智能加球系統在大尹格莊金礦的優化與應用

張照浩 王科學 王福祥

摘要：大尹格莊金礦通過對加球系統的布局設計、檢測控制及設備選型等進行優化，完成了加球系統中自動行走磁鐵吸盤行車、加球裝置、斗提機等關鍵設備的自動化控制與監測，實現了加球過程的智能化控制。該智能加球系統根據生產實際礦量測算鋼球損耗，利用仿真球磨機磨礦時鋼球損耗速率進行加球控制。工業應用表明：智能加球系統使球磨機內球徑具有良好的級配組合，提高了磨礦效果，降低了磨礦能耗和生產成本，且具有安裝方便、監控精準全面、運行安全可靠等特點。

關鍵詞：智能加球系統;加球裝置;斗提機;控制邏輯;自主識別

中圖分類號：TD921+.4

文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）02-0075-06

doi：10.11792/hj20220213

在磨礦過程中，球磨機內鋼球隨著磨礦過程的進行而不斷損耗減少，為了保持球磨機具有適宜的鋼球充填率，需要在磨礦過程中對球磨機進行鋼球補充。目前，國內很多選礦廠的球磨機采用人工加球，每個生產班次（一般為 8 h） 加球一次[1]。這種人工加球方式不但勞動強度大，難以準確添加和計量，而且更難以實現均勻連續穩定添加。隨著礦山企業管理的日益精細化，以及為了適應智慧化工廠的發展需求，減輕工人勞動強度，實現智能化精確加球，招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦（下稱“大尹格莊金礦”）與科研機構開展了智能無人化加球技術研究。通過對加球系統的合理布局、設備改造、控制邏輯調試等，解決了鋼球在添加、計量、檢測等環節的技術難題。智能加球系統在大尹格莊金礦的成功應用對金屬礦山、冶金、化工、水泥建材等行業的磨礦作業實現智能無人化加球具有借鑒意義。

1 工程背景

大尹格莊金礦實施智能加球的球磨機有2臺，但加球配比不同。其中，MQG3660球磨機添加2種直徑的鋼球，分別為100 mm、80 mm鋼球，配套安裝2臺加球裝置;MQY4060球磨機添加3種直徑的鋼球，分別為100 mm、80 mm、60 mm鋼球，配套安裝3臺加球裝置。

加球系統的作業流程為磁鐵吸盤行車將鋼球補加到加球裝置內，而后加球裝置逐一將鋼球添加至運輸管路，鋼球沿運輸管路進入斗提機，被斗提機運送至最終的加球管路中，完成投加作業。加球系統運行過程中不僅存在各球倉球位監測和自動補球問題，同時還存在堵球、卡球、掉球、空倉等故障難以自動判定、預警及自動處置的問題，影響加球系統運行的連續性、穩定性。

2 智能加球系統結構及優化

2.1 結 構

智能加球系統包括加球裝置、自動行走磁鐵吸盤行車（下稱“行車”）、斗提機、地表球倉、球徑與狀態檢測裝置、基于ARM技術開發的控制器、基于PLC控制開發的算法控制技術、故障自檢處理技術等。智能加球系統結構布局如圖1所示。

現場球磨機周圍無安裝空間，而該系統在設計上合理利用高差，即利用管路完成鋼球的轉運、投加動作，因此不必緊鄰球磨機，具有較強的安裝適應性。同時，避免了因空間受限導致無法安裝或安裝后球磨機和加球系統的維護與檢修工作受到影響。

該系統的地表球倉位于地面，便于裝卸鋼球。加球裝置位于地表球倉一側，位置略高于地面，以滿足加球裝置出球口與下道工序斗提機入球口之間高差要求。不同球徑加球裝置緊鄰對應球徑的地表球倉，便于補球作業。各加球裝置的出球口共用一條運輸管路運至斗提機。斗提機將鋼球提升至最終的加球管路中。

智能加球系統主要設備行車、加球裝置和斗提機之間的控制邏輯為：行車給加球裝置儲球倉進行補球，加球裝置儲球倉鋼球量下限作為行車補球的聯鎖觸發條件;向球磨機加球時，先啟動斗提機運行1 min，然后再啟動加球裝置;加球完畢停止加球裝置1 min后，再停止斗提機。球磨機運行信號與加球裝置進行聯鎖，球磨機正常運行時，方可啟動加球裝置。

