金川選礦廠碎礦自動控制系統(tǒng)技術(shù)改造及應(yīng)用

朱黎陽，王國文，樊俊杰

金川集團股份有限公司選礦廠 甘肅金昌 737100

破碎作業(yè)作為選礦工藝流程中的第一道工序，在選礦廠占有很重要的地位，直接影響磨礦作業(yè)的功耗、處理能力及磨礦產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)[1]，因此，合理控制破碎流程中的各類設(shè)備是獲得破碎產(chǎn)品最佳指標(biāo)的關(guān)鍵。

金川選礦廠某選礦車間自建成投產(chǎn)以來，通過一系列擴能改造，礦石處理能力由原來的 6 000 t/d 增加至現(xiàn)在的 15 500 t/d，已成為選礦廠目前處理能力最大的車間。其中該車間 4 500 t/d 系統(tǒng)運行時間最長，在長期的運行過程中，存在生產(chǎn)線長、崗位需求人員多、自動化水平低等問題，一些生產(chǎn)操作崗位在人員或設(shè)備出現(xiàn)問題時不能及時發(fā)現(xiàn)，無法做到互保聯(lián)防，不利于車間高效、節(jié)能地組織生產(chǎn)。

為了解決上述問題，結(jié)合選礦廠的指標(biāo)要求及碎礦作業(yè)的工藝特點，將 DCS 碎礦自動控制系統(tǒng)引入碎礦系統(tǒng)，通過不同的控制策略對整個碎礦流程加以控制，最終實現(xiàn)碎礦全流程自動化控制。

1 系統(tǒng)概述

碎礦系統(tǒng)是磨礦工序的前級系統(tǒng)，主要包括原礦倉給礦、輸送帶運輸、中碎、篩分及細(xì)碎工序[2]，其破碎篩分工藝為二段一閉路破碎流程，如圖 1 所示。公司自產(chǎn)礦石經(jīng)火車運輸至原礦倉，再經(jīng)帶式輸送機給入中碎前緩沖倉，經(jīng)給礦輸送帶送入圓錐破碎機，排礦經(jīng)帶式輸送機給入篩分前緩沖倉，再由給料輸送帶和振動給料機給入振動篩進行檢查篩分，篩下產(chǎn)物(-12 mm) 為破碎最終產(chǎn)品，經(jīng)帶式輸送機進入磨浮粉礦倉，篩上產(chǎn)物 (+12 mm) 經(jīng)帶式輸送機給入細(xì)碎破碎機，排礦經(jīng)輸送帶再次給入振動篩進行篩分，形成閉路。

圖1 破碎篩分作業(yè)工藝流程Fig.1 Process flow of crushing and screening operation

2 碎礦自動控制系統(tǒng)技術(shù)改造

本次碎礦自動控制系統(tǒng)技術(shù)改造旨在實現(xiàn)碎礦系統(tǒng)自動化、無人化、智能化。改造碎礦自動控制系統(tǒng)主要包括對原礦倉料位的檢測、輸送帶控制及礦量測量、給礦設(shè)備變頻調(diào)速控制、破碎機自動控制、其他電氣設(shè)備的啟停控制、設(shè)備狀態(tài)檢測和設(shè)備之間的順序啟動連鎖、開停車信號聯(lián)系等。主要設(shè)備包括：帶式輸送機、給料機、振動篩、破碎機，以及風(fēng)機、除鐵器、液下泵等。碎礦系統(tǒng)要實現(xiàn)自動化，首先要考慮的是設(shè)備的連鎖控制，每臺設(shè)備都應(yīng)以礦石的運輸以及工藝流程的先后順序為主要條件設(shè)置連鎖，一般應(yīng)在現(xiàn)場設(shè)自動、手動、緊急停車開關(guān)，保證系統(tǒng)故障時能緊急安全停車，同時系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)綜合判斷故障原因及故障點，或者提供對維修有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)，幫助維修人員快速準(zhǔn)確地修復(fù)故障。

本次改造是基于 DCS 碎礦自動控制系統(tǒng)，采用自動控制裝置和傳感器對各設(shè)備及工藝參數(shù)進行檢測、控制，并通過自動控制相關(guān)設(shè)備運行參數(shù)，使各作業(yè)流程之間保持負(fù)荷平衡，確保生產(chǎn)正常運行。

該DCS 碎礦自動控制系統(tǒng)由 3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，分別為現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層及監(jiān)控管理層。其中現(xiàn)場設(shè)備層通過各類傳感器、儀表及檢測裝置等采集現(xiàn)場工藝過程數(shù)據(jù)，讀取設(shè)備運行狀態(tài)；過程控制層中 DCS 中央控制器對現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)進行邏輯、回路運算，根據(jù)運算結(jié)果驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)控制功能；監(jiān)控管理層將現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)通過可視化人機界面反饋給操作人員，操作人員再將相應(yīng)控制信息發(fā)送到現(xiàn)場控制層。

