淺談智慧選礦中自動化控制發(fā)揮的作用*

姚振松 劉風(fēng)亮 姚振民 劉世昌 趙文普 張永信

(1濰坊市政務(wù)服務(wù)中心 山東濰坊 261000)

(2山東華特磁電科技股份有限公司 山東濰坊 262600)

當(dāng)前,我國國民經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、新舊動能轉(zhuǎn)換的攻關(guān)期;全球經(jīng)濟正在經(jīng)歷數(shù)字化浪潮的洗禮,以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的礦產(chǎn)資源重構(gòu)愈演愈烈,礦產(chǎn)資源的商業(yè)模式或?qū)l(fā)生顛覆式改變。在選礦工廠中,自動化控制技術(shù)的深入應(yīng)用,使得對礦物的加工變得更加高效,將直接提高我國選礦工廠的自動化技術(shù)水平,同時有效提高工廠生產(chǎn)效率和改善工人勞動環(huán)境,控制系統(tǒng)也能避免人為因素帶來不安全事件的發(fā)生,解決長期以來選礦工廠被安全問題困擾的難題,為工廠帶來經(jīng)濟效益和社會效益的同時,也對我國選礦工程的發(fā)展有著十分積極的促進作用。

1 選礦工廠的現(xiàn)狀

1.1 選礦機械系統(tǒng)的特點

選礦工廠建設(shè)是復(fù)雜而系統(tǒng)的工程,選礦工藝通常包括物料輸送系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、磨礦系統(tǒng)、分級系統(tǒng)和磁選系統(tǒng)等階段,實現(xiàn)對礦石進行加工、分選、提精或除雜。在選礦工廠的建設(shè)中,選礦工藝的設(shè)計是衡量選礦工廠水平的關(guān)鍵,選礦工藝往往伴隨而來的是不同功能的選礦機械的有序配合。

隨著選礦技術(shù)的不斷發(fā)展,隨著選礦機械迅速更新,但是選礦工程中選礦機械復(fù)雜程度參差不齊,控制系統(tǒng)自動化水平高低不同。其中,部分設(shè)備具有機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝參數(shù)調(diào)整靈活、控制系統(tǒng)自動化程度高等特點,比如:雙傳動輥壓機、高梯度電磁漿料磁選機、球磨機等;也有控制系統(tǒng)非常傳統(tǒng)的設(shè)備,控制系統(tǒng)僅需要控制設(shè)備的啟停或者進行簡單的變頻調(diào)速功能等,比如:振動直線篩、圓筒振動篩、渣漿泵等。選礦工廠中礦山設(shè)備的數(shù)量依據(jù)生產(chǎn)規(guī)模不同有上百臺至上千臺不等,根據(jù)不同的功能,依據(jù)工藝流程被合理的安排在工廠的不同位置,分布范圍廣;有的選礦工廠生產(chǎn)線的數(shù)量不止一條,這對礦山機械設(shè)備的使用和管理提出了更高的要求。

1.2 選礦工廠控制系統(tǒng)的特點

我國的選礦工程一直處于高速發(fā)展階段,尤其是選礦機械的發(fā)展一直處于國際領(lǐng)先水平。但是,目前我國選礦工廠的自動化水平長期落后于選礦機械的發(fā)展水平。受選礦工廠的建設(shè)規(guī)模、成本等因素的考慮,建設(shè)初期往往忽略對選礦工廠自動化水平的要求,導(dǎo)致選礦工廠控制系統(tǒng)大多停滯在傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場控制階段,由此而來的選礦效果受工人經(jīng)驗因素影響較大,生產(chǎn)現(xiàn)場安全措施不全面、生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定運行率低、潛在風(fēng)險因素高、數(shù)據(jù)數(shù)字化分析等問題日益凸顯。

近年來,選礦廠面臨的“熟練工嚴(yán)重不足”、“人件費用日益增長”、“疫情環(huán)境下的不穩(wěn)定性增加”等問題,改善工人工作環(huán)境、提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)的課題急需解決。隨著自動化控制在化工、醫(yī)藥、煤礦和港口等行業(yè)的應(yīng)用,結(jié)合選礦機械的自身特點和選礦工廠控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀,將自動化控制引入選礦工廠,實現(xiàn)選礦工廠從“自動化”到“數(shù)字化”再到“智能化”的建設(shè)進程,面對目前選礦工廠急需解決的諸多問題,將自動化控制應(yīng)用于選礦工程顯得尤為重要,這將為“智慧選礦”提供平臺基礎(chǔ)。

2 智慧選礦

選礦工廠的自動化控制系統(tǒng)是建設(shè)智慧選礦廠的基礎(chǔ),自動化控制實現(xiàn)工廠設(shè)備自動控制、過程控制、工藝控制、智能控制等環(huán)節(jié)。目前大部分采用DCS或PLC+上位機系統(tǒng)構(gòu)建,系統(tǒng)基于現(xiàn)場安裝的各種傳感設(shè)備、在線檢測技術(shù)、振動監(jiān)測平臺、電機檢測裝置,將現(xiàn)場的實時運行狀態(tài)和運行參數(shù)實時傳送到控制器,控制器依據(jù)內(nèi)置的專家控制系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài),通過執(zhí)行器調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài),實現(xiàn)對全工藝流程的智能控制。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行采集、存儲和歷史記錄查閱,以便對生產(chǎn)過程的全生命周期管理;專家控制系統(tǒng)將生產(chǎn)經(jīng)驗值通過模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法植入自動控制系統(tǒng)中,依據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)的最佳值迅速地對控制對象,進行自動控制和自動調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)智能控制。