2.2 設備優化與智能控制

2.2.1 智能加球裝置

1）整體概況：智能加球裝置由加球裝置儲球倉、撈球機構、松球排障機構、加球檢測機構和智能加球裝置控制器組成。常規型號加球裝置儲球倉一次性可儲球3～6 t。

優化設計：①為解決空撈和卡球等問題，對撈球機構進行了優化設計，采用中間長兩邊短的特制三齒撈球鉤，每個齒安裝在獨立的鏈條上，共5根鏈條（中間1根重疊），撈球鉤左右布置、橢圓對稱安裝，即左右2個撈球軌道依次撈球。在保證撈球鉤每次只取1個鋼球的前提下，加球裝置依靠光電傳感器檢測加球個數[2]。②帶液壓推桿的松球排障裝置。在加球裝置儲球倉底部設置底板，底板遠離出球口的一端與儲球倉活動連接，在底板下方設置液壓推桿驅動底板運動。此設計能有效打破加球裝置儲球倉內鋼球堆的靜態平衡，從而解決卡球、堵球等問題。智能加球裝置結構如圖2所示。

2）控制模式。鋼球添加自動控制系統主要由可編程控制器、人機交互界面（觸摸屏）、通信及輸入/輸出信號等組成[3]。為滿足不同工況的加球需求，加球裝置共設置5種運行模式：

（1）調試模式：崗位人員可通過觸摸屏單獨啟停加球電動機和液壓推桿。

（2）均勻模式：崗位人員可通過觸摸屏輸入本班計劃加球量和加球次數，智能加球裝置控制器根據輸入值進行分次自動加球。

（3）連續模式：崗位人員可通過觸摸屏輸入本班計劃加球量，智能加球裝置控制器根據輸入值進行連續自動加球。

（4）自動模式：智能加球裝置控制器通過連接球磨機上料膠帶秤，或連接選礦廠自動化系統，以信號采集或通訊的方式獲得球磨機各時段的處理礦量，并自動計算出鋼球損耗，按鋼球損耗補加鋼球。

（5）均勻時間模式：崗位人員可通過觸摸屏輸入本班計劃加球量，智能加球裝置控制器根據輸入值自動計算單位加球間隔時間，啟動后，依次進行單個加球。

智能加球裝置模式選擇畫面如圖3所示。

3）檢測控制功能。

（1）解決了空撈的判定與處理問題。空撈即加球裝置內因出現堵球、卡球或鋼球位置不當等問題，導致撈球鉤無法撈球的現象。當撈球鉤連續6次（次數可酌情設定）通過此部位光電傳感器，而加球裝置出球口無鋼球通過（出球檢測光電傳感器無動作），記1次空撈。當連續空撈6次（次數可酌情設定）后出球檢測光電傳感器仍無動作，即判定加球裝置內出現堵球、卡球等問題。此時，啟動液壓推桿進行松球排障（動作時間可設定，單位為秒）[4]。

（2）解決了空倉的判定與處理問題。當連續執行6次（次數可酌情設定）松球排障動作后加球裝置出球口仍無過球信號，則判定為空倉，此時在上位機進行空倉彈窗報警，并在就地控制觸摸屏上滾動故障原因文字，同時觸發聲光報警器。

4）加球邏輯設計。加球系統通過物聯網獲取選礦處理礦量及測算鋼球損耗，并利用仿真球磨機磨礦時鋼球損耗速率進行加球控制。自動加球過程控制邏輯如圖4所示。

（1）自動計算計劃加球量功能。根據采集的上個時間段（一般為一個班次時間）球磨機處理礦量，確定本時間段需要補充的鋼球數量，而后按照工藝要求的鋼球配比計算不同類型鋼球的加球量。

（2）單次加球邏輯。智能加球系統只有在加球時間窗口運行時，才控制加球機械執行加球命令，并以獲取加球成功的信息為止;否則，將利用檢測到的信息分析加球時出現的問題，在排除如堵球、缺球等異常后，繼續將本次加球執行完成，并等待下次加球時間窗口的運行再執行加球命令。

（3）單個鋼球質量設置功能。由于每批同類型的鋼球質量存在差別，所以需要對每批鋼球的實際質量進行測量，再根據實際質量進行參數設置。

2.2.2 行 車

該系統采用帶有光電開關、行程開關及激光測距儀的行車完成自動巡檢，應用情況如下：

1）結構。起重機的行走由驅動裝置（由馬達與減速器組成）直接驅動運行車輪（主動輪）實現，制動則通過電氣系統控制馬達實現。行車現場應用如圖5所示。

2）監測點設計。為能準確完成鋼球補加及各球倉巡檢等功能，在行車的各準確對應位置安裝監測感應裝置，即在行車運行軌道和電葫蘆運行軌道上安裝光電開關控制其運行位置。在行車大架上安裝激光測距儀、限位行程開關、限位光電開關，實現行車在完成定點測量和補球功能過程中的定位與監測功能。

