給水測(cè)量模塊，通過模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)給水量。系統(tǒng)根據(jù)分級(jí)機(jī)溢流濃度計(jì)算出給水量，并及時(shí)通過系統(tǒng)調(diào)整給水量，使溢流細(xì)度控制在工藝要求范圍內(nèi)。

計(jì)算機(jī)通過電磁閥控制閥門開度，由于進(jìn)水量除了和電磁閥開度有關(guān)，還與水管的壓力有關(guān)，因此，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)水量誤差較大。為了解決水量誤差，進(jìn)水執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分采用閉環(huán)負(fù)反饋控制，使進(jìn)水量符合要求。給水系統(tǒng)流程如圖1所示，圖中給水量是上位機(jī)給定的信號(hào)，PID為控制算法，伺服閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，流量計(jì)為反饋信號(hào)采集單元[2]。

圖1 給水系統(tǒng)流程

3.2 自動(dòng)加球機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用

通過安裝在滾筒上的球爪進(jìn)行隨機(jī)取球，然后通過光電檢測(cè)器進(jìn)行非接觸檢測(cè)，并由可編程序控制器的智能型自動(dòng)加球裝置進(jìn)行智能辨識(shí)和控制，從根本上解決了以往加球機(jī)存在的鋼球卡、堵現(xiàn)象，對(duì)直徑40 mm以上的任意鋼球均能順利補(bǔ)加，實(shí)現(xiàn)鋼球補(bǔ)加和控制[3]。加球機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加球機(jī)結(jié)構(gòu)示意

控制系統(tǒng)采用PLC[4]作為中心控制器，通過控制程序完成電動(dòng)機(jī)的啟停控制、檢測(cè)信號(hào)的處理、鋼球類型的判斷和加球量的統(tǒng)計(jì)等工作，控制系統(tǒng)如圖3所示。同時(shí)，為了加強(qiáng)人機(jī)交互功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中文界面的操作屏幕。操作人員可在屏幕上進(jìn)行加球量、加球周期、鋼球單重等參數(shù)的設(shè)置，并可通過屏幕隨時(shí)了解加球機(jī)累計(jì)加球數(shù)量等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼球量和鋼球配比的精確管理。

在手動(dòng)狀態(tài)下，完全由人工通過觸摸屏按鈕直接控制加球電動(dòng)機(jī)和擋板電動(dòng)機(jī)的啟停，系統(tǒng)不參與控制。在自動(dòng)狀態(tài)下，通過觸摸屏設(shè)定每次加球個(gè)數(shù)以及間隔時(shí)間，控制器按照設(shè)定值自動(dòng)開停機(jī)。在全自動(dòng)狀態(tài)下，可以通過上位機(jī)傳送的實(shí)時(shí)礦量及現(xiàn)場(chǎng)工藝條件等數(shù)據(jù)自動(dòng)算出每個(gè)小時(shí)的加球量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加球。

圖3 加球機(jī)控制系統(tǒng)

該自動(dòng)加球機(jī)安裝在皮帶機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)了鋼球的定量添加與統(tǒng)計(jì)，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度并實(shí)現(xiàn)磨礦效率的最大化。

3.3 給料自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制

在皮帶中段安裝一臺(tái)電子皮帶秤。可以直觀統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)量，為生產(chǎn)任務(wù)及生產(chǎn)計(jì)劃提供可靠依據(jù)；同時(shí)皮帶秤所測(cè)數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)分析后，聯(lián)動(dòng)圓盤給料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率控制給礦量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)球磨機(jī)的負(fù)荷控制，最大限度提高磨礦作業(yè)生產(chǎn)效率。

在圓盤給料機(jī)附近安裝自動(dòng)給料控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程及現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)給料機(jī)，并能靈活調(diào)整設(shè)備給料大小，避免操作人員往復(fù)走動(dòng)調(diào)整。

3.4 溢流濃度采集與顯示

在原礦緩沖箱內(nèi)安裝濃度采集模塊，濃度采集模塊由傳感器及變送器組成。通過對(duì)分級(jí)機(jī)溢流礦漿濃度的監(jiān)測(cè)，判斷磨礦濃度是否在工藝要求范圍內(nèi)，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)值不符合生產(chǎn)工藝要求，系統(tǒng)將及時(shí)自動(dòng)調(diào)整給礦量及進(jìn)水量。

