山西太鋼不銹鋼股份有限公司 李志宏，郝俊宇

1 引言

目前，國內(nèi)新建礦山規(guī)模越來越大，原礦年處理量達2000萬t/a以上，鐵精礦年產(chǎn)700萬t/a以上。建設(shè)目標(biāo)一般定位為國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的現(xiàn)代化礦山。冶金鐵礦的建設(shè)對提高國內(nèi)鋼鐵資源自給能力、效益提升和持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

冶金鐵礦包括鐵礦石露天開采、選礦、精尾礦輸送等工藝環(huán)節(jié)。其中選礦環(huán)節(jié)是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此，冶金礦山控制系統(tǒng)主要著眼于選礦全流程控制系統(tǒng)從硬件到軟件的集成設(shè)計研發(fā)和實施，包括控制系統(tǒng)硬件設(shè)備配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、基礎(chǔ)自動化控制軟件設(shè)計、專家系統(tǒng)的設(shè)計、人機界面設(shè)計，以及各類單機單系統(tǒng)控制裝置的通訊接口設(shè)計等。

冶金鐵礦建設(shè)起點高、生產(chǎn)工藝先進、設(shè)備大型化，其自動控制水平對這類大型鐵礦生產(chǎn)效能的發(fā)揮和提升有著重要的作用，因此，與之配套的生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)也必須具有技術(shù)先進、控制功能完善、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢。

2 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計

設(shè)計組合式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由設(shè)備控制級和監(jiān)控級雙層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)備控制級為標(biāo)準(zhǔn)以太雙環(huán)網(wǎng)，使控制級設(shè)備的通訊實現(xiàn)了雙冗余功能，更加安全可靠；監(jiān)控級為以太單環(huán)網(wǎng)，在具備網(wǎng)絡(luò)冗余功能的同時，兼顧了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡潔。雙層網(wǎng)絡(luò)通過單機容錯服務(wù)器進行數(shù)據(jù)信息交換?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

單機容錯服務(wù)器作為工程師站和操作員站服務(wù)器，是整個控制系統(tǒng)的信息中心。PLC主控制站通過Ethernet通訊卡件經(jīng)核心級交換機與單機容錯服務(wù)器進行通訊，操作員站數(shù)據(jù)全部通過單機容錯服務(wù)器進行提取，減輕了控制站通訊接口負(fù)荷，避免了數(shù)據(jù)擁堵。

2.2 主控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)通訊集成

國內(nèi)新建冶金礦山使用的設(shè)備大都是大型、超大型設(shè)備，比如，半自磨機、球磨機、再磨機、移動破碎站、濃密機等等，這些大型設(shè)備無一例外都自帶控制系統(tǒng)（即子系統(tǒng)）。這些子系統(tǒng)與礦山主控制系統(tǒng)廠商不同，通訊協(xié)議又互不相同，從而造成主控制系統(tǒng)與眾多的子系統(tǒng)之間以及各子系統(tǒng)之間各成體系，相互之間不能交換信息，成為信息孤島，從而使整個礦山生產(chǎn)不能實現(xiàn)集中控制。解決集中控制，傳統(tǒng)的解決辦法，一是生產(chǎn)操作人員通過電話來實現(xiàn)主控制系統(tǒng)與各個子控制系統(tǒng)之間的信息交換；二是采用電線電纜實現(xiàn)主控制系統(tǒng)與各個子控制系統(tǒng)之間的信息交換。這兩種解決辦法造成生產(chǎn)效率低、成本高昂、故障點多、維護量大等一系列問題。為此，本文大膽創(chuàng)新，進行了主控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)通訊集成。

2.2.1 總體框架設(shè)計

采用現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖介質(zhì)把冶金鐵礦主控制系統(tǒng)與各個子系統(tǒng)集成一個有機的整體，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)集成圖

2.2.2 主控制系統(tǒng)與子系統(tǒng)通訊設(shè)計

冶金鐵礦主控制系統(tǒng)采用高性能主流品牌H冗余控制系統(tǒng)，而半自磨機、球磨機、再磨機、移動破碎站、濃密機等大型設(shè)備一般采用ABB公司的ACM800 PLC、AB公司ControlLogix PLC、西門子S7-300 PLC、GE公司PLC、AB公司的MicroLogix1100 PLC、ABB公司的C310單回路控制器等多種不同型號的子控制系統(tǒng)，為此，針對不用型號的子控制系統(tǒng)和不同的通訊協(xié)議，采用靈活的硬件配置，并設(shè)計編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸和個性化接口通訊程序，以實現(xiàn)這些子系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)的通訊，從而實現(xiàn)整個礦山生產(chǎn)的集中控制。