2.1 現(xiàn)場設(shè)備層改造

現(xiàn)場設(shè)備層改造前后控制信號布置情況如表 1 所列，具體改造內(nèi)容如下。

表1 改造前后控制信號布置情況Tab.1 Layout of control signals before and after innovation

2.1.1 礦倉料位自動控制改造

主要是加裝各類傳感器和控制裝置，包括料位檢測傳感器、自動分礦裝置和給礦裝置，使礦倉的料位保持在一定范圍內(nèi)。

(1) 在原礦受礦倉設(shè)置料位檢測裝置，對料位進行連續(xù)檢測并在主控室顯示，同時設(shè)上下限料位報警，將信號發(fā)送至倉底卸礦設(shè)備 (電氣連鎖開停)。設(shè)置料位檢測裝置可以使操作人員及時了解受礦倉的來料情況，靈活調(diào)整生產(chǎn)進度，并根據(jù)料位情況完成下料設(shè)備的自動控制。

(2) 在中細(xì)碎、篩分給礦緩沖礦倉設(shè)置料位計及自動分礦系統(tǒng)，對料位進行連續(xù)檢測并在主控室顯示，同時設(shè)上下限料位報警，并將信號發(fā)送至倉頂給礦設(shè)備和倉底卸礦設(shè)備 (電氣連鎖開停)；自動分礦系統(tǒng)可實現(xiàn)自動分礦及多個礦倉合理分配礦石物料。

(3) 在粉礦倉設(shè)置料位計，對料位進行連續(xù)檢測并在主控室顯示，同時設(shè)上下限料位報警，并將信號發(fā)送至倉頂給礦設(shè)備。

2.1.2 帶式輸送機的保護與控制

碎礦流程主要的物料運輸設(shè)備是帶式輸送機，為保證帶式輸送機的正常運轉(zhuǎn)，便于操作人員維護與操作，每條輸送帶都安裝單 (雙) 向拉繩開關(guān)、輸送帶防跑偏開關(guān)、輸送帶自動糾偏裝置、輸送帶失速檢測裝置及輸送帶防撕裂裝置[3]。此外，還在帶式輸送機運輸系統(tǒng)中增加自動除鐵裝置，主要是為了保護破碎設(shè)備，避免帶式輸送機因礦石中夾雜鐵器等異物造成設(shè)備損壞；同時在帶式輸送機運輸系統(tǒng)中增加礦石計量及控制裝備，對入選的礦量進行瞬時顯示及累計，并將信號發(fā)送到主控室，控制受礦倉下的卸料設(shè)備，通過變頻調(diào)整卸料設(shè)備的排礦量來調(diào)整礦量。

2.1.3 圓錐破碎機自動控制系統(tǒng)改造

在破碎作業(yè)過程中，各段之間的破碎比應(yīng)合理分配，以免造成破碎機負(fù)荷不均勻，無法實現(xiàn)高效破碎。為此采用多段破碎機負(fù)荷及排礦口自動控制系統(tǒng)，每臺破碎機根據(jù)檢測的負(fù)荷值和排礦口尺寸，自動調(diào)整相應(yīng)的排礦口或給礦量，在最終產(chǎn)品粒度和破碎效率都達到工藝要求的條件下，使每臺破碎機都滿負(fù)荷運行。

對于圓錐破碎機的自動控制系統(tǒng)改造主要集中在潤滑系統(tǒng)以及設(shè)備自帶的破碎機自動運行和參數(shù)調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng)，通過對油溫、油壓、電動機功率、回油油流、主軸位置等各參數(shù)的監(jiān)測，自動調(diào)整破碎機的運行方式，使破碎機在設(shè)定的模式下正常運行。

2.2 過程控制層改造

選礦廠碎礦流程生產(chǎn)線較長，廠房分散，主要由原礦倉廠房、篩分廠房、中細(xì)碎廠房、帶式輸送機廊及轉(zhuǎn)運站組成。從控制角度來講，碎礦流程的主要控制內(nèi)容有設(shè)備的順序啟停與連鎖、設(shè)備運行參數(shù)的監(jiān)控、各緩沖礦倉料位監(jiān)測、破碎機設(shè)備自身的監(jiān)控、開停車及崗位信號聯(lián)系等[4]。本著分散控制、集中監(jiān)視的原則，同時根據(jù)配電系統(tǒng)的設(shè)計，可以在中細(xì)碎廠房、篩分廠房、原礦倉廠房設(shè)立 PLC 站 (也可以在主低壓配電室設(shè)置總 PLC 站)，在主控室設(shè)置操作站[5]。各 PLC 站之間與中細(xì)碎廠房的主操作站通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接組成控制系統(tǒng)，同時整個碎礦控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接到主廠房主控系統(tǒng)構(gòu)成整個系統(tǒng)。

