尹豐豐，王 旭，王 清

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室，北京100160）

在選礦行業(yè)生產規(guī)?；?、設備大型化及原礦品位不斷降低的大背景下，節(jié)能降耗已成為企業(yè)降本增效的主要手段。但受限于來料礦石塊度、硬度及含泥量等頻繁波動的影響，僅依靠人工操作經驗來調整工藝控制參數(shù)，已不能及時應對工況變化，不可避免導致生產波動，影響選廠產能。碎磨是礦物加工過程的首道工序，也是能耗最高的作業(yè)工序，通常破碎和磨礦系統(tǒng)的功耗約占金屬礦山選礦廠能耗的50%～70%?！岸嗨樯倌?、細碎入磨”是提高生產效率降低選礦成本的重要途徑。

高壓輥磨機作為一種新型的高效粉碎設備，除了具有提高礦物解離度和浮選回收率等優(yōu)勢以外，在節(jié)能降耗方面效果十分顯著。據(jù)有關數(shù)據(jù)表明，高壓輥磨機與其他破碎設備相比，平均節(jié)能可高達20%以上。目前，該設備在我國有色金屬礦山碎磨流程已逐步開始使用。

1 高壓輥磨工藝流程及設備介紹

我國某大型黃金礦山選礦廠破碎工藝采用三段一閉路流程，2臺HP500圓錐破碎機作為中碎設備，1臺高壓輥磨機作為開路細碎設備，破碎產品粒度可滿足P80＝10mm，日處理能力近萬噸，其工藝流程見圖1。

圖1 某黃金選礦廠破碎工藝流程圖

高壓輥磨機主要由給料裝置、一對擠壓輥、傳動裝置、液壓和潤滑系統(tǒng)等組成。其中，擠壓輥又分為定棍及可水平移動調節(jié)的動棍。液壓系統(tǒng)根據(jù)給入物料的性質提供合適的壓力來保證動輥移動到預期位置，以形成合格粒度的產品［1］。高壓輥磨機結構見圖2。

圖2 高壓輥磨機結構簡圖

在實際生產過程中，礦石經由膠帶給礦機均勻給入輥磨機的喂料倉，并隨著定輥和動輥的轉到向下運動。此時，已由單純的礦石顆粒破碎逐漸變成為物料層間的擠壓粉碎［2－4］。物料層在輥間高壓下形成，顆粒在壓力迫使下互相擠壓，并且產生了大量裂紋，而且也不存在類似于球磨機中的無效撞擊和摩擦，絕大部分能量均用于粉碎，因而其能效也較高。所以高壓輥磨機用于球磨機前替代部分粗磨的工作對選礦節(jié)能與提高部分選別指標有益［5］。

2 給料問題分析及控制目標

2．1 給料問題分析

高壓輥磨機在有色金屬礦山的應用仍處于起步階段，直到2003年世界第一臺黃金礦山樣機才開始投產。在國內，某大型黃金礦山于2013年率先將高壓輥磨機應用到黃金選礦過程中。但由于缺乏操作經驗，設備控制效果不盡如人意，并沒有最大限度地發(fā)揮設備的潛在生產能力。如表1所示，為該黃金選礦廠2014年高壓輥磨機運行時間統(tǒng)計表。從該表中可以看出，由于人為操作不當?shù)仍?，造成設備空載運行時間平均超過20%，嚴重制約了整個黃金選廠的產能提升。

表1 2014年某黃金選礦廠高壓輥磨機運轉時間統(tǒng)計

在高壓輥磨機正常運轉的過程中，動輥的擠壓粉碎力是通過物料層傳遞給定輥的，因此兩輥間必須存在一層物料，作為料層粉碎的前提條件。為了發(fā)揮設備的最大效能，降低其空載運行時間，這就要求高壓輥磨機作業(yè)能夠獲得充分連續(xù)的給礦，即實現(xiàn)擠滿給礦控制。

在理想條件下，基于物料平衡原理，高壓輥磨機的給礦量應與其排礦能力一致，保持喂料斗的料位穩(wěn)定，進而使得高壓輥磨機始終工作在一個較為穩(wěn)定的負荷范圍內。然而實際生產中，一方面受給入礦石性質變化的影響，比如礦石塊度及硬度的波動，在輥縫保持不變的條件下，物料在設備內的流通能力勢必會發(fā)生變化，進而造成喂料斗料位的變化。當料位偏低時，將會影響設備料層粉碎的效果，當料位特別低時，由于沒有形成墊料層，減少了新給入物料在輥磨機內部擠壓破碎的時間，排礦產品粒度將明顯偏粗，設備工作效率降低，與此同時，輥面磨損嚴重，設備維護成本大幅增加；相反地，當喂料斗料位偏高時，易造成喂料斗冒礦，需要被動停車處理。另一方面，受上游生產流程異常、設備故障等影響，高壓輥磨機的給礦緩沖料倉也會出現(xiàn)供料不及時的情況，此時，高壓輥磨機的給料控制系統(tǒng)也應作出相應處理，防止設備長時間空載運行。

