破碎過(guò)程智能給礦控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

萬(wàn)洪濤

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司 焦家金礦，山東 萊州 261441）

1 引言

國(guó)內(nèi)某礦山隨著磨礦段的生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的破碎機(jī)系統(tǒng)因生產(chǎn)效率低和流程穩(wěn)定性差等問(wèn)題，造成破碎段處理能力無(wú)法滿足日益增加的磨礦量需求。因此，急需對(duì)破碎過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)施智能化控制升級(jí)，最大程度挖掘現(xiàn)有破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

該礦山選礦廠破碎工藝采用三段一閉路流程，礦石經(jīng)振動(dòng)放礦機(jī)給到顎式破碎機(jī)進(jìn)行粗碎，并經(jīng)1#皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至雙層圓振動(dòng)篩進(jìn)行洗礦。洗礦篩篩上產(chǎn)物由2#皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到粗腔型圓錐破碎機(jī)中進(jìn)行中碎，中碎及細(xì)碎產(chǎn)品由3#和4#皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到預(yù)先檢查篩分分配礦倉(cāng)，由振動(dòng)給料機(jī)給到雙層圓振動(dòng)篩進(jìn)行篩分。篩上產(chǎn)物由5#皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到細(xì)腔型圓錐破碎機(jī)中進(jìn)行細(xì)碎。洗礦篩篩下產(chǎn)物進(jìn)入雙螺旋分級(jí)機(jī)中分級(jí)，分級(jí)返砂和預(yù)先檢查篩分篩下產(chǎn)物由6#和7#皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸至粉礦倉(cāng)。

上述三段一閉路破碎工藝過(guò)程時(shí)常因?yàn)楦骷?jí)破碎機(jī)的負(fù)荷及破碎產(chǎn)品粒度分布不合理，導(dǎo)致破碎機(jī)的料倉(cāng)會(huì)出現(xiàn)爆滿或空倉(cāng)的問(wèn)題，破碎過(guò)程不能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。同時(shí)，圓錐破碎機(jī)作為破碎流程的核心設(shè)備由于經(jīng)常欠載運(yùn)行，造成生產(chǎn)效率低下［1］。因此，對(duì)破碎過(guò)程開展給礦智能化控制技術(shù)研究，特別是圓錐破碎機(jī)高效給礦技術(shù)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義［2-3］。

2 破碎系統(tǒng)操作分析及控制目標(biāo)

圓錐破碎機(jī)作為破碎流程的核心設(shè)備，其性能主要依賴于功耗、排礦口和給礦的粒度分布與硬度［4］。一般來(lái)說(shuō)，增大圓錐破碎機(jī)的給礦量破碎機(jī)的功率也要增大。如果增大排礦口，那么在某個(gè)特定的給礦量條件下功率就會(huì)顯著降低，而產(chǎn)品粒度變粗。若中碎破碎機(jī)產(chǎn)出的產(chǎn)品粒度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致細(xì)碎破碎機(jī)的篩上返回量逐漸加大，而細(xì)碎破碎機(jī)上方的料倉(cāng)料位逐漸加高，會(huì)導(dǎo)致細(xì)碎破碎機(jī)的篩上返回量逐漸加大，又迫使細(xì)碎破碎機(jī)加大排空口尺寸，輸送到磨礦的合格礦石量反而會(huì)降低。如果圓錐產(chǎn)品粒度越細(xì)，處理每噸物料所需的能耗就越高，中碎破碎機(jī)產(chǎn)出的產(chǎn)品粒度過(guò)小，輸送到細(xì)碎破碎機(jī)的處理量下降，加大能耗，同樣降低破碎生產(chǎn)率，且細(xì)碎輸送到磨礦的合格礦石量會(huì)降低。此外，圓錐破碎機(jī)功率的變化能夠用于確定設(shè)備的過(guò)載條件，減少設(shè)備停機(jī)頻次，提高運(yùn)行時(shí)間。因此通過(guò)調(diào)節(jié)給礦量來(lái)控制圓錐破碎機(jī)的功率維持在一個(gè)比較穩(wěn)定高效的狀態(tài)的是十分必要的［5-8］。

對(duì)于破碎流程的振動(dòng)篩來(lái)說(shuō)，在負(fù)荷增大時(shí)，振動(dòng)篩的效率就會(huì)降低。我們希望篩子工作具備合理的效率，否則篩子給料中的大量潛在篩下產(chǎn)品就要進(jìn)入篩上產(chǎn)品并增加循環(huán)負(fù)荷，但產(chǎn)量并不相應(yīng)地提高。利用限制給礦量使單個(gè)篩子的循環(huán)負(fù)荷不大于一個(gè)固定值，這在某種程度上能夠克服篩子運(yùn)行效率太低的問(wèn)題。