系統(tǒng)控制方式主要分為現(xiàn)場手動和 PLC 集中聯(lián)鎖自動 2 種方式?，F(xiàn)場手動用于設(shè)備的檢修、試車及單獨運行；集中聯(lián)鎖自動用于生產(chǎn)的自動正常運行。為確保操作人員及設(shè)備自身安全，在 PLC 的內(nèi)部和外部硬接線中均設(shè)置聯(lián)鎖保護環(huán)節(jié)和緊急停車處理系統(tǒng)，只有在取得了現(xiàn)場操作人員的許可后才能啟動系統(tǒng)，即在現(xiàn)場將機旁控制箱中的轉(zhuǎn)換開關(guān)均轉(zhuǎn)換到自動位置，待發(fā)出指示信號后才能啟動。

啟動前，主控室根據(jù)工藝流程模擬屏顯示的情況，向現(xiàn)場發(fā)出聲光預(yù)告信號，現(xiàn)場操作人員在完成設(shè)備巡檢、準(zhǔn)備就緒后發(fā)出允許啟動信號，PLC 才能進入正常的啟動程序。首先發(fā)出 30 s 的聲光啟動信號，然后按設(shè)備啟動連鎖流程，從進入磨浮粉礦倉的輸送帶至原礦受礦倉卸礦設(shè)備逐臺啟動設(shè)備。運行過程中當(dāng)系統(tǒng)中的除塵器、輸送帶除鐵裝置等設(shè)備發(fā)生故障跳閘時，只向主控室發(fā)出故障信號，通過信號燈的閃爍在上位機上顯示出來，可以不中斷系統(tǒng)的運行；而當(dāng)帶式輸送機、振動篩、圓錐破碎機中任一設(shè)備發(fā)生故障時，立即停止來料方向設(shè)備的運行，送料方向上的設(shè)備根據(jù)情況按生產(chǎn)要求停機。

2.3 監(jiān)控管理層改造

由于碎礦流程線路較長，部分崗位工作環(huán)境較差，因此在新建碎礦系統(tǒng)中基本上都安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況進行監(jiān)控，可避免各崗位之間由于聯(lián)系不暢造成事故，同時提高操作人員的生產(chǎn)管理能力。

該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)采集、信號監(jiān)測、程序上/下傳、遠程測試編程等。碎礦自動控制系統(tǒng)人機界面如圖 2、3 所示。

圖2 碎礦自動控制系統(tǒng)人機界面 1Fig.2 Man-machine interface 1 of crushing automatic control system

圖3 碎礦自動控制系統(tǒng)人機界面 2Fig.3 Man-machine interface 2 of crushing automatic control system

3 應(yīng)用效果

降低了備件和維修成本，有效減少了生產(chǎn)操作人員的工作量。

通過本次碎礦自動控制系統(tǒng)改造，金川選礦廠某車間 4 500 t/d 碎礦系統(tǒng)已實現(xiàn)無人化值守。系統(tǒng)試運行 3 個月以來，在實際應(yīng)用及經(jīng)濟效益方面均取得了較好的效果。

(1) 崗位操作人員僅需進行日常巡檢及維護即可，勞動強度大幅度減小，設(shè)備實現(xiàn)了長周期正常運行。

(2) 破碎作業(yè)全系統(tǒng)聯(lián)動更加靈活，破碎效率更高，4 臺破碎機的破碎效率大幅度增加，從原來的65% 增長到 80%，破碎效果更好。

(3) 設(shè)備故障率相比改造前更低，系統(tǒng)非計劃停車時間更少。

(4) 通過對碎礦系統(tǒng)的改進，為選礦廠帶來了直接和間接的經(jīng)濟效益。據(jù)不完全統(tǒng)計，每減少 1 h 的非計劃停車，將給選礦廠帶來直接經(jīng)濟效益 5 萬元；間接的經(jīng)濟效益是設(shè)備長周期正常運行后，設(shè)備啟停率降低，設(shè)備能耗進一步降低。

4 結(jié)語

金川選礦廠通過對碎礦自動控制系統(tǒng)技術(shù)改造，已實現(xiàn)碎礦系統(tǒng)自動化以及無人化值守，不僅提高了破碎機破碎效率和振動篩篩分效率，而且減少了循環(huán)負(fù)荷，降低了能源消耗，使最終產(chǎn)品粒度更細(xì)，可為磨礦工藝提供合格的物料，在多碎少磨和節(jié)能降耗方面取得了較好的成果。同時，通過提高設(shè)備的自動化控制水平，使得設(shè)備能夠高效、穩(wěn)定運行，進一步降低了設(shè)備故障率，減少了檢修維護工作量，