全自動智能配礦系統(tǒng)的研究

王昊丹

（湛江港（集團）股份有限公司，廣東 湛江 524000）

1 全自動智能配礦系統(tǒng)研究的背景及意義

配礦是礦產(chǎn)相關企業(yè)生產(chǎn)過程中必經(jīng)的過程之一，它將品位不同的礦石按照一定的比例進行搭配，混勻并使之達到礦石品質(zhì)指標的要求。配礦的意義在于可以有效保證礦石達到某種品質(zhì)指標的要求，而且使低品位礦石獲得應用。這樣不僅提高了礦產(chǎn)資源的綜合利用率，還提高了相關企業(yè)的經(jīng)濟效益。精準配礦業(yè)務對礦石的精準配礦精度、精準配礦勻度和精準配礦效率都有非常嚴格的要求，控制精準配礦的精度和勻度有多種工藝方法。

現(xiàn)有礦場中，已有堆取料機能夠實現(xiàn)自動堆料、取料作業(yè)，但配礦作業(yè)仍多為人工操作堆取料機進行，存在諸多弊端。譬如，作業(yè)效率受人工操作熟練程度，操作人員精神狀態(tài)以及現(xiàn)場環(huán)境因素（包括雨霧天氣、夜間作業(yè)等等）的影響；人工操作存在很大的作業(yè)誤差，導致混礦的精度、勻度不穩(wěn)定，出現(xiàn)低于或者高于預期的情況；作業(yè)量較大時作業(yè)時長較長，工作強度增加，對操作人員的身心負擔較大，長此以往會對操作人員身心健康造成影響。

本研究提供了一種自動配礦系統(tǒng)和相關設備，用于實現(xiàn)堆取料機的自動配礦，提高配礦的精度與勻度，減少人工作業(yè)量，為礦場配礦設計提供一個可供參考的新方案。

1.1 配礦方式發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

配礦工作是礦場必須經(jīng)歷的過程之一，主要有3種形式：采場配礦、礦倉配礦、儲礦場配礦。由于我國當前鐵礦、銅礦等礦產(chǎn)可采儲量較少，導致產(chǎn)能與需求不對等，需要從國外進口大量礦產(chǎn)。因此，配礦主要采用儲礦場配礦。

由于不同礦山來的礦石（或外購礦）種類較多，質(zhì)量指標差異較大，礦石運到選礦廠礦石料場后要分別貯存。儲礦場配礦按各種礦石基本特性和可選性試驗結果進行配礦，一定周期內(nèi)選配某幾種礦石，過期再另行選配，使配礦后的礦石質(zhì)量均衡穩(wěn)定，滿足選礦廠工藝要求。

以往主要是采用人工操作堆取料機進行配礦作業(yè)，配礦效率、配礦品質(zhì)等易受到影響。為了提高選礦效率和選礦質(zhì)量，降低高品位礦的生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，進而出現(xiàn)了全自動智能配礦系統(tǒng)。由于企業(yè)需求不同，目前已出現(xiàn)多種全自動智能配礦系統(tǒng)，用于滿足各種不同的生產(chǎn)環(huán)境需求。隨著設備推陳出新以及自動控制等技術的發(fā)展及運用，未來的全自動智能配礦系統(tǒng)將向無人值守、遠程控制、使用維護簡單、功能多樣、客戶定制等方向發(fā)展。

1.2 本研究主要內(nèi)容

為解決礦場相關企業(yè)配礦的效率、勻度等問題，本研究提供了一種自動配礦系統(tǒng)和相關設備，用于實現(xiàn)堆取料機的自動配礦，提高配礦的精度與勻度，減少人工作業(yè)量，為企業(yè)提高經(jīng)濟效益。本研究提供的全自動礦場配礦系統(tǒng)，包括全自動堆取料機控制系統(tǒng)與實時流量檢測控制系統(tǒng)。

1.3 解決的主要問題和使用的裝置

（1）通過全自動配礦作業(yè)方式，改善堆取料機操作人員的工作環(huán)境，降低人力成本，提高生產(chǎn)效率。

（2）本研究有助于規(guī)范堆取料機作業(yè)流程和操作，延長取料機的使用壽命。

（3）本研究應用的激光流量檢測裝置采用三維激光掃描儀作為核心，具有精準度高、響應速度快、實時性好的優(yōu)點，保障了自動配礦的可靠性與穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)研究方案

本發(fā)明提供了一種全自動智能配礦系統(tǒng)，包括全自動堆取料機控制系統(tǒng)與實時流量檢測控制系統(tǒng)。全自動堆取料機控制系統(tǒng)包含堆取料機數(shù)據(jù)采集設備、堆取料機PLC 控制系統(tǒng)、控制中心數(shù)據(jù)處理服務器和控制中心PLC 控制系統(tǒng)；實時流量檢測控制系統(tǒng)包含激光流量掃描裝置、流量檢測數(shù)據(jù)采集器及配礦流量控制服務器。