結(jié)合以上分析可知，破碎系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)是在高產(chǎn)量的條件下生產(chǎn)細(xì)粒產(chǎn)品，那就要使控制回路維持最高的安全功耗。本文通過(guò)設(shè)計(jì)破碎過(guò)程給礦來(lái)提高破碎過(guò)程整體生產(chǎn)效率，降低破碎過(guò)程能耗，穩(wěn)定破碎產(chǎn)品質(zhì)量。

3 破碎系統(tǒng)智能給礦控制策略

3.1 圓錐破碎機(jī)智能給料控制策略

圓錐破碎機(jī)智能給料控制的原則是擠滿給礦，即通過(guò)在控制圓錐破碎機(jī)設(shè)備功率和控制喂料倉(cāng)料位之間進(jìn)行智能選擇切換，來(lái)穩(wěn)定破碎機(jī)的給料過(guò)程、減小斷斷續(xù)續(xù)給料發(fā)生的幾率。具體控制策略可歸納為：

規(guī)則1：當(dāng)喂料倉(cāng)料位高于料位高高限，停給料。

規(guī)則2：當(dāng)喂倉(cāng)料位高于料位高限，且滿足連續(xù)一段時(shí)間或一段時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)置的次數(shù)時(shí)，每隔N秒，給料頻率減少△f Hz，直至高限狀態(tài)位復(fù)位，執(zhí)行恒功率（即電流）PID控制。

規(guī)則3：當(dāng)喂倉(cāng)料位低于料位低限，且滿足連續(xù)一段時(shí)間或一段時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)置的次數(shù)時(shí)，每隔N秒，給料頻率增加△f Hz，直至低限狀態(tài)位復(fù)位，執(zhí)行恒功率（即電流）PID控制。

規(guī)則4：破碎機(jī)電流超過(guò)高高限，停給料。

規(guī)則5：破碎機(jī)電流超過(guò)高限，執(zhí)行恒功率（即電流）PID控制，將電流拉回設(shè)定值，忽略料位控制。

此外，若頻繁出現(xiàn)電流低于低限且料位高于高限的異常情況（給料頻率已至上限），應(yīng)考慮適當(dāng)減小電流設(shè)定值（更換襯板初期較常見）；對(duì)于偶爾出現(xiàn)的電流超過(guò)高限且料位低于低限的異常情況，應(yīng)排查是否由于是破碎腔堵塞或其他機(jī)械故障。

3.2 粗中細(xì)碎各段負(fù)荷協(xié)同控制策略

在解決了圓錐破碎機(jī)的給礦控制問(wèn)題后，破碎各子工序間控制關(guān)系的調(diào)諧是破碎流程負(fù)荷均衡控制的核心。在整破碎個(gè)流程的物料平衡情況下，各段緩沖料倉(cāng)料位應(yīng)在一定范圍內(nèi)變化。所以，粗碎、中碎與細(xì)碎各段負(fù)荷協(xié)同控制主要是控制各段緩沖礦倉(cāng)料位，既要保證礦倉(cāng)的緩沖作用，又要對(duì)能體現(xiàn)各段負(fù)荷匹配情況的料位實(shí)現(xiàn)目標(biāo)范圍內(nèi)的控制。如圖1所示為中碎和細(xì)碎間負(fù)荷協(xié)同控制過(guò)程工藝設(shè)備形象聯(lián)系圖。

圖1 被控過(guò)程工藝設(shè)備形象聯(lián)系圖

該被控過(guò)程中緩沖料倉(cāng)料位的高低以及變化趨勢(shì)，比較好的反應(yīng)了中碎過(guò)程循環(huán)量體積的變化。首先對(duì)緩沖料倉(cāng)料位變化趨勢(shì)進(jìn)行辨識(shí)，再根據(jù)中間料倉(cāng)的緩沖能力進(jìn)行調(diào)容調(diào)峰，協(xié)調(diào)上下游工序生產(chǎn)負(fù)荷與循環(huán)負(fù)荷，使得整體破碎流程能夠獲得較為平穩(wěn)的調(diào)諧效果。其控制策略是充分利用料倉(cāng)的有效容積，在不出現(xiàn)冒頂、打空等事故的前提下優(yōu)先保證循環(huán)負(fù)荷的平衡控制效果，通過(guò)帶記憶的變結(jié)構(gòu)控制策略實(shí)現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)。如圖2所示將料倉(cāng)料位按照：①危險(xiǎn)區(qū)、②調(diào)整區(qū)和③穩(wěn)定區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域。針對(duì)每個(gè)區(qū)間實(shí)現(xiàn)不同的控制策略。

