凡口鉛鋅礦選礦廠綜合自動化設計與實踐

陳典助

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019)

隨著國民經濟的高速發展，我國對礦產資源的需求量與日俱增。為了解決資源緊缺和需求的矛盾，許多老礦山選擇了挖潛改造和精細化管理，以做到“能收則收，應收盡收”，而實施智能化礦山與選礦自動化建設是必然選擇。選礦自動化自20世紀中期逐步投入使用以來，選礦過程在線分析檢測與控制技術、選礦廠建模仿真技術取得突破性的新進展[1]，一些新的控制理論也在不斷推陳出新，選礦過程的優化控制理論也日趨完善；21世紀以來，伴隨著計算機技術水平的提高和網絡技術的迅猛發展，將數字化、智能化的傳感器通過現場總線實現多方向、多變量的數據通訊，取代傳統的傳感器單方向、單變量的輸入、輸出[2]，使得自動化技術研究與設計在選礦廠得到了穩步推廣[3-5]。據統計，采用自動化控制的選礦廠產量提高了2.5%～10.0%，選別每噸礦石節省電能0.4～1.4 kW·h。如湖北三鑫金銅股份有限公司實現磨礦自動化改造后，年產量提高了29%，在原礦金銅品位有所降低的情況下，礦山銅增產1 400 t，礦山金增產170 kg[6]；贊比亞謙比西銅礦自動化改造后，原礦年處理提高了6%，銅精礦回收率由90.75%提高到92.04%，銅精礦產量提高了7.6%[7-8]；選礦自動化在甘肅金輝礦業有限公司也取得了成功應用[9]。 總之，選礦自動化已經成為現代選礦過程控制與提效必不可少的因素之一[10-11]。凡口鉛鋅礦為適應互聯網控制技術的新發展，5 000 t/d選礦廠技術升級改造工程開展了高標準自動化建設，本文從建設標準、自動化系統與框架、儀器儀表選擇等方面介紹了選礦廠自動化工程設計與實踐經驗，為提升資源加工行業的選礦自動化控制技術提供借鑒。

1 選礦廠概況與自動化改造要求

凡口鉛鋅礦位于廣東省仁化縣，是我國著名的鉛鋅礦基地，該礦目前是國內外指標最優、效益最好的綠色環保型大型地下開采的鉛鋅礦山之一。凡口鉛鋅礦自1965年開始建設，歷經硫化礦電位調控浮選、快速分支浮選、新四產品工藝技術和選礦廢水綜合利用等多次技術改造[12]，2008年該礦山基本達到日采選鉛鋅礦石5 500 t。選礦廠磨浮車間形成三個系列，選用高堿電位調控浮選工藝流程，生產高鉛精礦、高鋅精礦、鉛鋅混合精礦、高硫精礦等產品[13]，主要生產統計指標見表1。

表1 凡口鉛鋅礦選礦廠流程改造前主要生產統計指標Table 1 Main statistic production quota of Fankou Lead-zincMine Concentrator before flowsheet-reformed

選礦廠改造工程主要目的，一是提升產品競爭力和附加值，新建選礦廠不再生產鉛鋅混合精礦，主要設計指標見表2；二是提高選礦廠裝備與自動化控制水平，新建一條日處理鉛鋅硫礦石5 000 t的磨礦浮選廠，替代三個系列的老磨礦浮選廠，實現減員增效。

表2 凡口鉛鋅礦選礦廠流程改造后主要設計指標Table 2 Main design quota of Fankou Lead-zincMine Concentrator after flowsheet-reformed

1.1 主要技術改造工程與布局

主要的技術改造工程包括：改造洗礦車間，新建原礦光選智能拋廢系統、磨浮車間(半自磨、球磨、鉛鋅浮選)、礦泥濃縮車間、藥劑制備車間、石灰乳制備貯存車間、水處理車間，其他硫浮選、精礦濃縮過濾、尾礦輸送利用原有設施。 選礦廠總平面布置見圖1。