建設(shè)選礦工藝技術(shù)和運營管理的相互結(jié)合,建成對設(shè)備運行狀態(tài)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)管理等“AI智能操控系統(tǒng)”,并輔助有“5G+人機交互智能巡檢系統(tǒng)”、“5G+智能數(shù)字群呼系統(tǒng)”,選礦數(shù)字化、智能化有效提高了生產(chǎn)作業(yè)效率及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),提升了安全生產(chǎn)保障能力、生產(chǎn)管理效率和生產(chǎn)經(jīng)營決策能力。

有關(guān)未來選礦工廠的建設(shè)與實現(xiàn)方式不斷地日新月異。智慧選礦、智能控制、5G 物聯(lián)網(wǎng)+等新型技術(shù)概念的出現(xiàn)正引領(lǐng)傳統(tǒng)礦業(yè)加工行業(yè)加速向綠色、安全、智能、高效方向發(fā)展。

3 自動化控制的應(yīng)用

筆者簡要介紹了福建南平某礦業(yè)公司石英砂選礦工廠的控制系統(tǒng)自動化控制設(shè)計方案,分別包含控制網(wǎng)絡(luò)(見圖1)和視頻網(wǎng)絡(luò)(見圖2)。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)

圖2 視頻網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)核心采用北京力控公司開發(fā)的FC7.2上位機軟件和西門子S7-1200 可編程邏輯控制器(PLC)構(gòu)成的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過上位機軟件實現(xiàn)良好的人機交互操作、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)存儲,通過PLC實時對生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息進行采集和監(jiān)控和控制,PLC可實現(xiàn)自動控制運行、數(shù)據(jù)采集、報警處理、故障聯(lián)動等,并增加智能控制環(huán)節(jié);現(xiàn)場設(shè)有多站點的分布式IO 設(shè)備站用于補充可編程邏輯控制器的IO 功能;執(zhí)行層包含變頻器、電動執(zhí)行器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、智能變配電裝置等控制和采集設(shè)備,同時工廠內(nèi)建有多個電動機控制中心(MCC);選礦工廠控制網(wǎng)絡(luò)建有光纖介質(zhì)的冗余高速通信通道,實現(xiàn)PLC與分布式IO 設(shè)備以及IO 設(shè)備與現(xiàn)場執(zhí)行層穩(wěn)定可靠的控制、監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸;在高風(fēng)險區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)場增加紅外檢測、安全光柵設(shè)備,防范人身傷害事故的發(fā)生。

視頻網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),在原有安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加重點工序和重點設(shè)備的專有監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行,數(shù)據(jù)存儲可靠,視頻數(shù)據(jù)定期歸檔。某些生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,不適合人員長期駐守,可以采用遠程監(jiān)控生產(chǎn)過程,在控制室內(nèi)通過大屏調(diào)閱實時運行畫面,結(jié)合自動控制系統(tǒng),起到輔助生產(chǎn)的作用,實現(xiàn)生產(chǎn)線的無人值守;某些設(shè)備因安裝位置不易接近,人工巡視危險性較大,可使用攝像機進行遠程監(jiān)督;技術(shù)人員在控制室內(nèi)隨時了解各主要出產(chǎn)環(huán)節(jié)的實時出產(chǎn)狀況,處理突發(fā)事件,與現(xiàn)場進行雙向語音交流;同時,存儲的視頻資料也將為解決工藝和設(shè)備故障問題提供有力的視頻材料。視頻網(wǎng)絡(luò)可以完美地整體嵌入到自動化控制系統(tǒng)中來,并通過上位機的界面模擬圖,使用戶可以隨時根據(jù)自己需求來調(diào)出需要重點關(guān)注現(xiàn)場視頻情況。

4 自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

4.1 提高安全性和可靠性

將現(xiàn)場安全設(shè)備的“硬連鎖”與控制系統(tǒng)的“軟連鎖”相結(jié)合,一方面杜絕了不安全影響的發(fā)生,提高檢修、巡檢過程中的安全系數(shù);另一方面也有效防止人員操作失誤帶來的錯誤動作。針對生產(chǎn)連續(xù)性高的特點,自動化控制具備完善的保護、報警和異常處理功能,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)報警或故障問題時,自動化控制系統(tǒng)會有不同級別的警報發(fā)出,自動或提示技術(shù)人員手動完成故障的排除,當(dāng)不可避免停機時,自動化控制系統(tǒng)會將生產(chǎn)影響程度減小到最優(yōu),避免了以往的不良“連鎖反應(yīng)”,保證了中間環(huán)節(jié)故障停機時生產(chǎn)保持一定程度的連續(xù)性,顯著提高了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的故障分析和判斷能力,減少停機事件的發(fā)生,有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和選礦機械的使用壽命。