圖2 負(fù)荷協(xié)同控制分區(qū)示意圖

工況1：若料位處于穩(wěn)定區(qū)③時(shí)，給礦機(jī)頻率維持不變，以保證流程的穩(wěn)定。此時(shí)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

工況2：若料位從穩(wěn)定區(qū)③進(jìn)入調(diào)整區(qū)②時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)發(fā)生了工況變化，平衡被破壞。此時(shí)將通過(guò)PID算法調(diào)整給礦機(jī)頻率，使液位重新進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，達(dá)成新的平衡后再次進(jìn)入恒給礦頻率控制。其中，進(jìn)入新的循環(huán)負(fù)荷平衡的標(biāo)準(zhǔn)是料位值在穩(wěn)定區(qū)的中心小幅波動(dòng)。取達(dá)到平衡狀態(tài)后一段時(shí)間內(nèi)的輸出頻率平均值作為新的平衡點(diǎn)。

工況3：若料位處于危險(xiǎn)區(qū)①且超過(guò)料位高高限時(shí)，將停止給礦；若低于料位低低限時(shí)，將停下游工序給礦機(jī)或降頻。

4 破碎過(guò)程智能控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

根據(jù)前節(jié)所述破碎智能控制策略，基于LabView軟件平臺(tái)，開發(fā)了破碎過(guò)程智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)OPC協(xié)議與自動(dòng)化系統(tǒng)的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，該破碎過(guò)程智能控制軟件包括如下幾個(gè)功能單元：

（1）圓錐給料智能控制單元。

圓錐給料智能控制單元可以顯示圓錐給料機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，圓錐破碎機(jī)運(yùn)行運(yùn)行電流，料倉(cāng)料位及排礦口尺寸等參數(shù)。同時(shí)可以對(duì)圓錐破碎機(jī)期望電流、料位及其連鎖上/下限，給料機(jī)的運(yùn)行頻率上/下限進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。當(dāng)電流控制投用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎機(jī)電流的自動(dòng)控制；當(dāng)擠滿給料投用時(shí)，可在電流控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎機(jī)料倉(cāng)的料位控制。趨勢(shì)圖可以對(duì)圓錐的電流和料位控制效果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用控制曲線見圖3、圖4所示。

圖3 細(xì)碎圓錐破碎機(jī)電流控制曲線

圖4 細(xì)碎圓錐給料控制電流/料位智能選擇狀態(tài)

（2）負(fù)荷協(xié)同控制單元。

負(fù)荷協(xié)同控制單元主要顯示給料機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和中碎料倉(cāng)料位。同時(shí)可設(shè)置中碎料倉(cāng)期望料位及其連鎖上上限、上限、下限、下下限，給料機(jī)的運(yùn)行頻率上/下限。當(dāng)中碎料位高于高限或低于低限時(shí)，自動(dòng)調(diào)整過(guò)程中指示燈變亮，此時(shí)對(duì)正在遠(yuǎn)程運(yùn)行的給礦機(jī)頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，直至控制料位穩(wěn)定在設(shè)定值附近。當(dāng)中碎料位穩(wěn)定在設(shè)定值附近范圍內(nèi)一段時(shí)間后，指示燈熄滅。趨勢(shì)圖可以對(duì)中碎料倉(cāng)料位控制效果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

（3）破碎礦石粒度顯示單元。

以柱狀圖的形式清晰的對(duì)比顯示破碎原料、出料及最終篩分產(chǎn)品的粒度分布，以便操作員及時(shí)調(diào)整破碎機(jī)工作狀態(tài)。

（4）皮帶負(fù)荷報(bào)警單元。

系統(tǒng)通過(guò)皮帶的電流監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)皮帶過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的預(yù)警。

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，圓錐破碎機(jī)智能擠滿給料控制投用以來(lái)，單臺(tái)圓錐破碎機(jī)的平均有效負(fù)荷率上升了13.5%，處理能力提升了60t/h，排礦中-12mm占比由55%提升至60%。同時(shí)，在達(dá)到擠滿給礦狀態(tài)下，可有效提高圓錐破碎機(jī)的襯板使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)破碎流程在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，圓錐破碎機(jī)欠載運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低，工序間負(fù)荷平衡難以控制，流程穩(wěn)定性差的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套破碎過(guò)程智能給礦控制系統(tǒng)。工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)證明，智能給礦控制系統(tǒng)投入應(yīng)用后，圓錐破碎機(jī)運(yùn)行負(fù)荷率顯著提高，在保證破碎產(chǎn)品粒度質(zhì)量達(dá)標(biāo)的同時(shí)，降低了給料沖擊對(duì)破碎機(jī)部件造成的損耗，有效的提高了設(shè)備的使用壽命。