冶金礦山選礦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

山西太鋼不銹鋼股份有限公司 李志宏，郝俊宇

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)新建礦山規(guī)模越來(lái)越大，原礦年處理量達(dá)2000萬(wàn)t/a以上，鐵精礦年產(chǎn)700萬(wàn)t/a以上。建設(shè)目標(biāo)一般定位為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的現(xiàn)代化礦山。冶金鐵礦的建設(shè)對(duì)提高國(guó)內(nèi)鋼鐵資源自給能力、效益提升和持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

冶金鐵礦包括鐵礦石露天開采、選礦、精尾礦輸送等工藝環(huán)節(jié)。其中選礦環(huán)節(jié)是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此，冶金礦山控制系統(tǒng)主要著眼于選礦全流程控制系統(tǒng)從硬件到軟件的集成設(shè)計(jì)研發(fā)和實(shí)施，包括控制系統(tǒng)硬件設(shè)備配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制軟件設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)，以及各類單機(jī)單系統(tǒng)控制裝置的通訊接口設(shè)計(jì)等。

冶金鐵礦建設(shè)起點(diǎn)高、生產(chǎn)工藝先進(jìn)、設(shè)備大型化，其自動(dòng)控制水平對(duì)這類大型鐵礦生產(chǎn)效能的發(fā)揮和提升有著重要的作用，因此，與之配套的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)也必須具有技術(shù)先進(jìn)、控制功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由設(shè)備控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)雙層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)備控制級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)以太雙環(huán)網(wǎng)，使控制級(jí)設(shè)備的通訊實(shí)現(xiàn)了雙冗余功能，更加安全可靠；監(jiān)控級(jí)為以太單環(huán)網(wǎng)，在具備網(wǎng)絡(luò)冗余功能的同時(shí)，兼顧了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔。雙層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器作為工程師站和操作員站服務(wù)器，是整個(gè)控制系統(tǒng)的信息中心。PLC主控制站通過(guò)Ethernet通訊卡件經(jīng)核心級(jí)交換機(jī)與單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器進(jìn)行通訊，操作員站數(shù)據(jù)全部通過(guò)單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器進(jìn)行提取，減輕了控制站通訊接口負(fù)荷，避免了數(shù)據(jù)擁堵。

2.2 主控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)通訊集成

國(guó)內(nèi)新建冶金礦山使用的設(shè)備大都是大型、超大型設(shè)備，比如，半自磨機(jī)、球磨機(jī)、再磨機(jī)、移動(dòng)破碎站、濃密機(jī)等等，這些大型設(shè)備無(wú)一例外都自帶控制系統(tǒng)（即子系統(tǒng)）。這些子系統(tǒng)與礦山主控制系統(tǒng)廠商不同，通訊協(xié)議又互不相同，從而造成主控制系統(tǒng)與眾多的子系統(tǒng)之間以及各子系統(tǒng)之間各成體系，相互之間不能交換信息，成為信息孤島，從而使整個(gè)礦山生產(chǎn)不能實(shí)現(xiàn)集中控制。解決集中控制，傳統(tǒng)的解決辦法，一是生產(chǎn)操作人員通過(guò)電話來(lái)實(shí)現(xiàn)主控制系統(tǒng)與各個(gè)子控制系統(tǒng)之間的信息交換；二是采用電線電纜實(shí)現(xiàn)主控制系統(tǒng)與各個(gè)子控制系統(tǒng)之間的信息交換。這兩種解決辦法造成生產(chǎn)效率低、成本高昂、故障點(diǎn)多、維護(hù)量大等一系列問(wèn)題。為此，本文大膽創(chuàng)新，進(jìn)行了主控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)通訊集成。

2.2.1 總體框架設(shè)計(jì)

采用現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖介質(zhì)把冶金鐵礦主控制系統(tǒng)與各個(gè)子系統(tǒng)集成一個(gè)有機(jī)的整體，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)集成圖

2.2.2 主控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)

冶金鐵礦主控制系統(tǒng)采用高性能主流品牌H冗余控制系統(tǒng)，而半自磨機(jī)、球磨機(jī)、再磨機(jī)、移動(dòng)破碎站、濃密機(jī)等大型設(shè)備一般采用ABB公司的ACM800 PLC、AB公司ControlLogix PLC、西門子S7-300 PLC、GE公司PLC、AB公司的MicroLogix1100 PLC、ABB公司的C310單回路控制器等多種不同型號(hào)的子控制系統(tǒng)，為此，針對(duì)不用型號(hào)的子控制系統(tǒng)和不同的通訊協(xié)議，采用靈活的硬件配置，并設(shè)計(jì)編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸和個(gè)性化接口通訊程序，以實(shí)現(xiàn)這些子系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山生產(chǎn)的集中控制。