3.5 磨礦機(jī)聲音采集與顯示

在球磨機(jī)側(cè)方安裝1個(gè)磨音采集傳感器，讀數(shù)儀固定在磨礦 DCS控制單元內(nèi)。通過接收球磨機(jī)發(fā)出的噪音，分析分貝值與球磨機(jī)內(nèi)填充物料比例關(guān)系來實(shí)時(shí)調(diào)整球磨機(jī)的進(jìn)料。

3.6 主要設(shè)備電流電壓采集與顯示

在球磨機(jī)、分級(jí)機(jī)、圓盤給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)、原礦渣漿泵等5個(gè)主要設(shè)備的控制箱內(nèi)安裝電流、電壓采集模塊。通過對(duì)以上關(guān)鍵設(shè)備的電流電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備工作狀態(tài)的分析和報(bào)警，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度提高磨礦作業(yè)效率。

3.7 皮帶的自動(dòng)糾偏與扶正

在皮帶輸送機(jī)的機(jī)頭與機(jī)尾位置分別安裝皮帶自動(dòng)扶正裝置。皮帶扶正裝置分為上糾偏和下糾偏。在生產(chǎn)過程中，一旦檢測(cè)到皮帶發(fā)生偏離將自動(dòng)對(duì)皮帶進(jìn)行校正糾偏，從而實(shí)現(xiàn)全天候無人自動(dòng)糾偏，確保設(shè)備健全，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率[5]。

3.8 主要設(shè)備與監(jiān)控點(diǎn)視頻監(jiān)控

在球磨機(jī)、分級(jí)機(jī)、圓盤給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)機(jī)尾、自動(dòng)加球機(jī)、原礦渣漿泵等6處安裝攝像機(jī)。全天候?qū)δサV分級(jí)作業(yè)主要控制點(diǎn)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，操作人員在控制室內(nèi)完成對(duì)所有設(shè)備的監(jiān)控，保障設(shè)備的運(yùn)行安全、減輕操作人員巡查強(qiáng)度。

3.9 設(shè)備連鎖控制及故障監(jiān)測(cè)

在系統(tǒng)中按照標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程設(shè)置好開停機(jī)順序及設(shè)備開停機(jī)的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)磨礦分級(jí)作業(yè)的順序控制、聯(lián)鎖控制、優(yōu)化控制，確保整個(gè)磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)置故障報(bào)警模塊。磨礦系統(tǒng)某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)輕微故障時(shí)，會(huì)立即報(bào)警并將信息上報(bào)到控制系統(tǒng)，提示操作人員及時(shí)處理，出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)立即報(bào)警并停車。故障停車時(shí)要按照特定的聯(lián)鎖方式停止與其相關(guān)的設(shè)備，即故障設(shè)備的后續(xù)設(shè)備進(jìn)行局部的聯(lián)鎖控制，按一定順序延時(shí)停車，而其前端的設(shè)備則立即停車，防止物料擠壓皮帶或者造成設(shè)備損壞。確保整個(gè)磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

3.10 中心控制室

將球磨自動(dòng)化系統(tǒng)主機(jī)、控制單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)安裝在球磨隔音室內(nèi)。球磨自動(dòng)化系統(tǒng)主機(jī)、控制單元通過網(wǎng)線與交換機(jī)連接，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備啟停及各傳感器控制。球磨自動(dòng)化系統(tǒng)主機(jī)將所采集數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。各視頻監(jiān)控點(diǎn)所采集信號(hào)通過網(wǎng)線與交換機(jī)連接并匯入硬盤錄像機(jī)，通過顯示器實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)畫面。操作人員只需在控制室內(nèi)查看系統(tǒng)信息，有無報(bào)警及數(shù)據(jù)異常即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制及遠(yuǎn)程操作。同時(shí)通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可及時(shí)査看各生產(chǎn)點(diǎn)狀況，大大提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)功能菜單功能。系統(tǒng)主畫面可以根據(jù)用戶需要，配置是否顯示該元素，通過操作菜單第一項(xiàng)中的命令來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)某一項(xiàng)顯示到主畫面后，可以執(zhí)行相應(yīng)的菜單命令隱藏。

