礦山電氣自動化控制中智能化技術(shù)的應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】礦山；電氣；自動化；智能化技術(shù)

引言

礦山作為重要的原料供應(yīng)場所，其生產(chǎn)效率和安全性直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的命脈。然而，傳統(tǒng)礦山電氣控制系統(tǒng)普遍存在著反應(yīng)遲緩、適應(yīng)性差和監(jiān)控范圍有限等問題，難以滿足現(xiàn)代礦業(yè)對高效率和高安全標(biāo)準(zhǔn)的需求。近年來，智能化技術(shù)的興起為解決上述問題提供了新的思路。通過集成先進(jìn)的傳感器、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)控制算法以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以極大地提高礦山自動化控制系統(tǒng)的智能水平，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和生產(chǎn)過程的高效管理。

一、礦山電氣自動化控制中智能化控制基礎(chǔ)要素

（一）數(shù)據(jù)要素

數(shù)據(jù)是智能化控制系統(tǒng)的基石，其不僅包含了礦山生產(chǎn)過程中的各類參數(shù)，還包含設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)測、工人操作行為等多維度信息。智能化控制系統(tǒng)通過實(shí)時數(shù)據(jù)采集與分析，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精確控制和優(yōu)化。首先，系統(tǒng)需要具備高速且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集能力，這依賴于安裝在生產(chǎn)線上的各類傳感器和檢測設(shè)備。以上設(shè)備能夠捕捉到如溫度、壓力、濕度、振動等關(guān)鍵指標(biāo)，并將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供系統(tǒng)處理。其次，數(shù)據(jù)存儲與管理也是智能化系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)[1]。采用高效可靠的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以保證大量數(shù)據(jù)的有序存儲、快速檢索和安全備份。數(shù)據(jù)不僅要在本地進(jìn)行處理和分析，有時還需要傳輸至云端或企業(yè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行深度分析和長期存儲。此外，數(shù)據(jù)處理和分析算法是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的核心，包括統(tǒng)計(jì)分析、趨勢預(yù)測、模式識別等，這些算法能夠幫助決策者識別潛在的生產(chǎn)問題、發(fā)現(xiàn)優(yōu)化機(jī)會，并支持自動化決策制定[2]。

（二）網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信是連接數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、控制器、執(zhí)行器以及人機(jī)界面的紐帶，在礦山電氣自動化控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。一個“健壯”的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)需要滿足高可靠性、實(shí)時性和靈活性的要求。首先，礦山環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信必須能夠在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，如防塵、抗震、適應(yīng)大溫差等，這要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須具備較高的工業(yè)等級標(biāo)準(zhǔn)。

其次，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇也至關(guān)重要，它決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴３Ｓ玫墓I(yè)通訊協(xié)議包括Modbus、Profibus、Ethernet/IP等，這些協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)在各個設(shè)備間的準(zhǔn)確傳遞。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等無線通信技術(shù)也開始被廣泛應(yīng)用于礦山自動化系統(tǒng)中，其提供了更大的靈活性和可靠性。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于難以布線的區(qū)域，提高安裝的靈活性和減少維護(hù)成本。

二、礦山電氣自動化控制中智能化技術(shù)應(yīng)用

（一）礦山概況

某礦山位于山脈腹地的某大型選礦廠，經(jīng)過近年來的不斷技術(shù)升級和擴(kuò)建，其礦石處理能力顯著增強(qiáng)，由原本的6，000噸/日增加至目前的15，500噸/日，實(shí)現(xiàn)了對礦物資源的高效開發(fā)與利用。該選礦廠中最引人注目的是新技改車間，不僅因其成為目前廠區(qū)內(nèi)處理能力最大的單元，而且其4，500噸/日的系統(tǒng)運(yùn)行時間最長，顯示出卓越的穩(wěn)定性與成熟性。此系統(tǒng)整合了現(xiàn)代化的自動控制技術(shù)、精細(xì)化的工藝流程以及高效的物料搬運(yùn)機(jī)制，確保了礦石加工過程中的每一環(huán)節(jié)都得到精確控制和優(yōu)化，從而在提高產(chǎn)量的同時降低了能耗和運(yùn)營成本。車間內(nèi)部采用了先進(jìn)的破碎設(shè)備、篩分機(jī)械以及分選技術(shù)，使得礦石的處理更為高效，且最終產(chǎn)品的品位得到了顯著提升[3]。環(huán)保方面，該車間也采取了多項(xiàng)措施以減少生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響，體現(xiàn)了綠色礦業(yè)的理念。煤礦智能化采掘工作面如下圖1所示。