2.1 全自動智能配礦系統(tǒng)設計

2.1.1 全自動堆取料機控制系統(tǒng)設計

全自動堆取料機控制系統(tǒng)，包含堆取料機數(shù)據(jù)采集設備、堆取料機PLC 控制系統(tǒng)、控制中心數(shù)據(jù)處理服務器和控制中心PLC 控制系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集設備安裝在堆取料機外部，用于采集礦堆的表面數(shù)據(jù)信息及堆取料機的位置、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；所述堆取料機PLC 控制系統(tǒng)安裝于堆取料機電氣房內(nèi)，用于接收數(shù)據(jù)采集設備獲取的各項數(shù)據(jù)信息，并與控制中心PLC 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息與運行指令傳輸，控制堆取料機各運行機構進行自動化作業(yè)；所述控制中心數(shù)據(jù)處理服務器放置于遠程控制室內(nèi)，用于接收堆取料機數(shù)據(jù)采集設備獲取的各項數(shù)據(jù)信息，通過程序算法得到堆取料機自動化作業(yè)運行流程指令，并將指令發(fā)送至控制中心PLC 控制系統(tǒng)；所述控制中心PLC 控制系統(tǒng)放置于遠程控制室內(nèi)，用于接收來自控制中心數(shù)據(jù)處理服務器下發(fā)的堆取料機自動化作業(yè)運行流程指令，將運行指令發(fā)送至堆取料機PLC 控制系統(tǒng)，并與堆取料機PLC 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息傳輸。全自動堆取料機控制系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示。

圖1 全自動堆取料機控制系統(tǒng)功能框圖

2.1.2 實時流量檢測控制系統(tǒng)設計

實時流量檢測控制系統(tǒng)包含激光流量掃描裝置、流量檢測數(shù)據(jù)采集器及配礦流量控制服務器；所述激光流量掃描裝置，安裝于斗輪導料槽后部，輸料皮帶上方，通過激光掃描的方式，檢測獲取堆取料皮帶上的瞬時流量；所述實時流量檢測箱安裝于堆取料機電氣房內(nèi)，用于接收激光流量掃描裝置獲取的皮帶瞬時流量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至配礦流量控制服務器；所述配礦流量控制服務器放置于遠程控制室內(nèi)，用于接收激光流量掃描裝置獲取的數(shù)據(jù)信息，并與控制中心數(shù)據(jù)處理服務器進行數(shù)據(jù)信息交互，通過程序算法得到瞬時最佳配礦流程控制指令，并通過控制中心數(shù)據(jù)處理服務器將指令發(fā)送至控制中心PLC 控制系統(tǒng)。實時流量檢查控制系統(tǒng)功能框圖如圖2 所示。

圖2 實時流量監(jiān)測控制系統(tǒng)功能框圖

2.2 控制系統(tǒng)總體方案

本研究提供的全自動智能配礦系統(tǒng)由全自動堆取料機控制系統(tǒng)以及實時流量監(jiān)測控制系統(tǒng)構成，如圖3 所示。

圖3 全自動智能配礦系統(tǒng)功能框圖

在本研究提供的全自動智能配礦系統(tǒng)中，堆取料機數(shù)據(jù)采集設備采集礦堆各項數(shù)據(jù)信息后傳輸?shù)娇刂浦行臄?shù)據(jù)處理服務器中；控制中心數(shù)據(jù)處理服務器接收到礦場數(shù)據(jù)后進行處理，生成智能化作業(yè)指令；控制中心PLC 控制系統(tǒng)接收下發(fā)的指令，并將運行指令發(fā)送至堆取料機PLC 控制系統(tǒng)；最后通過堆取料機PLC控制系統(tǒng)控制堆取料機各運行機構進行自動化作業(yè)。激光流量掃描裝置通過掃描儀掃描皮帶，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送至流量檢測數(shù)據(jù)采集器。流量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器進行處理之后將數(shù)據(jù)發(fā)送至配礦流量控制服務器。配礦流量監(jiān)測服務器接收數(shù)據(jù)之后，再結合控制中心數(shù)據(jù)處理服務器交互所得的數(shù)據(jù)信息，通過分析處理得到完成目標配礦所需的作業(yè)流程控制指令，并發(fā)送至堆取料機PLC 控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)自動配礦流程。

3 本研究實施方式

3.1 全自動智能配礦系統(tǒng)

3.1.1 全自動堆取料機控制系統(tǒng)