本系統(tǒng)中主要顯示的畫面元素有：動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤曲線、PLC所有模塊采集信息顯示、模擬量輸出與虛擬儀表基本操作、顯示隱藏日期時(shí)間信息面板、顯示隱藏設(shè)備開關(guān)控制按鈕、顯示隱藏智能儀表控制面板。

（2）模擬量輸出與虛擬儀表基本操作功能。本系統(tǒng)是完全通過 PLC來管理控制整個(gè)磨礦自動(dòng)化設(shè)備的，整個(gè)PLC可以劃分成若干個(gè)虛擬設(shè)備，本窗口按虛擬設(shè)備顯示整個(gè)磨礦設(shè)備自動(dòng)化的所有采集與控制量信息和數(shù)據(jù)。用戶可以通過此窗口一覽整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

（3）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤曲線功能。顯示當(dāng)前磨礦自動(dòng)化設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中采集過來的動(dòng)態(tài)溫度、壓力、流量跟蹤曲線。系統(tǒng)每隔一定的時(shí)間就開始采樣各個(gè)傳感器的實(shí)際樣板數(shù)據(jù)值，產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示出來，從顯示結(jié)果看出設(shè)備內(nèi)的運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)參數(shù)。所有數(shù)據(jù)形成一個(gè)隊(duì)列，每當(dāng)采樣一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)首先將隊(duì)列所有數(shù)據(jù)組向后平移，淘汰處于末尾的一組數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)將新的一組數(shù)據(jù)放在隊(duì)列頭部。

（4）記錄數(shù)據(jù)瀏覽功能與報(bào)表打印功能。本窗口提供了瀏覽當(dāng)前或歷史記錄數(shù)據(jù)的功能。窗口標(biāo)題欄同時(shí)顯示了所需瀏覽數(shù)據(jù)的文件名和出自路徑。用鼠標(biāo)右鍵單擊本窗口，出現(xiàn)一個(gè)快捷菜單，提供了局部瀏覽數(shù)據(jù)的功能。

本窗口提供了打印數(shù)據(jù)表格的功能，該功能可根據(jù)各班次及時(shí)間打印符合要求的報(bào)表。

（5）查看歷史運(yùn)行跟蹤曲線。運(yùn)行命令后，在文件夾中顯示要查看的記錄文件。本命令可以操作多次，既可以同時(shí)顯示多個(gè)跟蹤曲線窗口，也可以對(duì)其加以比較。各曲線顏色有所區(qū)別，曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度值、流量值或壓力值。可選擇對(duì)應(yīng)曲線的復(fù)選框查看曲線。

（6）PLC調(diào)試窗口。本系統(tǒng)中PLC負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的順序邏輯及諸多開關(guān)量控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給水、自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)加球、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警與安全保護(hù)。本窗口提供了可以查看PLC內(nèi)部任何一變量區(qū)并且可以修改其參數(shù)值的功能。

5 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

（1）金屬回收產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用后，溢流濃度由 55%～65%提高并穩(wěn)定在68%～72%；浮選指標(biāo)改善，并且能夠提高金屬回收率0.1%。該公司年產(chǎn)鉛金屬3500 t，年產(chǎn)鋅金屬16 000 t；以鉛單價(jià)1萬元/t，鋅單價(jià)1.3萬元/t計(jì)，則年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為24.3萬元/a。

（2）降低選礦成本產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用后，球磨處理能力由21 t/h提升到22 t/h，降低了0.15元/t的選礦成本。以年處理量為30萬t計(jì)，則年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為4.5萬元/a。

6 結(jié)論

（1）自動(dòng)化系統(tǒng)使該公司球磨處理能力由 21 t/h提升到22 t/h，球磨溢流濃度由55%～65%提高并穩(wěn)定在68%～72%，使礦物得到充分的單體解離。

（2）提高金屬回收率 0.1%，節(jié)約選礦成本0.15元/t，能夠?yàn)樵摴拘略鼋?jīng)濟(jì)效益28.8萬元/a。

（3）球磨系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)良好且穩(wěn)定，減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低職工職業(yè)病危害及安全危害系數(shù)。