（二）電氣自動化控制中智能化技術(shù)改造

1. DCS系統(tǒng)技術(shù)改造與自動化

在現(xiàn)代碎礦生產(chǎn)過程中，對效率和安全性的要求日益增高，這就需要利用先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)來提升生產(chǎn)管理水平。本次技術(shù)改造的核心是實(shí)施基于DCS（分布式控制系統(tǒng)）的碎礦自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成自動控制裝置和高精度傳感器，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備及工藝參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和精確控制。關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)如溫度、壓力、流量和速度被持續(xù)跟蹤，任何偏離預(yù)設(shè)范圍的值都會觸發(fā)控制系統(tǒng)的調(diào)整響應(yīng)，從而確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

DCS系統(tǒng)的自動化水平體現(xiàn)在其能夠無需人工干預(yù)，自主完成復(fù)雜的控制任務(wù)。例如，在碎礦過程中，系統(tǒng)會根據(jù)礦石的硬度和粒度自動調(diào)節(jié)破碎機(jī)的速度和力度，以優(yōu)化破碎效率并減少能耗。此外，自動化系統(tǒng)還能預(yù)測維護(hù)需求，提前安排設(shè)備檢修，減少意外停機(jī)時間。為了保障作業(yè)流程間的負(fù)荷平衡，DCS系統(tǒng)采用了先進(jìn)的算法來分析數(shù)據(jù)和調(diào)整生產(chǎn)線上的物料流。這有助于防止某一環(huán)節(jié)的過載或物料積壓，從而避免潛在的生產(chǎn)瓶頸。通過對整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化調(diào)度，DCS系統(tǒng)不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了生產(chǎn)成本和工人的勞動強(qiáng)度。

2.DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與智能化技術(shù)

DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是其高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，通常由現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層和監(jiān)控管理層組成?，F(xiàn)場設(shè)備層作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含了各種傳感器、執(zhí)行器和現(xiàn)場儀表，它們負(fù)責(zé)收集關(guān)鍵的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)缴弦粚?。這一層的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對于整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。過程控制層是DCS系統(tǒng)的核心，由中央控制器和相關(guān)的控制邏輯構(gòu)成。中央控制器負(fù)責(zé)接收來自現(xiàn)場設(shè)備層的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略進(jìn)行處理，并下發(fā)控制指令。這些控制策略通常是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，能夠應(yīng)對各種復(fù)雜情況，確保生產(chǎn)過程的最優(yōu)化。監(jiān)控管理層則提供了用戶界面，使得操作人員可以實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)過程，并在必要時進(jìn)行干預(yù)。這一層通常還包括數(shù)據(jù)分析和報告功能，幫助管理人員評估生產(chǎn)效率，制定改進(jìn)措施。

智能化技術(shù)的融入使得DCS系統(tǒng)不僅僅是一個簡單的自動化工具，而是成為具有學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力的智能系統(tǒng)。通過應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法，DCS系統(tǒng)能夠從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化控制策略，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，智能診斷和維護(hù)功能也能夠減少故障率，延長設(shè)備的使用壽命。

（三）現(xiàn)場設(shè)備層智能化改造

現(xiàn)場設(shè)備層改造前后控制信號布置情況見下表1所示。

1.礦倉料位自動控制改造

在礦山作業(yè)中，礦倉料位的準(zhǔn)確監(jiān)控和自動控制是確保連續(xù)生產(chǎn)流程和優(yōu)化庫存管理的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的料位監(jiān)測多依賴手動檢測，存在較大的人為誤差和響應(yīng)延遲問題。為了實(shí)現(xiàn)自動化控制，可以引入基于超聲波、激光或者射頻識別（RFID）技術(shù)的料位測量系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測料位變化，并通過可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行相應(yīng)操作。改造后的自動控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：首先，能夠?qū)崟r連續(xù)監(jiān)測料位，并具備高精度測量能力，減少物料溢出或短缺的風(fēng)險；其次，通過設(shè)置料位上下限閾值，實(shí)現(xiàn)連鎖報警功能，當(dāng)料位超出預(yù)設(shè)范圍時，系統(tǒng)能自動調(diào)整或提醒操作人員采取措施；最后，系統(tǒng)需與現(xiàn)有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成，以便于進(jìn)行中心化控制和數(shù)據(jù)分析。

2.帶式輸送機(jī)的保護(hù)與控制

帶式輸送機(jī)是連接礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要物流設(shè)備。為確保輸送帶的高效運(yùn)行和延長使用壽命，必須對其實(shí)施有效的保護(hù)與控制措施。這包括對輸送帶的速度、載重、跑偏、撕裂等情況進(jìn)行監(jiān)控，并采用傳感器收集相關(guān)數(shù)據(jù)。保護(hù)與控制系統(tǒng)的改進(jìn)可以通過安裝速度傳感器和重量監(jiān)測裝置來防止超速和過載情況的發(fā)生。同時，跑偏檢測器和撕裂傳感器能夠在出現(xiàn)異常時迅速發(fā)出警報并停機(jī)，以避免進(jìn)一步損害。此外，引入遠(yuǎn)程控制技術(shù)允許操作人員從中心控制室對輸送帶進(jìn)行監(jiān)控和操作，提高了靈活性和響應(yīng)速度。

