陜西某鉛鋅選礦廠球磨自動化系統(tǒng)設計與應用

周金民，趙彥杰，王洋，張柏春，張柏

(1.寶雞西北有色七一七總隊有限公司， 陜西 寶雞市 721004；2.陜西震奧鼎盛礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞市 721707；3.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，將選礦過程中的技術參數(shù)通過計算機和網(wǎng)絡技術來進行監(jiān)測和控制，實現(xiàn)選礦自動化生產(chǎn)。國內(nèi)礦山選礦廠均不同程度地研究與應用了自動化控制技術[1]，得到了較好的應用效果，目前，自動化生產(chǎn)技術已成為一種趨勢。因此，采用傳統(tǒng)人工操作的礦山需要進行自動化控制改造來提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和企業(yè)競爭力。

1 工藝簡介

該選礦廠球磨系統(tǒng)采用一段閉路磨礦工藝流程，球磨設備采用MQG2100×3000濕式格子型球磨機，分級設備采用 FLG-Φ2000髙堰式單螺旋分級機，圓盤給料機采用DB800圓盤給料機。處理能力為21 t/h，溢流細度-200目占55%～65%。

通過對磨礦作業(yè)數(shù)據(jù)分析及過程診斷研究發(fā)現(xiàn)，該選礦廠磨礦溢流細度達不到70%且細度不穩(wěn)定，影響了浮選精礦質量、尾礦指標及金屬回收率。需要通過各種途徑來降低溢流細度并保持磨礦的穩(wěn)定性，其中最好的方法就是應用自動化系統(tǒng)。

2 球磨自動化設計應用原則

（1）確保系統(tǒng)所采用的技術與當前發(fā)展趨勢一致，以便于未來對系統(tǒng)進行擴展、升級和優(yōu)化，使系統(tǒng)具有較高的先進性和較長的生命周期。

（2）從系統(tǒng)硬件的選型、網(wǎng)絡層的部署到操作多樣性等方面進行控制。系統(tǒng)具有手動、自動兩種獨立、互為備份的操作方法，最大程度保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

（3）自動化系統(tǒng)要具有很強的實用性，保證易于管理、易于維護，操作簡便。

3 自動化控制功能設計與應用

由于磨礦作業(yè)作用因素多、參數(shù)相關性強、機理復雜，因此實現(xiàn)磨礦作業(yè)的自動化控制需要從監(jiān)測顯示手段、數(shù)據(jù)分析、控制技術等方面進行全面的研究。主要包括：給水系統(tǒng)監(jiān)測與控制、自動加球機設計應用、給料的自動監(jiān)測與控制、溢流濃度采集與顯示、磨礦機聲音采集與顯示、主要設備電流電壓采集與顯示、皮帶的自動糾偏與扶正、設備的連鎖控制及故障監(jiān)測、主要設備與監(jiān)控點的視頻監(jiān)控。

3.1 給水系統(tǒng)監(jiān)測與控制

在分級機返砂口及球磨機排礦口2處安裝自動給水測量模塊，通過模塊實時監(jiān)測給水量。系統(tǒng)根據(jù)分級機溢流濃度計算出給水量，并及時通過系統(tǒng)調整給水量，使溢流細度控制在工藝要求范圍內(nèi)。

計算機通過電磁閥控制閥門開度，由于進水量除了和電磁閥開度有關，還與水管的壓力有關，因此，導致系統(tǒng)進水量誤差較大。為了解決水量誤差，進水執(zhí)行機構部分采用閉環(huán)負反饋控制，使進水量符合要求。給水系統(tǒng)流程如圖1所示，圖中給水量是上位機給定的信號，PID為控制算法，伺服閥為執(zhí)行機構，流量計為反饋信號采集單元[2]。

圖1 給水系統(tǒng)流程

3.2 自動加球機設計應用

通過安裝在滾筒上的球爪進行隨機取球，然后通過光電檢測器進行非接觸檢測，并由可編程序控制器的智能型自動加球裝置進行智能辨識和控制，從根本上解決了以往加球機存在的鋼球卡、堵現(xiàn)象，對直徑40 mm以上的任意鋼球均能順利補加，實現(xiàn)鋼球補加和控制[3]。加球機結構如圖2所示。

圖2 加球機結構示意

控制系統(tǒng)采用PLC[4]作為中心控制器，通過控制程序完成電動機的啟?？刂?、檢測信號的處理、鋼球類型的判斷和加球量的統(tǒng)計等工作，控制系統(tǒng)如圖3所示。同時，為了加強人機交互功能，系統(tǒng)設計了中文界面的操作屏幕。操作人員可在屏幕上進行加球量、加球周期、鋼球單重等參數(shù)的設置，并可通過屏幕隨時了解加球機累計加球數(shù)量等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鋼球量和鋼球配比的精確管理。