圖1 凡口鉛鋅礦選礦廠總平面布置圖Fig.1 General layout of Fankou Lead-zinc Mine Concentrator

1.2 選礦自動化設計建設內容及目標

凡口鉛鋅礦5 000 t/d選礦廠技術改造升級工程中選礦綜合自動化控制系統包括：DCS系統、選礦專家系統、選廠信息化系統、選廠工業視頻系統，以及系統的集成設計，總體構成詳見圖2。

自動化建設目標定位為生產監控集成化、操作智能化、管理精細化，信息化系統要融合選廠三電一體化、管控一體化等特點，實現無紙化流程管理。

2 工業自動化系統(DCS系統)

本工程流程內生產設備較多，為了保證網絡高速、平穩運行，控制系統采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，在磨浮車間副跨設計自動化系統中央控制室。DCS系統設置4套冗余主控站，并預留擴展余地。

1) 冗余洗礦主控站。安裝在洗礦車間操作控制室，管轄洗礦、礦泥濃縮、頑石破碎、原礦倉、原礦光選智能拋廢系統。

2) 冗余磨浮主控站。位于中央控制室，管轄磨礦、鉛鋅浮選、石灰乳制備、藥劑制備與添加、補加水系統。

3) 全廠電力主控站。位于中央控制室，管轄全廠8個車間配電室，負責各配電間一次主回路斷路器開、合狀態位以及主回路、分支路能源數據(電度、功率、電流等)的采集。

4) 冗余選硫及精礦脫水主控站。安裝在選硫車間控制室，管轄選硫系統、精礦脫水系統、選礦廠回水及水處理系統、尾礦輸送系統。

2.1 DCS系統架構

DCS系統網絡結構采用經典三層模式[14-15]：車間設備層、控制層、監控層(圖3)。系統網絡采用兩種網絡形式：監控層與控制層之間采用工業以太網，控制層與車間設備層采用Profibus-DP現場總線。

1) 車間設備層。主要責任是采集數據，包括所有機電設備和在線檢測儀器儀表、執行機構、成套設備等。電氣與儀器儀表通過分布式I/O數據采集站將所有設備狀態數據和過程數據都讀入到控制系統中。成套設備通過現場總線接入系統，I/O站位于各車間低壓配電室中，通過現場總線將所有數據送至控制層的主控制站。

2) 控制層。主要責任是控制和操作，實時控制和動態計算由主控制站完成。所有來自I/O站的數據經過總線網絡連入主控制站，該站實時運行所有關于生產的邏輯控制和回路控制。

3) 監控層。以瀏覽和操作生產數據為主，主要由各車間操作員站組成，通過工業以太網與主控制站進行數據的傳遞和互通。監控層采用點對點通訊與C/S通訊相結合的模式。

2.2 DCS系統選型及配套技術參數

DCS系統選用西門子最新的PCS7過程控制系統，V8.2正版授權亞洲版。4套主控站選用了西門子最新的CPU410-5H冗余控制站。

1) 分布式I/O站。現場控制站采用分布式I/O站通過Profibus-DP現場總線與主控制器進行實時通訊，它的主要功能是采集現場I/O信號，通過I/O信號接口模塊將現場數字量或模擬量信號傳送到主控制站，同時將主控制器發送來的控制信號送至現場。

2) 工業以太網。工業以太網設計采用工廠網與終端網兩層網絡，可以確保本系統網絡的可靠性。各主控站與服務器站、工程師站、單操作站之間采用1 000 Mbps單模工業以太雙環網，服務器與客戶機之間采用1 000 Mbps單模工業以太環網。

系統設計的快速交換式工業以太網在物理層上采用高防護等級的光纖傳輸，網絡為光纖冗余環網結構。工業以太網卡件上配有CPU，可獨立處理通信信號，為用戶提供高水平的通信方案。