2.3 基礎(chǔ)自動化過程控制軟件設(shè)計

基礎(chǔ)自動化過程控制是對選礦生產(chǎn)工藝過程進行控制，它是提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的根本保證?；A(chǔ)自動化過程控制項目包括：原礦堆場下料控制及半自磨機給礦量控制、半自磨機磨礦濃度控制、旋流器給礦壓力控制、旋流器給礦濃度控制、浮選槽液位控制、直線篩沖洗水控制、球磨機排礦水控制、再磨機排礦水控制、弱磁水控制、二段泵池補加水控制、強磁底流濃度控制、強磁底流壓力控制等內(nèi)容。

為避免調(diào)節(jié)進入深度飽和，采用變異自整定控制算法，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。在自整定時采取激勵方式：通過修改設(shè)定值至工作點，使設(shè)定值產(chǎn)生階躍變化，同時使控制輸出限制在一定范圍內(nèi)。尋找拐點是整個自整定過程的關(guān)鍵，如果設(shè)定值的階躍變化過小，則可能在過程值變化過程中不會出現(xiàn)拐點；相反，如果設(shè)定值的階躍變化過大，則可能會造成大的超調(diào)，對系統(tǒng)不利。

圖3 自整定控制結(jié)構(gòu)圖

此外，在旋流器環(huán)節(jié)設(shè)計協(xié)調(diào)控制。旋流器環(huán)節(jié)的兩個主要操作參數(shù)是給礦壓力和給礦濃度, 兩個參數(shù)的變化都會對泵池液位有影響, 而將泵池液位控制在安全范圍內(nèi)是生產(chǎn)正常運行的前提, 本協(xié)調(diào)控制以泵池池液位為主要目標(biāo)控制參數(shù), 當(dāng)液位在安全范圍內(nèi)時, 確保合適的給礦壓力和給礦濃度。當(dāng)液位超出安全范圍時, 在工藝允許的前提下適當(dāng)調(diào)整給礦壓力和給礦濃度。根據(jù)旋流器工作機理, 給礦壓力升高有利于提高分級效率, 給礦濃度降低也有利于提高分級效率, 因此控制思路是: 在給礦壓力控制方面, 在確保給礦壓力在工藝要求內(nèi)的前提下, 以提高給礦壓力手段控制為原則；在給礦濃度控制方面, 在確保給礦濃度在工藝要求內(nèi)的前提下, 以降低給礦濃度手段控制為原則。在一般情況下, 控制系統(tǒng)主要通過給礦壓力手段來調(diào)整, 當(dāng)給礦壓力達到工藝要求的極限還無法達到要求時, 再采用給礦濃度手段來調(diào)整。

2.4 專家控制系統(tǒng)

半自磨機專家控制系統(tǒng)基于礦石照像儀、磨機聲音儀等技術(shù)，用以對半自磨回路的生產(chǎn)指導(dǎo)進行指導(dǎo)。控制思路是：專家系統(tǒng)通過礦石照像儀，采集原礦圖像信息，并使用圖像處理技術(shù)，分析得出原礦的粒度分布信息；通過磨音分析儀，繪制半自磨機的聲音頻譜圖，分析半自磨機負(fù)荷及工況；同時采集半自磨機功率和進出料口軸壓等信息，綜合分析半自磨機磨礦的狀態(tài)，而后通過模糊化、模糊集推理、解模糊等過程，對影響該量的各因素進行權(quán)衡后，輸出信號至控制定量給礦機的變頻器，來調(diào)整給礦量的大小以及給礦量粗細(xì)粒度比率分配，最大限度發(fā)揮半自磨機的效率和產(chǎn)能。

3 結(jié)語

通過本文所述冶金礦山選礦控制系統(tǒng)設(shè)計方法可以實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的集中監(jiān)控，解決選礦生產(chǎn)中的一些瓶頸問題，提升冶金鐵礦選礦系統(tǒng)的生產(chǎn)過程自動化水平。同時，對進一步增強國內(nèi)礦山企業(yè)的綜合實力、促進礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用將產(chǎn)生積極的影響。