基于礦石流的選礦生產過程跟蹤與監(jiān)控方法研究

侯衛(wèi)鋼，張曉淼

（鞍鋼集團礦業(yè)設計研究院有限公司,遼寧 鞍山 114004）

在礦山企業(yè)連續(xù)生產過程中，經過圓筒倉、U型倉等儲料倉后，各批次的物料混在一起?；谄髽I(yè)自身管理需求,為了進行質量配礦，提供選礦工藝流程易選礦石，需對各批次的物料從投料到產出進行批次追蹤［1］。選礦生產過程是以礦石作為原料，經過破碎、磨磁、浮選、壓濾和精尾等工序，生產出精礦。礦石投料經過破碎后一般需要進入圓筒倉或U型倉緩存，然后通過給礦皮帶傳輸給球磨機。在礦山企業(yè)，一般是以班次為單位進行投料和化驗，即每班次的原礦石有化驗過的原礦品位指標。由于圓筒倉或U型倉存儲的是多個班次的投料礦石，不同班次的原礦石在倉內緩存，生產調度需要掌握各個倉內的原礦分布（包括班次、品位），只能憑借經驗預估出班次礦石分布。原礦品位是影響后續(xù)精礦生產的關鍵指標，掌握各倉內的礦石分布，精準配礦輸送給后續(xù)工序，是選礦生產的迫切需求［2-3］。為此，對基于礦石流的選礦生產過程跟蹤與監(jiān)控方法進行了研究，本文對此做一介紹。

1 方法總述

由于原生產管理系統(tǒng)沒有對礦石流進行跟蹤的方法，因此以鐵礦石選礦生產為例，提出了一種面向連續(xù)生產的物料流跟蹤方法并通過系統(tǒng)進行實現?？傮w流程包括：

（1）根據選礦生產流程建立排班計劃信息；

（2）通過實時數據庫對選礦生產流程狀態(tài)進行數據采集，并配置每班次的配礦信息；

（3）計算圓筒倉的物料分布；

（4）計算U型倉的物料分布；

（5）對圓筒倉的物料分布和U型倉物料分布進行可視化。

2 方法研究

2.1 生產過程跟蹤

2.1.1 建立排班計劃信息

排班計劃信息為根據時間設置的班次序列，根據時間的先后順序，設置時間最先的班次為底層、時間最末的班次為頂層。排班計劃是工廠各班次每天的工作時間，系統(tǒng)存儲業(yè)務日期、班次、開始工作時間、結束工作時間。如2021年12月24日、白班、8:00、16:00；2021 年 12 月 24 日、晚班、16:00、8:00。排班計劃可為其他模塊提供當前班次信息。

2.1.2 實時數據采集

實時采集選礦生產流程狀態(tài)數據的方式有以下兩種：

（1）通過實時數據庫對控制系統(tǒng)數據進行采集

實時數據庫通過OPC協(xié)議采集PLC、控制系統(tǒng)數據，然后數據采集模塊再從實時數據庫將數據采集并保存到關系數據庫。為計算圓筒倉物料分布，通過OPC協(xié)議采集的數據包括圓筒倉內四個點位的料位高度、給礦皮帶的瞬時流量、累計流量。為計算U型倉物料分布，通過OPC協(xié)議采集的數據包括布料皮帶的瞬時流量、累計流量、料倉號、各個U型倉內的料位高度、給料器開啟狀態(tài)、給料器報警狀態(tài)、集礦皮帶頻率、集礦皮帶電流、給礦皮帶的瞬時流量、給礦皮帶的累計流量。實時數據庫每1 s采集一次控制系統(tǒng)數據，如果采集失敗，數據采集模塊以上一次的采集結果作為本次的采集結果。

（2）通過生產管理系統(tǒng)錄入數據

通過生產管理系統(tǒng)錄入每個班次的配礦信息，系統(tǒng)存儲班次、采出量、車數、地質品位、亞鐵品位、采出品位、碳酸鐵品位、比例、產率、管精（磁選管精礦品位）、磨礦時間、班組、計劃時間、創(chuàng)建人、備注等信息。

2.2 監(jiān)控方法

2.2.1 計算圓筒倉物料分布

一般情況下，圓筒倉底部為多開孔下料，上部安裝多臺雷達料位計，分別分布在不同位置?？赏ㄟ^雷達料位計平均值估算圓筒倉料位。在實際生產過程中，通常會開啟對稱位置的2個下料口以保證下料均勻，且由于圓筒倉一般體積較小，中破機產能較大，圓筒倉內的礦石消耗較快。按照班組進行礦石跟蹤，一般只能儲存1～2個班的礦石。因此，可通過從底至上的順序計算礦石消耗量，出現的計算誤差在可接受范圍內。

