淺談智慧選礦中自動化控制發揮的作用*

姚振松 劉風亮 姚振民 劉世昌 趙文普 張永信

(1濰坊市政務服務中心 山東濰坊 261000)

(2山東華特磁電科技股份有限公司 山東濰坊 262600)

當前,我國國民經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段,正處在轉變發展方式、優化經濟結構、新舊動能轉換的攻關期;全球經濟正在經歷數字化浪潮的洗禮,以數據為驅動的礦產資源重構愈演愈烈,礦產資源的商業模式或將發生顛覆式改變。在選礦工廠中,自動化控制技術的深入應用,使得對礦物的加工變得更加高效,將直接提高我國選礦工廠的自動化技術水平,同時有效提高工廠生產效率和改善工人勞動環境,控制系統也能避免人為因素帶來不安全事件的發生,解決長期以來選礦工廠被安全問題困擾的難題,為工廠帶來經濟效益和社會效益的同時,也對我國選礦工程的發展有著十分積極的促進作用。

1 選礦工廠的現狀

1.1 選礦機械系統的特點

選礦工廠建設是復雜而系統的工程,選礦工藝通常包括物料輸送系統、破碎系統、磨礦系統、分級系統和磁選系統等階段,實現對礦石進行加工、分選、提精或除雜。在選礦工廠的建設中,選礦工藝的設計是衡量選礦工廠水平的關鍵,選礦工藝往往伴隨而來的是不同功能的選礦機械的有序配合。

隨著選礦技術的不斷發展,隨著選礦機械迅速更新,但是選礦工程中選礦機械復雜程度參差不齊,控制系統自動化水平高低不同。其中,部分設備具有機械結構復雜、工藝參數調整靈活、控制系統自動化程度高等特點,比如:雙傳動輥壓機、高梯度電磁漿料磁選機、球磨機等;也有控制系統非常傳統的設備,控制系統僅需要控制設備的啟停或者進行簡單的變頻調速功能等,比如:振動直線篩、圓筒振動篩、渣漿泵等。選礦工廠中礦山設備的數量依據生產規模不同有上百臺至上千臺不等,根據不同的功能,依據工藝流程被合理的安排在工廠的不同位置,分布范圍廣;有的選礦工廠生產線的數量不止一條,這對礦山機械設備的使用和管理提出了更高的要求。

1.2 選礦工廠控制系統的特點

我國的選礦工程一直處于高速發展階段,尤其是選礦機械的發展一直處于國際領先水平。但是,目前我國選礦工廠的自動化水平長期落后于選礦機械的發展水平。受選礦工廠的建設規模、成本等因素的考慮,建設初期往往忽略對選礦工廠自動化水平的要求,導致選礦工廠控制系統大多停滯在傳統的人工現場控制階段,由此而來的選礦效果受工人經驗因素影響較大,生產現場安全措施不全面、生產持續穩定運行率低、潛在風險因素高、數據數字化分析等問題日益凸顯。

近年來,選礦廠面臨的“熟練工嚴重不足”、“人件費用日益增長”、“疫情環境下的不穩定性增加”等問題,改善工人工作環境、提高生產穩定性和安全生產的課題急需解決。隨著自動化控制在化工、醫藥、煤礦和港口等行業的應用,結合選礦機械的自身特點和選礦工廠控制系統的現狀,將自動化控制引入選礦工廠,實現選礦工廠從“自動化”到“數字化”再到“智能化”的建設進程,面對目前選礦工廠急需解決的諸多問題,將自動化控制應用于選礦工程顯得尤為重要,這將為“智慧選礦”提供平臺基礎。