4.2 供電系統(tǒng)自動化

電力作為工廠的重要能源,供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性極大的影響了選礦生產(chǎn)的連續(xù)性,所以說供電系統(tǒng)自動化是選礦工廠自動化系統(tǒng)中十分重要的組成部分。供電系統(tǒng)自動化可以完善電能信息的采集、存儲、管理和利用;確保系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和運行維護的可視化,做到系統(tǒng)安全、可靠、可擴展、可維護和易操作;實現(xiàn)對電能系統(tǒng)的分散控制和集中管理;減少能源系統(tǒng)運行成本,提高勞動生產(chǎn)率;供電系統(tǒng)自動化建成后,調(diào)度人員對供電系統(tǒng)的異常和事故的反應(yīng)處理速度能夠得到顯著提高。供配電調(diào)度人員可以通過系統(tǒng)迅速從全局的角度了解系統(tǒng)的運行狀況、故障的影響程度等,及時采取系統(tǒng)的措施,限制故障范圍的進一步擴大,并有效恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。

4.3 生產(chǎn)過程數(shù)字化

建立綜合數(shù)據(jù)庫,基于實時數(shù)據(jù)采集平臺,將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)生產(chǎn)實時監(jiān)測監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、訂閱與推送等全系列綜合服務(wù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計,自動生成各種樣式報表、圖表,實現(xiàn)選礦工廠產(chǎn)能分析、能耗動態(tài)分析、故障分析、安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等,并做出安全生產(chǎn)、決策優(yōu)化等建議措施;決策人員可以將生產(chǎn)信息同選礦工廠的運營管理相結(jié)合,實現(xiàn)精準(zhǔn)決策;生產(chǎn)過程數(shù)字化為數(shù)據(jù)融合聯(lián)動與大數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ),可進一步推進選礦工廠的企業(yè)資源計劃(ERP)和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)協(xié)同,建成數(shù)字化選礦工廠。

4.4 智能控制

通過實時監(jiān)控生產(chǎn)過程要素,利用控制系統(tǒng)內(nèi)部的反射控制,可實現(xiàn)對工藝流程的最優(yōu)控制。比如:磨礦自動化控制系統(tǒng)(見圖3),球磨機控制是該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,控制系統(tǒng)依據(jù)球磨機的排礦水與溢流濃度、球磨給礦量與返砂水、球磨填充率與磨礦濃度之間存在離散不限線性關(guān)系進行數(shù)據(jù)建模。該系統(tǒng)會針對性地控制磨礦濃度,以求高的投入產(chǎn)出比;磁選自動化控制系統(tǒng),通過日常數(shù)據(jù)庫自學(xué)習(xí)方式建立智能磁選參數(shù)模型,對磁選工藝參數(shù)進行精準(zhǔn)控制;同時,根據(jù)實時生產(chǎn)要素對生產(chǎn)現(xiàn)場電動執(zhí)行器開度、渣漿泵變頻器運行頻率、輸送皮帶運行速度等環(huán)節(jié)進行自動調(diào)節(jié),適合當(dāng)前系統(tǒng)運行工況;自動化控制系統(tǒng)按照工藝要素建立多個多參量控制子系統(tǒng),不同的控制系統(tǒng)采用多變量串級控制或自適應(yīng)模糊控制,實現(xiàn)“精確判斷,精準(zhǔn)執(zhí)行”,保障系統(tǒng)的智能運行。

圖3 磨礦自動化控制系統(tǒng)

4.5 人機交互

通過上位機軟件組態(tài)控制監(jiān)控平臺,向技術(shù)人員提供形象便捷的界面,如供水通風(fēng)控制系統(tǒng)(見圖4);控制室內(nèi)即可實現(xiàn)選礦機械的控制、運行參數(shù)的監(jiān)控和工藝參數(shù)的修改;在生產(chǎn)過程中,可根據(jù)不同的礦石性質(zhì),選擇不同的生產(chǎn)工藝參數(shù)組別,實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)的批量輸入和導(dǎo)出;WEB 發(fā)布具有實時性,只需要服務(wù)器連接外網(wǎng),通過遠程客戶端可以直接查詢監(jiān)控系統(tǒng)畫面,同時遠程客戶端與控制室畫面完全相同,只需配置相關(guān)登錄授權(quán)后,即可開通遠程操作功能,實現(xiàn)遠程操作。

圖4 供水通風(fēng)控制系統(tǒng)

5 結(jié)語

自動化控制系統(tǒng)提供一個高速、安全、可靠的監(jiān)控管理平臺,提高選礦工廠的自動化集成水平,發(fā)揮自動化控制系統(tǒng)的綜合管理效益,努力建成本質(zhì)安全型數(shù)字化選礦工廠;自動化控制技術(shù)的運用將會迎來越來越多的機遇,為選礦工廠的數(shù)字化、智能化賦能,隨著自動化控制技術(shù)在選礦工廠的廣泛應(yīng)用,將推動選礦工廠的高速、高質(zhì)量發(fā)展。