圓筒倉的物料分布計算包括以下流程：

（1）查詢系統(tǒng)存儲的最新每一層班次礦石量信息，包括順序號、班次、業(yè)務日期、礦石量，即上一時刻的圓筒倉礦石分布。

（2）根據當前時刻與上一時刻采集的給礦皮帶累計流量，得到當前時刻的礦石輸出量，即每次圓筒倉底部給予給礦皮帶的礦量，礦石輸出量=采集的給礦皮帶累計流量-上一次采集的給礦皮帶累計流量。

（3）從底層班次至頂層班次，將礦石輸出量依次從每層減掉，得到更新后的每層礦石量。在圓筒倉底部的礦石會先被用掉，如果某一層的礦石量為0，則表示此層礦石量已用盡，系統(tǒng)不再進行存儲。從底層至頂層，如果本層礦石量大于礦石輸出量，表明本層礦石量足夠礦石輸出，則用本層礦石量減去礦石輸出量作為本層新的礦石量，即新的本層礦石量=本層礦石量-礦石輸出量。如果本層礦石量小于礦石輸出量，則本層礦石量全部輸入，剩余為0，礦石輸出量減去本層礦石量作為新的礦石輸出量，新的礦石輸出量繼續(xù)和上一層的礦石量比較，直到新的礦石輸出量在某一層被減掉。圓筒倉倉位計算流程示例如圖1所示。

圖1 圓筒倉倉位計算流程示例圖Fig.1 Example Diagram for Calculation Flow Procedures for Cylinder Bin Space

以圖1為例，上一時刻的圓筒倉礦石分布從底層至頂層分別為，白班20211223的礦量200 t，晚班20211223的礦量900 t，白班20211224的礦量500 t，本次礦石輸出量為1 000 t。若先從底層開始處理，白班20211223上次剩余的200 t，則白班20211223本次剩余為0，還有1 000-200=800 t未分配。再向上處理，晚班20211223上次剩余的礦量900 t，則本次剩余900-800=100 t。處理完畢后，原來的底層白班20211223的礦量已用完，晚班20211223的礦量剩余100 t，白班20211224的礦量未變化仍是500 t。

（4）計算采集的料位高度的平均值，用最新料位修正最頂層礦石量。在礦石生產過程中，會有投料礦石跌落、礦石間隙壓實等實際情況，因此計算后，仍要以采集的料位高度作為最新的圓筒倉總礦量，即圓筒倉總礦量=采集料位高度的平均值×圓筒倉截面積×比重。從底層至頂層，圓筒倉總礦量減去每層礦量，當計算到最頂層時，用剩余礦量作為最頂層礦量。

（5）根據排班計劃信息，判斷當前時間所屬班次。如果發(fā)生換班即當前時間的班次不等于最頂層礦石的班次，則生成一條新班次的數據，以第三步中結果作為晚班班次新數據。

以圖1為例，如果發(fā)生換班，當前班次為晚班20211224。根據計算結果，如果采集料位高度的平均值轉換的U型倉總礦量為700 t，底層晚班20211223礦量剩余100 t，頂層白班20211224剩余 500t，則 700-100-500=100 t數據作為晚班20211224的礦石量，系統(tǒng)存儲晚班20211224的礦量100 t作為新數據。

（6）系統(tǒng)存儲每一層的班次、業(yè)務日期、礦石量、順序號作為本次的計算結果。

2.2.2 計算U型倉物料分布

U型倉的物料分布計算包括以下流程：

（1）根據當前時刻與上一時刻采集的給礦皮帶累計流量，得到當前給礦皮帶礦石輸出量，即給礦皮帶礦石輸出量=采集給礦皮帶累計流量-上一次采集給礦皮帶累計流量，進而得到集礦皮帶礦石輸出量、U型倉皮帶礦石輸出量。

①向上反推集礦皮帶礦石輸出量。因為多條集礦皮帶給一條給礦皮帶供礦，在自動化應用層集礦皮帶速度與給礦皮帶瞬時流量 （t/h）聯動控制，當給礦皮帶瞬時流量升高時，集礦皮帶速度提高，反之亦然。由于皮帶頻率與皮帶速度成正比，因此可以認為給礦皮帶瞬時流量與集礦皮帶頻率成正比，通過不同集礦皮帶之間的頻率比例，計算每條集礦皮帶的礦石輸出量。例如，給礦皮帶礦石輸出量 1 000 t，1#集礦皮帶頻率為 10 Hz，2#集礦皮帶頻率為15 Hz，則按2:3的比例，1#集礦皮帶礦石輸出量為400 t，2#集礦皮帶礦石輸出量為600 t。

②向上反推U型倉皮帶礦石輸出量。因為多個U型倉可以給一條集礦皮帶供礦，但多個U型倉只能同時開啟一個，因此按照采集U型倉給料器開關狀態(tài)判斷是哪一個U型倉的輸出礦量。例如，1#集礦皮帶礦石輸出量為400 t，如果1#U型倉的給料器開關狀態(tài)為開啟，那么1#U型倉的礦石輸出量為400 t。