2 智慧選礦

選礦工廠的自動化控制系統是建設智慧選礦廠的基礎,自動化控制實現工廠設備自動控制、過程控制、工藝控制、智能控制等環節。目前大部分采用DCS或PLC+上位機系統構建,系統基于現場安裝的各種傳感設備、在線檢測技術、振動監測平臺、電機檢測裝置,將現場的實時運行狀態和運行參數實時傳送到控制器,控制器依據內置的專家控制系統,監控系統的運行狀態,通過執行器調整現場設備的工作狀態,實現對全工藝流程的智能控制。數據庫系統對生產過程的數據進行采集、存儲和歷史記錄查閱,以便對生產過程的全生命周期管理;專家控制系統將生產經驗值通過模糊算法、神經網絡等智能控制算法植入自動控制系統中,依據生產工藝參數的最佳值迅速地對控制對象,進行自動控制和自動調節,從而實現智能控制。

建設選礦工藝技術和運營管理的相互結合,建成對設備運行狀態、工藝參數、生產管理等“AI智能操控系統”,并輔助有“5G+人機交互智能巡檢系統”、“5G+智能數字群呼系統”,選礦數字化、智能化有效提高了生產作業效率及技術經濟指標,提升了安全生產保障能力、生產管理效率和生產經營決策能力。

有關未來選礦工廠的建設與實現方式不斷地日新月異。智慧選礦、智能控制、5G 物聯網+等新型技術概念的出現正引領傳統礦業加工行業加速向綠色、安全、智能、高效方向發展。

3 自動化控制的應用

筆者簡要介紹了福建南平某礦業公司石英砂選礦工廠的控制系統自動化控制設計方案,分別包含控制網絡(見圖1)和視頻網絡(見圖2)。

圖1 控制網絡

圖2 視頻網絡

控制網絡核心采用北京力控公司開發的FC7.2上位機軟件和西門子S7-1200 可編程邏輯控制器(PLC)構成的控制系統,控制系統通過上位機軟件實現良好的人機交互操作、數據共享和數據存儲,通過PLC實時對生產數據信息進行采集和監控和控制,PLC可實現自動控制運行、數據采集、報警處理、故障聯動等,并增加智能控制環節;現場設有多站點的分布式IO 設備站用于補充可編程邏輯控制器的IO 功能;執行層包含變頻器、電動執行器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、智能變配電裝置等控制和采集設備,同時工廠內建有多個電動機控制中心(MCC);選礦工廠控制網絡建有光纖介質的冗余高速通信通道,實現PLC與分布式IO 設備以及IO 設備與現場執行層穩定可靠的控制、監控和數據傳輸;在高風險區生產現場增加紅外檢測、安全光柵設備,防范人身傷害事故的發生。

視頻網絡采用網絡監控系統,在原有安全監控系統的基礎上,增加重點工序和重點設備的專有監控系統,實現系統穩定運行,數據存儲可靠,視頻數據定期歸檔。某些生產現場環境惡劣,不適合人員長期駐守,可以采用遠程監控生產過程,在控制室內通過大屏調閱實時運行畫面,結合自動控制系統,起到輔助生產的作用,實現生產線的無人值守;某些設備因安裝位置不易接近,人工巡視危險性較大,可使用攝像機進行遠程監督;技術人員在控制室內隨時了解各主要出產環節的實時出產狀況,處理突發事件,與現場進行雙向語音交流;同時,存儲的視頻資料也將為解決工藝和設備故障問題提供有力的視頻材料。視頻網絡可以完美地整體嵌入到自動化控制系統中來,并通過上位機的界面模擬圖,使用戶可以隨時根據自己需求來調出需要重點關注現場視頻情況。

4 自動化控制系統的優勢

4.1 提高安全性和可靠性

將現場安全設備的“硬連鎖”與控制系統的“軟連鎖”相結合,一方面杜絕了不安全影響的發生,提高檢修、巡檢過程中的安全系數;另一方面也有效防止人員操作失誤帶來的錯誤動作。針對生產連續性高的特點,自動化控制具備完善的保護、報警和異常處理功能,當設備出現報警或故障問題時,自動化控制系統會有不同級別的警報發出,自動或提示技術人員手動完成故障的排除,當不可避免停機時,自動化控制系統會將生產影響程度減小到最優,避免了以往的不良“連鎖反應”,保證了中間環節故障停機時生產保持一定程度的連續性,顯著提高了傳統控制系統的故障分析和判斷能力,減少停機事件的發生,有效提高系統的穩定性和選礦機械的使用壽命。