本研究提供的全自動堆取料機控制系統(tǒng)包含堆取料機數(shù)據(jù)采集設備、堆取料機PLC 控制系統(tǒng)、控制中心數(shù)據(jù)處理服務器和控制中心PLC 控制系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)采集設備安裝在堆取料機外部，用于采集礦場礦堆的表面數(shù)據(jù)信息及堆取料機的位置、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；所述堆取料機PLC 控制系統(tǒng)安裝于堆取料機電氣房內(nèi)，用于接收數(shù)據(jù)采集設備獲取的各項數(shù)據(jù)信息，并與控制中心PLC 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息與運行指令傳輸，控制堆取料機各運行機構進行自動化作業(yè)；所述控制中心數(shù)據(jù)處理服務器放置于遠程控制室內(nèi)，用于接收堆取料機數(shù)據(jù)采集設備獲取的各項數(shù)據(jù)信息，通過程序算法得到堆取料機自動化作業(yè)運行流程指令，并將指令發(fā)送至控制中心PLC 控制系統(tǒng)；所述控制中心PLC 控制系統(tǒng)放置于遠程控制室內(nèi)，用于接收來自控制中心數(shù)據(jù)處理服務器下發(fā)的堆取料機自動化作業(yè)運行流程指令，將運行指令發(fā)送至堆取料機PLC控制系統(tǒng)，并與堆取料機PLC 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息傳輸。

具體來說，堆取料機數(shù)據(jù)采集設備采用的設備包括北斗/GPS 定位系統(tǒng)、傾角儀、三維激光掃描儀、料高檢測雷達等。該設備用于采集礦堆的表面數(shù)據(jù)信息及堆取料機的位置、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，通過堆取料機PLC 控制系統(tǒng)傳輸?shù)娇刂浦行臄?shù)據(jù)處理服務器中。堆取料機PLC 控制系統(tǒng)，主要用于接收數(shù)據(jù)采集設備獲取的各項數(shù)據(jù)信息，并與控制中心PLC 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息與運行指令傳輸，控制堆取料機各運行機構進行自動化作業(yè)?？刂浦行臄?shù)據(jù)處理服務器，主要用于接收堆取料機數(shù)據(jù)采集設備獲取的礦場數(shù)據(jù)，進行礦場模型的計算以及堆取料模型計算，進而自動生成智能化作業(yè)指令、與控制中心PLC 控制系統(tǒng)進行實時通訊。控制中心PLC 控制系統(tǒng)，主要用于接收來自控制中心數(shù)據(jù)處理服務器下發(fā)的堆取料機自動化作業(yè)運行流程指令，將運行指令發(fā)送至堆取料機PLC 控制系統(tǒng)，并與堆取料機PLC 控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息傳輸。

3.1.2 實時流量監(jiān)測控制系統(tǒng)

本研究提供的實時流量檢測控制系統(tǒng)包含激光流量掃描裝置、流量檢測數(shù)據(jù)采集器及配礦流量控制服務器；所述激光流量掃描裝置，安裝于斗輪導料槽后部，輸料皮帶上方，用于通過激光掃描的方式，檢測獲取堆取料皮帶上的瞬時流量，激光流量檢測裝置的安裝位置示意圖如圖4 所示；所述實時流量檢測箱安裝于全自動堆取料機電氣房內(nèi)，用于接收激光流量掃描裝置獲取的皮帶瞬時流量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至配礦流量控制服務器；所述配礦流量控制服務器放置于遠程控制室內(nèi)，用于接收激光流量掃描裝置獲取的數(shù)據(jù)信息，并與控制中心數(shù)據(jù)處理服務器進行數(shù)據(jù)信息交互，通過程序算法得到瞬時最佳配礦流程控制指令，并通過控制中心數(shù)據(jù)處理服務器將指令發(fā)送至控制中心PLC 控制系統(tǒng)。

圖4 激光流量檢測裝置的安裝位置示意圖

其中激光流量掃描裝置，主要通過三維激光掃描儀掃描皮帶，并將得到的掃描點云結果發(fā)送至流量檢測數(shù)據(jù)采集器，激光流量檢測裝置的運作示意圖如圖5 所示。流量檢測數(shù)據(jù)采集器，主要用于接收激光流量掃描裝置采集的點云數(shù)據(jù)并進行分析、濾波處理，將有效的建模數(shù)據(jù)信息發(fā)送至配礦流量控制服務器。配礦流量控制服務器，主要用于接收流量檢測數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的建模數(shù)據(jù)信息以及接收上層管理系統(tǒng)下發(fā)的配礦指令，結合與控制中心數(shù)據(jù)處理服務器交互所得到的數(shù)據(jù)信息，通過配礦流量控制服務器搭載的分析處理軟件，得到完成目標配礦結果所需的作業(yè)流程控制指令，并將指令通過控制中心數(shù)據(jù)處理服務器與控制中心PLC 控制系統(tǒng)發(fā)送至堆取料機PLC 控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)自動配礦流程。