在手動狀態(tài)下，完全由人工通過觸摸屏按鈕直接控制加球電動機和擋板電動機的啟停，系統(tǒng)不參與控制。在自動狀態(tài)下，通過觸摸屏設定每次加球個數(shù)以及間隔時間，控制器按照設定值自動開停機。在全自動狀態(tài)下，可以通過上位機傳送的實時礦量及現(xiàn)場工藝條件等數(shù)據(jù)自動算出每個小時的加球量，實現(xiàn)自動加球。

圖3 加球機控制系統(tǒng)

該自動加球機安裝在皮帶機頭，實現(xiàn)了鋼球的定量添加與統(tǒng)計，減輕操作人員勞動強度并實現(xiàn)磨礦效率的最大化。

3.3 給料自動監(jiān)測與控制

在皮帶中段安裝一臺電子皮帶秤。可以直觀統(tǒng)計生產(chǎn)量，為生產(chǎn)任務及生產(chǎn)計劃提供可靠依據(jù)；同時皮帶秤所測數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)分析后，聯(lián)動圓盤給料機轉動頻率控制給礦量，從而實現(xiàn)對球磨機的負荷控制，最大限度提高磨礦作業(yè)生產(chǎn)效率。

在圓盤給料機附近安裝自動給料控制模塊，能夠實現(xiàn)遠程及現(xiàn)場啟動給料機，并能靈活調整設備給料大小，避免操作人員往復走動調整。

3.4 溢流濃度采集與顯示

在原礦緩沖箱內(nèi)安裝濃度采集模塊，濃度采集模塊由傳感器及變送器組成。通過對分級機溢流礦漿濃度的監(jiān)測，判斷磨礦濃度是否在工藝要求范圍內(nèi)，一旦監(jiān)測數(shù)值不符合生產(chǎn)工藝要求，系統(tǒng)將及時自動調整給礦量及進水量。

3.5 磨礦機聲音采集與顯示

在球磨機側方安裝1個磨音采集傳感器，讀數(shù)儀固定在磨礦 DCS控制單元內(nèi)。通過接收球磨機發(fā)出的噪音，分析分貝值與球磨機內(nèi)填充物料比例關系來實時調整球磨機的進料。

3.6 主要設備電流電壓采集與顯示

在球磨機、分級機、圓盤給料機、皮帶輸送機、原礦渣漿泵等5個主要設備的控制箱內(nèi)安裝電流、電壓采集模塊。通過對以上關鍵設備的電流電壓進行監(jiān)測與分析，實現(xiàn)對關鍵設備工作狀態(tài)的分析和報警，保障設備安全穩(wěn)定運行，最大限度提高磨礦作業(yè)效率。

3.7 皮帶的自動糾偏與扶正

在皮帶輸送機的機頭與機尾位置分別安裝皮帶自動扶正裝置。皮帶扶正裝置分為上糾偏和下糾偏。在生產(chǎn)過程中，一旦檢測到皮帶發(fā)生偏離將自動對皮帶進行校正糾偏，從而實現(xiàn)全天候無人自動糾偏，確保設備健全，減輕操作人員勞動強度，提高生產(chǎn)率[5]。

3.8 主要設備與監(jiān)控點視頻監(jiān)控

在球磨機、分級機、圓盤給料機、皮帶輸送機機尾、自動加球機、原礦渣漿泵等6處安裝攝像機。全天候對磨礦分級作業(yè)主要控制點的運行情況進行監(jiān)控，操作人員在控制室內(nèi)完成對所有設備的監(jiān)控，保障設備的運行安全、減輕操作人員巡查強度。

3.9 設備連鎖控制及故障監(jiān)測

在系統(tǒng)中按照標準的操作規(guī)程設置好開停機順序及設備開停機的時間間隔，實現(xiàn)磨礦分級作業(yè)的順序控制、聯(lián)鎖控制、優(yōu)化控制，確保整個磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運行。

自動化系統(tǒng)設置故障報警模塊。磨礦系統(tǒng)某臺設備出現(xiàn)輕微故障時，會立即報警并將信息上報到控制系統(tǒng)，提示操作人員及時處理，出現(xiàn)嚴重故障時立即報警并停車。故障停車時要按照特定的聯(lián)鎖方式停止與其相關的設備，即故障設備的后續(xù)設備進行局部的聯(lián)鎖控制，按一定順序延時停車，而其前端的設備則立即停車，防止物料擠壓皮帶或者造成設備損壞。確保整個磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運行。