3) 現場總線網。在PCS7系統中，中央控制器與現場I/O站、智能DP機電設備、第三方DP成套設備等通過Profibus-DP互相進行通訊，但粒度分析儀與品位分析儀采用了Modbus-TCP/IP總線協議。

4) 服務器、操作站。DCS系統數據服務器、工程師站和操作員站配置了西門子SIMATIC IPC547E系列工作站，可保證設備在5～40 ℃的環境溫度下連續可靠運行。服務器可為整個控制系統的客戶端提供數據通訊，數據存儲，報警和趨勢數據處理，支持通用的編程軟件、數據庫定義、備份、文件/程序管理等。

5) 工程師站。工程師站能執行普通操作站的所有功能。通過工程師站，可對系統各個級別的所有設備可進行在線組態或重新下裝，而且不會造成干擾或影響系統正常運行操作。通過配置全套工程師軟件和授權，可進行部分程序離線加載，但對正常操作不會產生影響。工程師站系統預先配置了VB語言、C語言、BASIC語言等控制模塊，以執行高級別語言編寫的程序，系統還具備程序校驗功能。

2.3 供電、配電動力管理系統

該系統不僅能實現在中控室計算機上顯示供配電一次主回路的開/合閘狀態和主回路電力儀表的參數，而且實現在中控室遠程控制供配電一次主回路的開/合閘，讀取供配電能源數據，并把數據傳輸到選礦廠信息化系統和凡口鉛鋅礦已建PVSS能源管理系統。

1) 高壓綜保后臺。高壓綜保后臺通訊協議采用Modbus-TCP/IP，通過通訊管理機接入DCS系統工廠網，經工業以太網送入礦區已建PVSS能源管理系統和選廠信息化系統。

2) 低壓配電系統。低壓配電系統主要實現各配電間一次主回路斷路器開合狀態位檢測以及主回路、分支路能源數據的采集，設計了一套冗余控制子站無縫接入新建選廠DCS系統，由DCS系統工程師站統一管理。

3 選礦專家系統

為了有效提高磨礦效率和浮選指標，實現智能選礦，需要建立模糊控制程序，由模糊控制器對各種信號參數進行自動計算，并相互協調，從而實現磨礦、分級、浮選最佳效果。通過大量的調查與研究，SABC碎磨流程與鉛鋅浮選流程專家系統選擇引進美卓礦機(Metso)OCS?自適應控制專家系統軟件包。

3.1 軟件特征

OCS?軟件可以自動從DCS數據庫中讀取信息，并使用各種先進的技術確定新的設定值，一般每分鐘進行幾次，設定值會不斷力求實現策略目標，該軟件可以在實現瞄準技術和經濟指標的同時還保持所需產品質量。

3.2 模塊組成

OCS?軟件在一體化結構內嵌入了對選礦設備的優化控制具有很大價值的模塊，具體如下所述。

1) 模糊專家模塊。模糊專家模塊是一個實時專家系統，帶有一個推理引擎，內置明確與模糊邏輯推理和一個知識庫，為OCS?應用軟件的核心。

2) 軟傳感器模塊。軟傳感器模塊帶有4個自適應預測模型，該模型由自適應動態工藝模型組成，用戶可以使用Visual Basic開發新的模型。

3) 優化器模塊。優化器模塊采用功能強大的約束SQP(順序二次規劃)算法。

4) 神經網絡模塊。神經網絡模塊允許使用反向傳播神經網絡對抽象工藝進行黑盒建模。

5) 圖像模塊。VisioFroth?模塊用于泡沫浮選設備，VisioRockTM模塊用于半自磨和球磨磨礦工藝。

6) AudioMill?模塊。該模塊用于對從麥克風傳來的信號進行頻譜分析，對SAG磨機產生的噪聲進行分析，監控半自磨的工作狀態并對磨機速度和給料進行調整。

3.3 配備的高級傳感器

Metso專家控制系統配置的高級傳感器可以根據需要選擇，但傳感器的算法集成在OCS?軟件內，本次建設選用的傳感器包括以下幾方面。

1) 塊度成像儀。VisioRockTM模塊能夠在線檢測給料的粒級分配和其他礦石特性，半自磨的最大通過量是受到給料粒級分配影響的，通過在線檢測技術，可以使磨機始終運行在最優狀態下。