3）控制邏輯。

（1）行車自主識別定位功能。行車啟動后，根據基準點位置，自主運行判斷行車位置、電葫蘆位置和電磁吸盤高度。根據行車判斷的狀況，對電磁吸盤高度、電葫蘆位置、行車位置進行校正，使行車滿足自動運行條件，之后回歸設定的初始位置。

為消除電磁吸盤晃動對控制操作或鋼球吸附的影響，每個動作之間要酌情設置間隔時間（一般在30～300 s）。每次加球裝置加球完畢，對加球裝置儲球倉、地表球倉鋼球量進行自主巡檢，并顯示球倉鋼球量。

（2）定時巡檢功能。為解決鋼球斗和球倉的球位監測問題，結合“三八制”的上班模式，每班設置一個時間點，到點觸發行車巡檢流程。例如：行車在南限位靜止1 min，行車東西限位的激光測距儀分別檢測南限位位置的地表球倉高度和加球裝置儲球倉高度，根據此高度判斷是否需要補球及地表球倉是否空倉;行車繼續向北行進至北限位，靜止1 min，如上判斷是否需要補球;最后檢測完成后行車向南運行至南限位，回到初始位置。

（3）加球裝置儲球倉自主補球功能。加球裝置儲球倉鋼球量低于下限值時觸發行車自動補球動作，行車判斷需要補球的類型，根據判斷結果到達相應的地表球倉后下降電磁吸盤，吸附鋼球，將所吸附的鋼球運送至加球裝置儲球倉，完成補球動作。每完成一次補球，對加球裝置儲球倉鋼球量進行判斷，確定是否需要繼續補球。加球裝置儲球倉自主補球功能控制邏輯如圖6所示。

（4）手動控制。使用遙控控制行車時，必須先按下加球車間門口的急停按鈕，等待車間門口顯示屏熄滅后再進行操作。

2.2.3 斗提機

1）結構。斗提機由運行部件、驅動裝置、上部裝置、中部機殼、下部裝置組成。運行部件由料斗和專用板式鏈條組成，采用雙排鏈;驅動裝置采用多種驅動組合 （可依實際需要而定）;上部裝置安裝有軌道（雙排鏈）、逆止器、裝有防回料橡膠板的卸料口;部分中部機殼裝有軌道（雙排鏈），防止鏈條工作時擺動;下部裝置安裝有自動張緊裝置。

2）出入方式優化改造。鋼球在進入斗提機時，常出現堵球或脫球問題，主要原因為鋼球沿管路進入斗提機時有一定的動能。為此，采用流入式給球，設計了扇形回彈緩沖區，確保鋼球不外漏。出球口漏斗上沿貼合焊接，防止鋼球下落過程中彈回斗提機內。同時，為緩解鋼球對設備的沖擊磨損及降低因碰撞產生的噪聲，對斗提機部分位置進行了襯膠處理，在入球口和出球口位置內襯了廢舊皮帶。

3）檢測控制設計。啟停檢測：通過電動機狀態進行檢測，實現狀態確認。提球檢測控制：通過位于斗提機頂部出球口管路上的光電開關進行檢測，其檢測信號與前端加球裝置的信號對應形成一個閉合回路，說明提球正常[5]。

2.2.4 管路的選型與設計

管路選用PE管，減小運輸過程中的噪聲，且PE管內壁更為光滑，不易堵球。在接球碰撞位置，管路內壁應安裝廢舊皮帶進行緩沖或選用內襯橡膠的管路以起到靜音和耐磨作用。斗提機出球口和球磨機入料口的運輸管路上均安裝有光電傳感器，2個光電傳感器共同作用判斷是否發生堵塞;當第一個光電傳感器發生動作，到達設置時間后第二個光電傳感器未發生動作，則判斷運輸管路出現堵塞，此時上位機彈窗報警。

2.3 預警監測及報表統計

1）故障報警功能。對整個加球系統的球道、斗提機、加球裝置、球倉球位各位置故障均進行報警。出現故障報警時，報警窗口彈出，相應的報警位置進行閃爍，及時提醒操作人員?，F場故障排查并解決后，可點擊報警解除按鈕。

