破碎過程智能給礦控制系統開發與應用

萬洪濤

（山東黃金礦業（萊州）有限公司 焦家金礦，山東 萊州 261441）

1 引言

國內某礦山隨著磨礦段的生產能力不斷擴大，現有的破碎機系統因生產效率低和流程穩定性差等問題，造成破碎段處理能力無法滿足日益增加的磨礦量需求。因此，急需對破碎過程控制系統實施智能化控制升級，最大程度挖掘現有破碎系統的生產能力。

該礦山選礦廠破碎工藝采用三段一閉路流程，礦石經振動放礦機給到顎式破碎機進行粗碎，并經1#皮帶運輸機轉運至雙層圓振動篩進行洗礦。洗礦篩篩上產物由2#皮帶運輸機輸送到粗腔型圓錐破碎機中進行中碎，中碎及細碎產品由3#和4#皮帶運輸機輸送到預先檢查篩分分配礦倉，由振動給料機給到雙層圓振動篩進行篩分。篩上產物由5#皮帶運輸機輸送到細腔型圓錐破碎機中進行細碎。洗礦篩篩下產物進入雙螺旋分級機中分級，分級返砂和預先檢查篩分篩下產物由6#和7#皮帶運輸機運輸至粉礦倉。

上述三段一閉路破碎工藝過程時常因為各級破碎機的負荷及破碎產品粒度分布不合理，導致破碎機的料倉會出現爆滿或空倉的問題，破碎過程不能穩態運行。同時，圓錐破碎機作為破碎流程的核心設備由于經常欠載運行，造成生產效率低下［1］。因此，對破碎過程開展給礦智能化控制技術研究，特別是圓錐破碎機高效給礦技術研究具有重要現實意義［2-3］。

2 破碎系統操作分析及控制目標

圓錐破碎機作為破碎流程的核心設備，其性能主要依賴于功耗、排礦口和給礦的粒度分布與硬度［4］。一般來說，增大圓錐破碎機的給礦量破碎機的功率也要增大。如果增大排礦口，那么在某個特定的給礦量條件下功率就會顯著降低，而產品粒度變粗。若中碎破碎機產出的產品粒度過大，會導致細碎破碎機的篩上返回量逐漸加大，而細碎破碎機上方的料倉料位逐漸加高，會導致細碎破碎機的篩上返回量逐漸加大，又迫使細碎破碎機加大排空口尺寸，輸送到磨礦的合格礦石量反而會降低。如果圓錐產品粒度越細，處理每噸物料所需的能耗就越高，中碎破碎機產出的產品粒度過小，輸送到細碎破碎機的處理量下降，加大能耗，同樣降低破碎生產率，且細碎輸送到磨礦的合格礦石量會降低。此外，圓錐破碎機功率的變化能夠用于確定設備的過載條件，減少設備停機頻次，提高運行時間。因此通過調節給礦量來控制圓錐破碎機的功率維持在一個比較穩定高效的狀態的是十分必要的［5-8］。

對于破碎流程的振動篩來說，在負荷增大時，振動篩的效率就會降低。我們希望篩子工作具備合理的效率，否則篩子給料中的大量潛在篩下產品就要進入篩上產品并增加循環負荷，但產量并不相應地提高。利用限制給礦量使單個篩子的循環負荷不大于一個固定值，這在某種程度上能夠克服篩子運行效率太低的問題。

結合以上分析可知，破碎系統的經濟目標是在高產量的條件下生產細粒產品，那就要使控制回路維持最高的安全功耗。本文通過設計破碎過程給礦來提高破碎過程整體生產效率，降低破碎過程能耗，穩定破碎產品質量。

3 破碎系統智能給礦控制策略

3.1 圓錐破碎機智能給料控制策略

圓錐破碎機智能給料控制的原則是擠滿給礦，即通過在控制圓錐破碎機設備功率和控制喂料倉料位之間進行智能選擇切換，來穩定破碎機的給料過程、減小斷斷續續給料發生的幾率。具體控制策略可歸納為：

規則1：當喂料倉料位高于料位高高限，停給料。

規則2：當喂倉料位高于料位高限，且滿足連續一段時間或一段時間內超過預置的次數時，每隔N秒，給料頻率減少△f Hz，直至高限狀態位復位，執行恒功率（即電流）PID控制。

規則3：當喂倉料位低于料位低限，且滿足連續一段時間或一段時間內超過預置的次數時，每隔N秒，給料頻率增加△f Hz，直至低限狀態位復位，執行恒功率（即電流）PID控制。

規則4：破碎機電流超過高高限，停給料。

規則5：破碎機電流超過高限，執行恒功率（即電流）PID控制，將電流拉回設定值，忽略料位控制。

此外，若頻繁出現電流低于低限且料位高于高限的異常情況（給料頻率已至上限），應考慮適當減小電流設定值（更換襯板初期較常見）；對于偶爾出現的電流超過高限且料位低于低限的異常情況，應排查是否由于是破碎腔堵塞或其他機械故障。