2) 磨音分析儀。AudioMill模塊與傳統的電耳相比能產生更多的有用信息，可以直接檢測破碎力度的聲音分析技術。該項技術在提早發現磨機過載和欠載方面作用明顯。

3) 泡沫成像分析儀。VisioFrothTM模塊的作用是確保浮選槽內泡沫的產生量和移動速度處于合理的范圍。

3.4 磨礦專家系統優化目標

通過參數智能決策、優化磨礦條件，在保證磨礦產品產量和細度的雙重條件下，提高原礦處理量3%。

3.5 浮選專家系統優化目標

通過參數智能決策、優化浮選條件，在處理原礦5 000 t/d和磨礦產品細度的條件下，提高鉛精礦中鉛回收率0.1%～0.5%、鋅精礦中鋅回收率0.1%～0.5%。

4 選礦廠信息化系統

選礦廠信息化系統數據通信網絡系統以自動化系統建立的控制主干網、視頻信息主干網、現有企業局域網為基礎，開發建立，相互可進行網絡互聯互通，既能實現選廠管控一體化，又能實現信息綜合集成，為建立廠級的生產管理MES系統奠定了基礎。

MES系統涵蓋凡口鉛鋅礦選廠生產的新建與利用原有的各車間、工序，全面實現從數據采集到統計分析的生產管理，深度融合信息化與自動化技術，實現企業“數據采集-跟蹤分析-綜合診斷-決策支持”數據鏈，提高生產管理水平和生產效率，輔助經營決策。

4.1 MES業務功能

MES系統業務功能設計只限于選礦廠生產管理范疇，包括生產計劃管理、生產能源管理、生產設備管理、生產工藝管理、生產指標管理。

4.2 MES系統建設架構

MES系統劃分為基礎數據平臺、業務功能系統和數據通信接口三大部分。

4.3 基礎數據平臺基本參數

1) 系統結構。MES系統設置二層網絡結構：車間監控層為接入層，所有生產車間級控制系統均為接入層，實現車間級監控層數據信息傳輸功能，并通過光纜與第二層——核心層連接。核心層交換機第一路連接到MES系統的五臺服務器；第二路通過防火墻與接入層連接，為生產車間級控制系統所用；第三路通過防火墻連接到選礦廠辦公樓計算機網絡系統。

2) 硬件平臺。MES系統硬件包括實時數據服務器、生產管理數據服務器、應用/WEB服務器、工程師站、調度管理操作站、工業交換機等。實時數據服務器：系統配置2臺服務器，主要用于完成數據采集、監視和控制，負責存儲實時數據和歷史生產數據；實時服務器安裝數據采集SCADA軟件和實時數據庫軟件；系統軟件通過信息網絡接收現場采集數據，并能將這些數據壓縮后存儲到服務器中。生產管理數據服務器：系統配置2臺數據服務器，負責和實時數據庫通訊，主要用于歷史數據的歸檔和存儲、部分重要工藝數據以及生產、能源管理過程信息數據的存貯，為MES系統提供全面、重要的能源分析基礎。工程師站：系統配置1臺工程師站，完成MES信息化系統的管理和程序修改擴展等編輯工作。通過工程師站可以使系統維護人員能夠在調度中心對整個MES系統的計算機軟硬件進行配置和異常處理。理操作站：系統配置3臺管理操作站用于操作管理人員完成整個生產的調度和指揮，包括生產過程監控，調度管理、能源管理及其他綜合管理等崗位操作站。