3.10 中心控制室

將球磨自動化系統(tǒng)主機、控制單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換機安裝在球磨隔音室內(nèi)。球磨自動化系統(tǒng)主機、控制單元通過網(wǎng)線與交換機連接，可同時實現(xiàn)遠程設備啟停及各傳感器控制。球磨自動化系統(tǒng)主機將所采集數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。各視頻監(jiān)控點所采集信號通過網(wǎng)線與交換機連接并匯入硬盤錄像機，通過顯示器實時顯示監(jiān)測畫面。操作人員只需在控制室內(nèi)查看系統(tǒng)信息，有無報警及數(shù)據(jù)異常即可實現(xiàn)設備控制及遠程操作。同時通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可及時査看各生產(chǎn)點狀況，大大提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度。

4 軟件設計

（1）系統(tǒng)功能菜單功能。系統(tǒng)主畫面可以根據(jù)用戶需要，配置是否顯示該元素，通過操作菜單第一項中的命令來實現(xiàn)。當某一項顯示到主畫面后，可以執(zhí)行相應的菜單命令隱藏。

本系統(tǒng)中主要顯示的畫面元素有：動態(tài)實時跟蹤曲線、PLC所有模塊采集信息顯示、模擬量輸出與虛擬儀表基本操作、顯示隱藏日期時間信息面板、顯示隱藏設備開關控制按鈕、顯示隱藏智能儀表控制面板。

（2）模擬量輸出與虛擬儀表基本操作功能。本系統(tǒng)是完全通過 PLC來管理控制整個磨礦自動化設備的，整個PLC可以劃分成若干個虛擬設備，本窗口按虛擬設備顯示整個磨礦設備自動化的所有采集與控制量信息和數(shù)據(jù)。用戶可以通過此窗口一覽整個設備的運行狀況。

（3）動態(tài)實時跟蹤曲線功能。顯示當前磨礦自動化設備實際運行過程中采集過來的動態(tài)溫度、壓力、流量跟蹤曲線。系統(tǒng)每隔一定的時間就開始采樣各個傳感器的實際樣板數(shù)據(jù)值，產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)動態(tài)顯示出來，從顯示結果看出設備內(nèi)的運行實際狀態(tài)參數(shù)。所有數(shù)據(jù)形成一個隊列，每當采樣一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)首先將隊列所有數(shù)據(jù)組向后平移，淘汰處于末尾的一組數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)將新的一組數(shù)據(jù)放在隊列頭部。

（4）記錄數(shù)據(jù)瀏覽功能與報表打印功能。本窗口提供了瀏覽當前或歷史記錄數(shù)據(jù)的功能。窗口標題欄同時顯示了所需瀏覽數(shù)據(jù)的文件名和出自路徑。用鼠標右鍵單擊本窗口，出現(xiàn)一個快捷菜單，提供了局部瀏覽數(shù)據(jù)的功能。

本窗口提供了打印數(shù)據(jù)表格的功能，該功能可根據(jù)各班次及時間打印符合要求的報表。

（5）查看歷史運行跟蹤曲線。運行命令后，在文件夾中顯示要查看的記錄文件。本命令可以操作多次，既可以同時顯示多個跟蹤曲線窗口，也可以對其加以比較。各曲線顏色有所區(qū)別，曲線的橫坐標為時間，縱坐標為溫度值、流量值或壓力值?？蛇x擇對應曲線的復選框查看曲線。

（6）PLC調試窗口。本系統(tǒng)中PLC負責整個控制系統(tǒng)的順序邏輯及諸多開關量控制，實現(xiàn)自動給水、自動進料、自動加球、數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障報警與安全保護。本窗口提供了可以查看PLC內(nèi)部任何一變量區(qū)并且可以修改其參數(shù)值的功能。

5 經(jīng)濟效益評價

（1）金屬回收產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。自動化系統(tǒng)應用后，溢流濃度由 55%～65%提高并穩(wěn)定在68%～72%；浮選指標改善，并且能夠提高金屬回收率0.1%。該公司年產(chǎn)鉛金屬3500 t，年產(chǎn)鋅金屬16 000 t；以鉛單價1萬元/t，鋅單價1.3萬元/t計，則年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為24.3萬元/a。

（2）降低選礦成本產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。自動化系統(tǒng)應用后，球磨處理能力由21 t/h提升到22 t/h，降低了0.15元/t的選礦成本。以年處理量為30萬t計，則年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為4.5萬元/a。

6 結論

（1）自動化系統(tǒng)使該公司球磨處理能力由 21 t/h提升到22 t/h，球磨溢流濃度由55%～65%提高并穩(wěn)定在68%～72%，使礦物得到充分的單體解離。

（2）提高金屬回收率 0.1%，節(jié)約選礦成本0.15元/t，能夠為該公司新增經(jīng)濟效益28.8萬元/a。

（3）球磨系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)良好且穩(wěn)定，減輕了職工的勞動強度，降低職工職業(yè)病危害及安全危害系數(shù)。