圖5 激光流量檢測裝置的運作示意圖

3.2 全自動智能配礦系統(tǒng)進行全自動配礦作業(yè)流程（圖6）

圖6 全自動配礦作業(yè)流程示意圖

步驟1：遠程控制室1 中，上層管理系統(tǒng)對配礦流量控制服務器下發(fā)目標配礦調(diào)度流程，堆取料機A 取A 礦，堆取料機B 取B 礦，堆取料機C 堆配礦目標C礦，其中A 礦與B 礦的混合比例為γ：β。

步驟2：配礦流量控制服務器根據(jù)配礦比，通過搭載軟件計算得到數(shù)值對應的堆取料機啟動初始參數(shù)，根據(jù)參數(shù)將作業(yè)流程控制指令發(fā)送至控制中心數(shù)據(jù)處理服務器。

步驟3：控制中心數(shù)據(jù)處理服務器根據(jù)從堆取料機A 2 上堆取料機數(shù)據(jù)采集設備A 與堆取料機B 3 上堆取料機數(shù)據(jù)采集設備B 獲取的堆取料機信息數(shù)據(jù)，對作業(yè)流程控制指令進行校驗，校驗無誤后，將指令發(fā)送至控制中心PLC 控制系統(tǒng)。

步驟4：控制中心PLC 控制系統(tǒng)通過通訊模塊，將指令分別發(fā)送至堆取料機A 2 上的堆取料機PLC 控制系統(tǒng)A 與堆取料機B 3 上的堆取料機PLC 控制系統(tǒng)B。

步驟5：堆取料機PLC 控制系統(tǒng)A 與堆取料機PLC 控制系統(tǒng)B 分別控制堆取料機A 2 與堆取料機B 3 進行設定取料作業(yè)。

步驟6：取料過程中，激光流量掃描裝置A 與激光流量掃描裝置B 掃描得到堆取料機A 2 與堆取料機B 3 的礦流點云數(shù)據(jù)。

步驟7：激光流量掃描裝置A 與激光流量掃描裝置B 將兩組點云數(shù)據(jù)分別發(fā)送至流量檢測數(shù)據(jù)采集器A 與流量檢測數(shù)據(jù)采集器B，對點云數(shù)據(jù)分析得到礦流的瞬時速度與瞬時截面積，數(shù)據(jù)融合得到三維點云數(shù)據(jù)，并將三維點云數(shù)據(jù)發(fā)送至配礦流量控制服務器。

步驟8：配礦流量控制服務器根據(jù)三維點云數(shù)據(jù)進行建模，進一步計算得到A 礦與B 礦混合后的模型數(shù)據(jù)，與目標配礦結果進行比對，為修正與目標配礦結果存在的誤差，軟件計算得到新的作業(yè)流程控制指令，增加或減少堆取料機A 2 與堆取料機B 3 的實時取料量，并重復上述步驟。

步驟9：模型數(shù)據(jù)總配礦量達到目標值后，配礦流量控制服務器向控制中心數(shù)據(jù)處理服務器發(fā)送作業(yè)流程停止指令。

步驟10：控制中心數(shù)據(jù)處理服務器根據(jù)從堆取料機A 2 上堆取料機數(shù)據(jù)采集設備A 與堆取料機B 3上堆取料機數(shù)據(jù)采集設備B 獲取的堆取料機信息數(shù)據(jù)，對作業(yè)流程停止指令進行校驗，校驗無誤后，將指令發(fā)送至控制中心PLC 控制系統(tǒng)。

步驟11：控制中心PLC 控制系統(tǒng)通過通訊模塊，將指令分別發(fā)送至堆取料機A 2 上的堆取料機PLC控制系統(tǒng)A 與堆取料機B 3 上的堆取料機PLC 控制系統(tǒng)B。

步驟12：堆取料機PLC 控制系統(tǒng)A 與堆取料機PLC 控制系統(tǒng)B 分別控制堆取料機A 2 與堆取料機B 3 停止取料作業(yè)。

步驟13：堆取料機4 完成目標C 礦堆料并停止堆礦作業(yè)。

4 結束語

本發(fā)明提供的全自動礦場配礦系統(tǒng)，通過全自動配礦作業(yè)方式，實現(xiàn)了堆取料機的自動配礦，提高配礦的精度與勻度，減少人工作業(yè)量，改善了堆取料機操作人員的工作環(huán)境，同時降低了人力成本，提高了生產(chǎn)效率；應用本發(fā)明方案，有助于規(guī)范堆取料機作業(yè)流程和操作，延長取料機的使用壽命；本發(fā)明中激光流量檢測裝置采用三維激光掃描儀作為核心，具有精準度高、響應速度快，實時性好的優(yōu)點，保障了自動配礦的可靠性與穩(wěn)定性。

基于本發(fā)明的全自動礦場配礦系統(tǒng)可以提高礦場配礦的作業(yè)效率，在堆取料機系統(tǒng)中可以進行廣泛推廣。