4.4 MES系統對外接口

1) MES系統與高壓綜保后臺的接口。采用Modbus-TCP/IP通訊協議，通過DCS系統工廠網讀取有關數據。

2) MES系統與DCS系統的通訊接口。選礦廠DCS系統的數據通過OPC通訊，自動存儲到MES系統的實時數據庫。

3) MES系統與ERP系統(企業資源計劃系統)的接口。選礦廠MES系統中考慮了與凡口鉛鋅礦、中金嶺南集團公司信息化系統的國際標準通訊接口。

5 工業視頻系統

結合選礦廠自動化控制系統及生產管理系統，設計了一套工業視頻監視系統和一套液晶拼接屏顯示系統，實現對重要崗位、重點設備及選廠安防區域進行監控。

5.1 工業視頻監控系統

根據現場條件，在廠房范圍內設置60個視頻監控點。系統由前端視頻采集設備、網絡傳輸設備、存儲設備、解碼設備、管理控制設備、監控平臺軟件、LCD拼接大屏幕顯示設備等組成。

中央控制室設置視頻服務器、解碼功能一體圖像處理器，車間操作室設置視頻客戶端，實現播放控制、回放管理、字幕疊加、畫面輪切、錄像存儲、錄像備份、時鐘同步、用戶管理、語音對講、流媒體轉發等管理控制功能。

5.2 LCD液晶拼接屏顯示系統

在中央控制室設計兩套55寸LCD液晶拼接屏顯示系統和一套LED雙基色顯示屏。工業視頻系組成及功能分區如圖4所示。

圖4 工業視頻系統組成及功能分區圖Fig.4 Composition and function division ofindustrial video system

LCD液晶拼接屏兩套，一套拼接規模為3(行)×4(列)，另一套拼接規模為3(行)×8(列)，兩套拼接屏合并安裝。建成后的中央控制室效果圖如圖5所示。

圖5 中央控制室現場照Fig.5 Photos of automatic central control center

6 選礦廠關鍵參數在線檢測儀器儀表

1) 原礦計量。不僅在半自磨機的給料膠帶上安裝了進口電子皮帶秤，對磨礦給料進行精準計量；還在磨礦產品的排料管上安裝了微波密度計U-ICC2.45、聲吶流量計SONARtra VF-100，對浮選的給料進行精準計量，二者形成比較，通過計算機機智能修正。

2) 產品粒度。主要檢測原礦磨礦產品粒度、鉛粗精礦再磨產品粒度、鋅粗精礦再磨產品粒度，選用了奧圖泰(Autotec)粒度分析儀PSI300I。

3) 產品品位。對原礦、精礦、鉛粗精礦、鋅粗精礦、鉛尾礦、鋅尾礦設計了在線品位檢測，選用了奧圖泰品位分析儀6XSL，及其配套的縮分、取樣器。

4) 浮選藥劑的添加與計量。選用了的智能型計算機程控給藥機PLC-III-48/4，完全實現了浮選藥劑的全自動添加與計量。

7 選礦廠自動化實施效果

1) 凡口鉛鋅礦選礦廠通過技術升級改造工程，實現了設備大型化、工業自動化、計算機指令一鍵式分段自動啟/停，生產人員從現有的478人減少至220人。

2) 選礦廠生產指標實現全部自動化計算，自動生成單日、月累、年累生產報表，并根據授權自動向各層級管理者報送生產實時數據，生產數據自動存儲、實時管理與遠程報送。

3) 信息化系統方便選礦廠生產日常事務管理，如生產計劃的編制，設備的維修與備品備件的計劃，材料的申請、審批等流程手續全部采用網上流程，實現了無紙化辦公，并大幅度節省了時間。

4) 通過本次技術改造升級工程，產品的附加值和勞動生產率均大幅度提高，達產年平均可增加營業收入為7 970萬元，凈利潤5 385萬元，稅后增量投資財務內部收益率16.40%，取得了良好的經濟效益。