2）記錄功能。記錄功能由設備運行記錄和加球記錄組成。設備運行記錄主要是對行車、加球裝置和斗提機的運行狀態、故障狀態、運行時間等進行記錄，對設備運行的整個過程進行監測。出現故障時可進行歷史記錄查詢，方便現場人員對問題進行處理。加球記錄主要是對鋼球的計劃加球量和實際加球量進行記錄。

3）報表查詢功能。整個系統報表查詢由班報表查詢、日報表查詢和時段報表查詢組成，即對每個班次、每天所加的鋼球量分別進行存檔，查詢時選擇相應的班次、日期或時段即可。

3 工程應用

智能系統通過控制網絡將加球系統在上位機進行組態，在組態畫面上將2臺球磨機加球系統的運行狀態、作業參數、加球量統計等進行實時顯示及數據展現。同時，在智能系統組態中對加球進行全面監控（加球作業工作空間是無人及封閉的），使得智能加球系統作業運行無人化。智能加球系統組態畫面如圖7所示。

智能加球系統均勻、連續、穩定、精準地加球使球磨機充填率得到穩定控制，球磨機內球徑具有良好的級配組合。該系統的運行提高了磨礦效果，降低了磨礦能耗。在球磨機處理量相同時，智能加球系統應用前后磨礦效果、鋼球單耗對比如表1、表2所示。

由表1可知：智能加球系統經過1年的運行，改善了磨礦產品粒度特性。應用后球磨機排礦產品中-0.150 mm粒級占比增加了1.21百分點，-0.074 mm粒級占比增加了1.27百分點，-0.038 mm粒級占比增加了0.99百分點。粒級優化后，浮選礦石的粒度分布更加合理，對選別指標的提高起到了積極作用。

由表2可知：鋼球年均單耗下降了0.02 kg/t，年節約鋼球成本約15.5萬元。

此外，智能加球系統的應用減輕了工人勞動強度，提高了本質安全性。原鋼球添加方式為人工控制行車在開放的作業環境中進行吊裝轉運，耗時費力且存在安全隱患，同時易造成因加球過快而導致球磨機下料口堵塞停機事故。智能加球系統的應用實現了加球過程的全自動無人化，鋼球的添加轉運過程在封閉空間內完成，既消除了吊裝作業的安全隱患，又解放了人力。

該系統具有布局緊湊，安裝適應性強，動作控制精準，故障率低，智能無人化添加，安全高效等特點，且邏輯簡明，運行可靠，適應礦山行業大型化、智能化、無人化的發展需求，具有推廣價值。

4 結 論

1）大尹格莊金礦通過對智能加球系統中加球裝置的撈球機構、松球排障機構、加球檢測機構、控制模式等進行優化，有效解決了加球裝置卡球、堵球等問題。該加球裝置模式多樣，適應性強，能滿足停補球、調試等不同需求。

2）通過優化行車的結構、控制邏輯等，實現了自主識別定位、定時巡檢及自主補球等功能，有效解決了各球倉的球位監測和自動補球問題;通過對斗提機的結構、出入方式、檢測控制等方面進行優化，成功將斗提機應用到加球系統，保障了鋼球垂直運輸的連貫性、穩定性及可控性。

3）通過對設備優化選型、控制邏輯、結構布局等方面進行專項設計，從源頭消除故障源，有效解決了各類影響自動加球的關鍵問題?；趯嶋H需求建立了完善的監測、聯鎖、預警、記錄等功能，對行車運行、斗提機運行、鋼球運轉等過程實現了全程監測報警，做到出現問題早發現早處理。

4）該智能加球系統在大尹格莊金礦的成功應用，降低了生產成本，減輕了工人勞動強度，提高了本質安全性，且安裝適應性強，運行穩定可靠，具有良好推廣價值。

[參 考 文 獻]

[1] 董曉，黃宋魏，付宏才，等.新型自動加球系統的設計[J].礦產綜合利用，2017（2）：68-71.

[2] 陳輝.智能加球機的研制與應用[J].黃金，2015，36（5）：43-46.

[3] 王峰，陳國成.球磨機鋼球添加自動化控制系統的設計應用[J].山東煤炭科技，2015（5）：102-104.

[4] 石自信.自動加球機優化升級改造[J].銅業工程，2017（2）：101-104.

[5] 吳果蕾，金武，高騰，等.磨機自動加球裝置設計和應用[J].銅業工程，2019（4）：34-37.

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