3.2 粗中細碎各段負荷協同控制策略

在解決了圓錐破碎機的給礦控制問題后，破碎各子工序間控制關系的調諧是破碎流程負荷均衡控制的核心。在整破碎個流程的物料平衡情況下，各段緩沖料倉料位應在一定范圍內變化。所以，粗碎、中碎與細碎各段負荷協同控制主要是控制各段緩沖礦倉料位，既要保證礦倉的緩沖作用，又要對能體現各段負荷匹配情況的料位實現目標范圍內的控制。如圖1所示為中碎和細碎間負荷協同控制過程工藝設備形象聯系圖。

圖1 被控過程工藝設備形象聯系圖

該被控過程中緩沖料倉料位的高低以及變化趨勢，比較好的反應了中碎過程循環量體積的變化。首先對緩沖料倉料位變化趨勢進行辨識，再根據中間料倉的緩沖能力進行調容調峰，協調上下游工序生產負荷與循環負荷，使得整體破碎流程能夠獲得較為平穩的調諧效果。其控制策略是充分利用料倉的有效容積，在不出現冒頂、打空等事故的前提下優先保證循環負荷的平衡控制效果，通過帶記憶的變結構控制策略實現綜合性能的最優。如圖2所示將料倉料位按照：①危險區、②調整區和③穩定區劃分為5個區域。針對每個區間實現不同的控制策略。

圖2 負荷協同控制分區示意圖

工況1：若料位處于穩定區③時，給礦機頻率維持不變，以保證流程的穩定。此時系統處于平衡狀態。

工況2：若料位從穩定區③進入調整區②時，說明系統發生了工況變化，平衡被破壞。此時將通過PID算法調整給礦機頻率，使液位重新進入穩定區，達成新的平衡后再次進入恒給礦頻率控制。其中，進入新的循環負荷平衡的標準是料位值在穩定區的中心小幅波動。取達到平衡狀態后一段時間內的輸出頻率平均值作為新的平衡點。

工況3：若料位處于危險區①且超過料位高高限時，將停止給礦；若低于料位低低限時，將停下游工序給礦機或降頻。

4 破碎過程智能控制系統開發與應用

根據前節所述破碎智能控制策略，基于LabView軟件平臺，開發了破碎過程智能控制系統。該系統通過OPC協議與自動化系統的PLC進行數據交互，該破碎過程智能控制軟件包括如下幾個功能單元：

（1）圓錐給料智能控制單元。

圓錐給料智能控制單元可以顯示圓錐給料機運行狀態，圓錐破碎機運行運行電流，料倉料位及排礦口尺寸等參數。同時可以對圓錐破碎機期望電流、料位及其連鎖上/下限，給料機的運行頻率上/下限進行參數設定。當電流控制投用時，可實現對破碎機電流的自動控制；當擠滿給料投用時，可在電流控制的同時，實現對破碎機料倉的料位控制。趨勢圖可以對圓錐的電流和料位控制效果進行實時顯示。現場應用控制曲線見圖3、圖4所示。

圖3 細碎圓錐破碎機電流控制曲線

圖4 細碎圓錐給料控制電流/料位智能選擇狀態

（2）負荷協同控制單元。

負荷協同控制單元主要顯示給料機運行狀態和中碎料倉料位。同時可設置中碎料倉期望料位及其連鎖上上限、上限、下限、下下限，給料機的運行頻率上/下限。當中碎料位高于高限或低于低限時，自動調整過程中指示燈變亮，此時對正在遠程運行的給礦機頻率進行自動調整，直至控制料位穩定在設定值附近。當中碎料位穩定在設定值附近范圍內一段時間后，指示燈熄滅。趨勢圖可以對中碎料倉料位控制效果進行實時顯示。

（3）破碎礦石粒度顯示單元。

以柱狀圖的形式清晰的對比顯示破碎原料、出料及最終篩分產品的粒度分布，以便操作員及時調整破碎機工作狀態。

（4）皮帶負荷報警單元。

系統通過皮帶的電流監測實現皮帶過負荷運行的預警。

經數據統計分析，圓錐破碎機智能擠滿給料控制投用以來，單臺圓錐破碎機的平均有效負荷率上升了13.5%，處理能力提升了60t/h，排礦中-12mm占比由55%提升至60%。同時，在達到擠滿給礦狀態下，可有效提高圓錐破碎機的襯板使用壽命。

5 結語

針對破碎流程在實際生產運行過程中，圓錐破碎機欠載運行時間長，設備利用率低，工序間負荷平衡難以控制，流程穩定性差的問題，本文設計并開發了一套破碎過程智能給礦控制系統。工業應用試驗證明，智能給礦控制系統投入應用后，圓錐破碎機運行負荷率顯著提高，在保證破碎產品粒度質量達標的同時，降低了給料沖擊對破碎機部件造成的損耗，有效的提高了設備的使用壽命。