（2）按照從底層至頂層，將礦石輸出量依次從每層減掉，得到更新后的每層礦石量。在U型倉底部的礦石會先被用掉，如果某一層的礦石量為0，那么表示此層礦石量已用盡，系統(tǒng)不再進行存儲。從底層至頂層遍歷每一個班次，如果本層礦石量大于礦石輸出量，表明本層礦石量足夠礦石輸出，則用本層礦石量減去礦石輸出量作為本層新的礦石量，即新的本層礦石量=本層礦石量-礦石輸出量；如果本層礦石量小于礦石輸出量，表明本層礦石量不足夠礦石輸入，那么本層礦石量全部輸入，剩余為0，礦石輸出量減去本層礦石量作為新的礦石輸出量，新的礦石輸出量繼續(xù)和上一層的礦石量比較，直到新的礦石輸出量在某一層被減掉。U型倉倉位計算流程示例如圖2所示。

圖2 U型倉倉位計算流程示例圖Fig.2 Example Diagram for Calculation Flow Procedures for U-shaped Warehouse Space

以圖2為例，左側U型倉礦石分布從底層至頂層分別為，白班20211223的礦量 200 t，晚班20211223的礦量900 t，白班 20211224的礦量500 t。如果礦石輸出量為1 000 t，那么先從底層白班20211223開始處理，處理完畢后，原來的底層白班20211223的礦量已耗盡，晚班20211223的礦量剩余100 t，白班20211224的礦量未變化仍是 500 t。

（3）計算采集的料位高度的平均值，用最新料位修正最頂層礦石量。在礦石生產過程中，會有投料礦石跌落、礦石間隙壓實等實際情況，因此第二步計算后，仍要以采集的料位高度作為最新的U型倉總礦量。U型倉總礦量=采集料位高度的平均值×U型倉截面積×比重。從底層至頂層，U型倉總礦量減去每層礦量，當計算到最頂層時，用剩余礦量作為最頂層礦量。

以圖2為例，根據第二步的計算結果，左邊的U型倉礦石分布從底層至頂層分別為白班20211223礦量剩余100 t，白班20211224的礦量未變化仍是500 t。采集料位高度的平均值轉換的U型倉總礦量為590 t，底層晚班20211223礦量剩余 100 t，則 590-100=490 t為最頂層白班20211224的礦量。

（4）因為圓筒倉的礦石流到U型倉需要30 min時間，則將計算后最頂層的數據班次與當前時間30 min以前的圓筒倉最底層班次進行比較，如果不相等，說明發(fā)生了換班，則用當前時間30 min以前的圓筒倉最底層班次作為U型倉最頂層的班次。

以圖2為例，經過第三步計算，U型倉最頂層為白班20211224，再用當前時間減去30 min，查詢圓筒倉最底層數據為晚班20211225，說明發(fā)生了換班，用晚班20211225更新白班20211224作為U型倉最頂層數據。

（5）系統(tǒng)存儲每一層的班次、業(yè)務日期、礦石量、順序號作為本次的計算結果。

2.3 分布可視化

通過JAVA語言開發(fā)系統(tǒng)服務端，使用ECHARTS作為前端HTML5組件，圖形化顯示倉位不同層的礦石班次、業(yè)務日期、礦石量。U型倉礦石流跟蹤如圖3所示。

圖3 U型倉礦石流跟蹤Fig.3 Ore Flow Tracking for U-shaped Warehouse

使用E-CHARTS中的柱狀圖作為圖形化倉位的控件，橫坐標為不同倉的倉號，縱坐標為不同層的礦量，給E-CHARTS中的柱狀圖賦值后，柱狀圖顯示的不同顏色階段即代表不同層的礦量。可在系統(tǒng)中進行靈活配置礦倉數量、集礦皮帶和給礦皮帶數量和關系以及不同礦倉與給料器的對應關系。系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)緊密集成，可實時顯示每個料倉料位、集礦皮帶頻率、電流、給礦皮帶瞬時流量、累計流量以及31個給料器的開關狀態(tài)，并且針對礦倉堵料、斷料、異常等情況進行報警和自動消除報警。另外，可根據不同系列的料倉料位和礦石消耗量估算預計礦石耗盡時間并給出提醒，為生產調度人員提供決策支持。

3 結語

基于礦石流的選礦生產過程跟蹤與監(jiān)控方法，實現了在礦石連續(xù)投料情況下實時計算礦石分布并可視化展示，以入選礦石性質為依據，從鐵礦石原料進入選礦流程開始，對生產工藝流程中“圓筒倉-破碎機-U型倉（或粉礦倉）-球磨機”等關鍵儲料倉和設備運轉信息進行采集，把礦石的品位、碳酸鐵含量、運輸量、破礦量、料倉儲量等數據以可視化的方式進行展示，有效支撐選礦生產環(huán)節(jié)對鐵礦石原料綜合信息的掌控，提高生產實時跟蹤透明度。輔助生產管理人員進行配礦決策，為穩(wěn)質、提效創(chuàng)造了有效抓手，創(chuàng)新選礦生產智慧化新模式。