4.2 供電系統自動化

電力作為工廠的重要能源,供電系統的穩定性極大的影響了選礦生產的連續性,所以說供電系統自動化是選礦工廠自動化系統中十分重要的組成部分。供電系統自動化可以完善電能信息的采集、存儲、管理和利用;確保系統設計的標準化、規范化和運行維護的可視化,做到系統安全、可靠、可擴展、可維護和易操作;實現對電能系統的分散控制和集中管理;減少能源系統運行成本,提高勞動生產率;供電系統自動化建成后,調度人員對供電系統的異常和事故的反應處理速度能夠得到顯著提高。供配電調度人員可以通過系統迅速從全局的角度了解系統的運行狀況、故障的影響程度等,及時采取系統的措施,限制故障范圍的進一步擴大,并有效恢復系統的正常運行。

4.3 生產過程數字化

建立綜合數據庫,基于實時數據采集平臺,將生產數據存儲于數據庫,實現生產實時監測監控和歷史數據的查詢、統計、訂閱與推送等全系列綜合服務,實現數據自動統計,自動生成各種樣式報表、圖表,實現選礦工廠產能分析、能耗動態分析、故障分析、安全生產數據分析等,并做出安全生產、決策優化等建議措施;決策人員可以將生產信息同選礦工廠的運營管理相結合,實現精準決策;生產過程數字化為數據融合聯動與大數據分析奠定了基礎,可進一步推進選礦工廠的企業資源計劃(ERP)和制造執行系統(MES)協同,建成數字化選礦工廠。

4.4 智能控制

通過實時監控生產過程要素,利用控制系統內部的反射控制,可實現對工藝流程的最優控制。比如:磨礦自動化控制系統(見圖3),球磨機控制是該控制系統的關鍵,控制系統依據球磨機的排礦水與溢流濃度、球磨給礦量與返砂水、球磨填充率與磨礦濃度之間存在離散不限線性關系進行數據建模。該系統會針對性地控制磨礦濃度,以求高的投入產出比;磁選自動化控制系統,通過日常數據庫自學習方式建立智能磁選參數模型,對磁選工藝參數進行精準控制;同時,根據實時生產要素對生產現場電動執行器開度、渣漿泵變頻器運行頻率、輸送皮帶運行速度等環節進行自動調節,適合當前系統運行工況;自動化控制系統按照工藝要素建立多個多參量控制子系統,不同的控制系統采用多變量串級控制或自適應模糊控制,實現“精確判斷,精準執行”,保障系統的智能運行。

圖3 磨礦自動化控制系統

4.5 人機交互

通過上位機軟件組態控制監控平臺,向技術人員提供形象便捷的界面,如供水通風控制系統(見圖4);控制室內即可實現選礦機械的控制、運行參數的監控和工藝參數的修改;在生產過程中,可根據不同的礦石性質,選擇不同的生產工藝參數組別,實現生產工藝參數的批量輸入和導出;WEB 發布具有實時性,只需要服務器連接外網,通過遠程客戶端可以直接查詢監控系統畫面,同時遠程客戶端與控制室畫面完全相同,只需配置相關登錄授權后,即可開通遠程操作功能,實現遠程操作。

圖4 供水通風控制系統

5 結語

自動化控制系統提供一個高速、安全、可靠的監控管理平臺,提高選礦工廠的自動化集成水平,發揮自動化控制系統的綜合管理效益,努力建成本質安全型數字化選礦工廠;自動化控制技術的運用將會迎來越來越多的機遇,為選礦工廠的數字化、智能化賦能,隨著自動化控制技術在選礦工廠的廣泛應用,將推動選礦工廠的高速、高質量發展。