3.圓錐破碎機(jī)自動控制系統(tǒng)改造

圓錐破碎機(jī)作為礦物加工中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到整個生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的手動控制方式無法滿足現(xiàn)代礦業(yè)對于精細(xì)管理和自動化的要求。因此，對圓錐破碎機(jī)的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行改造升級是提升生產(chǎn)效率的必要步驟。

改造工作包括引入智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過各種傳感器如振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等實(shí)時監(jiān)測破碎機(jī)的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)反饋至PLC系統(tǒng)。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和算法自動調(diào)節(jié)破碎機(jī)的各項(xiàng)設(shè)置，如破碎腔的緊密度、破碎速度和給料量，從而優(yōu)化破碎過程并降低能耗。同時，系統(tǒng)還應(yīng)該具備故障診斷和維護(hù)提示功能，減少意外停機(jī)時間，提高生產(chǎn)的連續(xù)性[4]。

（四）過程控制層改造

原礦倉廠房是碎礦流程的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)存儲和管理原礦石。為提高自動化水平，改造的控制層需引入智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過安裝重量傳感器實(shí)時監(jiān)測原礦倉的料位，確保原料供應(yīng)的連續(xù)性并避免溢倉。此外，料倉下方的給料裝置應(yīng)配備變頻調(diào)速驅(qū)動，以精確控制礦石的供給速率?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)與中央控制室聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度，提升響應(yīng)速度和處理能力。

篩分廠房負(fù)責(zé)對碎礦石進(jìn)行分類，而中細(xì)碎廠房則進(jìn)一步減小礦石粒度。這兩個廠房的自動化改造關(guān)鍵在于提高篩分和破碎效率。通過安裝振動傳感器和顆粒度分析儀，可以實(shí)現(xiàn)對篩分效果和破碎后物料粒度的實(shí)時監(jiān)控。PLC系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整篩分機(jī)和破碎機(jī)的工作參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)流程。同時，自動控制系統(tǒng)還應(yīng)具備故障檢測和診斷功能，減少停機(jī)時間，提高生產(chǎn)線的穩(wěn)定性和可靠性。

帶式輸送機(jī)廊是連接各個廠房的重要物流通道，而轉(zhuǎn)運(yùn)站則是物料轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。為保證物料順暢運(yùn)輸，帶式輸送機(jī)的保護(hù)與控制尤為關(guān)鍵。改造中應(yīng)安裝跑偏檢測器、撕裂傳感器以及速度監(jiān)控裝置，實(shí)時監(jiān)測輸送帶的工作狀態(tài)，一旦檢測到異常立即自動停機(jī)并報警。轉(zhuǎn)運(yùn)站的自動化改造需要引入智能調(diào)度系統(tǒng)，通過分析各廠房的生產(chǎn)需求和物料流動情況，自動調(diào)配輸送帶的運(yùn)行，減少人工干預(yù)，提高轉(zhuǎn)運(yùn)效率?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)與整體生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)信息共享和動態(tài)優(yōu)化。

三、礦山電氣自動化控制中智能化技術(shù)的應(yīng)用效果

通過整合智能化技術(shù)，改造后的碎礦流程顯著提升了效率與經(jīng)濟(jì)效益。具體來說，四臺破碎機(jī)的破碎效率從65%提升至80%，這不僅提高了處理能力，而且優(yōu)化了破碎效果，為后續(xù)的選礦過程提供了更加均勻、適合的物料粒度。這一進(jìn)步歸功于自動控制系統(tǒng)的精細(xì)管理，如自動調(diào)節(jié)給料速度、智能監(jiān)測設(shè)備狀況和實(shí)時調(diào)整破碎機(jī)械的操作參數(shù)等措施。此外，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)非計(jì)劃停車時間每減少1小時，能為選礦廠帶來約5萬元的直接經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)束語

智能化技術(shù)在礦山電氣自動化控制中的應(yīng)用不僅具有可行性，而且為礦業(yè)帶來了顯著的效益。通過整合傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)控制算法以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能化手段，礦山的生產(chǎn)效率得到了顯著提升，同時作業(yè)的安全性也得到了大幅增強(qiáng)。以上技術(shù)的應(yīng)用使得復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和生產(chǎn)過程得以高效管理，減少人為錯誤和事故的風(fēng)險，優(yōu)化了資源的利用，并降低了環(huán)境影響。

參考文獻(xiàn)：

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