2.3 基礎(chǔ)自動(dòng)化過(guò)程控制軟件設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)自動(dòng)化過(guò)程控制是對(duì)選礦生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行控制，它是提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的根本保證?；A(chǔ)自動(dòng)化過(guò)程控制項(xiàng)目包括：原礦堆場(chǎng)下料控制及半自磨機(jī)給礦量控制、半自磨機(jī)磨礦濃度控制、旋流器給礦壓力控制、旋流器給礦濃度控制、浮選槽液位控制、直線篩沖洗水控制、球磨機(jī)排礦水控制、再磨機(jī)排礦水控制、弱磁水控制、二段泵池補(bǔ)加水控制、強(qiáng)磁底流濃度控制、強(qiáng)磁底流壓力控制等內(nèi)容。

為避免調(diào)節(jié)進(jìn)入深度飽和，采用變異自整定控制算法，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。在自整定時(shí)采取激勵(lì)方式：通過(guò)修改設(shè)定值至工作點(diǎn)，使設(shè)定值產(chǎn)生階躍變化，同時(shí)使控制輸出限制在一定范圍內(nèi)。尋找拐點(diǎn)是整個(gè)自整定過(guò)程的關(guān)鍵，如果設(shè)定值的階躍變化過(guò)小，則可能在過(guò)程值變化過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)；相反，如果設(shè)定值的階躍變化過(guò)大，則可能會(huì)造成大的超調(diào)，對(duì)系統(tǒng)不利。

圖3 自整定控制結(jié)構(gòu)圖

此外，在旋流器環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制。旋流器環(huán)節(jié)的兩個(gè)主要操作參數(shù)是給礦壓力和給礦濃度, 兩個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)泵池液位有影響, 而將泵池液位控制在安全范圍內(nèi)是生產(chǎn)正常運(yùn)行的前提, 本協(xié)調(diào)控制以泵池池液位為主要目標(biāo)控制參數(shù), 當(dāng)液位在安全范圍內(nèi)時(shí), 確保合適的給礦壓力和給礦濃度。當(dāng)液位超出安全范圍時(shí), 在工藝允許的前提下適當(dāng)調(diào)整給礦壓力和給礦濃度。根據(jù)旋流器工作機(jī)理, 給礦壓力升高有利于提高分級(jí)效率, 給礦濃度降低也有利于提高分級(jí)效率, 因此控制思路是: 在給礦壓力控制方面, 在確保給礦壓力在工藝要求內(nèi)的前提下, 以提高給礦壓力手段控制為原則；在給礦濃度控制方面, 在確保給礦濃度在工藝要求內(nèi)的前提下, 以降低給礦濃度手段控制為原則。在一般情況下, 控制系統(tǒng)主要通過(guò)給礦壓力手段來(lái)調(diào)整, 當(dāng)給礦壓力達(dá)到工藝要求的極限還無(wú)法達(dá)到要求時(shí), 再采用給礦濃度手段來(lái)調(diào)整。

2.4 專家控制系統(tǒng)

半自磨機(jī)專家控制系統(tǒng)基于礦石照像儀、磨機(jī)聲音儀等技術(shù)，用以對(duì)半自磨回路的生產(chǎn)指導(dǎo)進(jìn)行指導(dǎo)?？刂扑悸肥牵簩＜蚁到y(tǒng)通過(guò)礦石照像儀，采集原礦圖像信息，并使用圖像處理技術(shù)，分析得出原礦的粒度分布信息；通過(guò)磨音分析儀，繪制半自磨機(jī)的聲音頻譜圖，分析半自磨機(jī)負(fù)荷及工況；同時(shí)采集半自磨機(jī)功率和進(jìn)出料口軸壓等信息，綜合分析半自磨機(jī)磨礦的狀態(tài)，而后通過(guò)模糊化、模糊集推理、解模糊等過(guò)程，對(duì)影響該量的各因素進(jìn)行權(quán)衡后，輸出信號(hào)至控制定量給礦機(jī)的變頻器，來(lái)調(diào)整給礦量的大小以及給礦量粗細(xì)粒度比率分配，最大限度發(fā)揮半自磨機(jī)的效率和產(chǎn)能。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文所述冶金礦山選礦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的集中監(jiān)控，解決選礦生產(chǎn)中的一些瓶頸問(wèn)題，提升冶金鐵礦選礦系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平。同時(shí)，對(duì)進(jìn)一步增強(qiáng)國(guó)內(nèi)礦山企業(yè)的綜合實(shí)力、促進(jìn)礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用將產(chǎn)生積極的影響。