2．2 控制目標

為了保證高壓輥磨機發(fā)揮其最大的作業(yè)效率，必須對高壓輥磨機實施擠滿給料控制。因此，首先需要對給礦緩沖礦倉及高壓輥磨機喂料斗的料位實施監(jiān)測，同時通過調節(jié)給礦機運轉頻率實現(xiàn)對給礦量的自動控制。需要說明的是，由于喂料斗容量有限，這里采用抗干擾能力更佳的稱重裝置，通過體積換算間接得到喂料斗的料位值。依據(jù)喂料斗的實時料位值，來自動調節(jié)膠帶給料機的帶速，進而控制料位，達到擠滿給料的控制目標。

考慮到生產過程中可能出現(xiàn)的異常情況，高壓輥磨機給礦控制系統(tǒng)也應具備連鎖保護停車功能，比如在高壓輥磨機異常停車，排礦皮帶異常停車，給料過鐵等情況發(fā)生時；同時，針對由于礦石含泥量大粘度大造成的高壓輥磨機喂料斗堵塞、給礦緩沖礦倉下料口堵塞等異常工況應具備自動識別及相應的保護功能，以保證高壓輥磨機作業(yè)回路的持續(xù)穩(wěn)定和高效。

3 擠滿給料控制策略

3．1 擠滿給料專家控制算法

由于高壓輥磨機給礦過程具有滯后性，加之給礦性質變化造成的擾動，常規(guī)PID控制有一定難度，容易造成高壓輥磨機喂料斗料位大幅波動，無法滿足生產控制需要。

為了提高控制性能，本文提出了具有高壓輥磨機擠滿給料專家控制算法。該控制算法立足于歷史生產數(shù)據(jù)，結合人工操作經驗，提取出若干 “IF THEN”控制規(guī)則，根據(jù)當前控制量的誤差及誤差變化率的變化情況，由“IF－THEN”規(guī)則預測控制輸出量的變化，以期達到快速響應的目的。算法結構如圖3所示。

圖3 控制算法結構圖

3．2 異常工況識別與處理

為了保證高壓輥磨機作業(yè)回路及設備的安全，僅僅依靠擠滿給料控制器還是不夠的，我們需要對高壓輥磨機作業(yè)回路的異常工況和故障進行識別，并在給礦控制系統(tǒng)中作出及時的響應。針對實際生產過程中出現(xiàn)過的異常工況，分為以下三種情況。

1）給礦機下游作業(yè)回路設備故障停車。當包括高壓輥磨機及排料皮帶等在內的給礦機下游設備發(fā)生異常而故障停車時，給礦機立刻連鎖停車。

2）高壓輥磨機喂料斗堵塞。由于給礦中可能含有雜物，或給礦含泥量較大容易造成高壓輥磨機喂料斗堵塞。在給礦控制輸出不斷減小的前提下，當控制系統(tǒng)識別出高壓輥磨機喂料斗料位超過設定值且持續(xù)增加時，系統(tǒng)判定喂料斗有可能發(fā)生堵塞，自動觸發(fā)給礦機停車，并給出報警提示。

3）給礦緩沖礦倉空料或下料口堵塞。在給礦控制輸出不斷增加的前提下，當控制系統(tǒng)識別出高壓輥磨機喂料斗料位持續(xù)減小，且給礦機及高壓輥磨機的設備負荷偏小時，系統(tǒng)判定給礦緩沖礦倉料或下料口堵塞，控制器自動記錄當前控制輸出量后給出給礦機停車指令，下次給礦機將已上一次記錄的控制輸出值作為初始啟動頻率。

4 擠滿給料自動控制系統(tǒng)設計與應用

4．1 自動控制系統(tǒng)設計

本高壓輥磨機擠滿給礦控制系統(tǒng)選擇GE 3i冗余系列CPU作為主控器。給礦機的監(jiān)控信號以及高壓輥磨機給礦緩沖礦倉的料位信號等分別通過Profibus－DP及Profibus－PA接口送入遠程IO站中，CPU與遠程IO站間，以及高壓輥磨機成套S7－300控制器間通過以太網(wǎng)建立通訊連接。CPU采集到的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)采集服務器后顯示到控制室集中監(jiān)控畫面上。整個控制系統(tǒng)結構見圖4。

本高壓輥磨機擠滿給料自動控制系統(tǒng)操作畫面分為連鎖控制和回路控制兩個部分，見圖5。在連鎖控制畫面區(qū)域中，主要實現(xiàn)的是給礦連鎖保護停車功能；在回路控制畫面區(qū)域中，可以實現(xiàn)給料的手動與自動的無擾切換。在自動控制條件下，可以實現(xiàn)本文如前所述的擠滿給礦控制功能。

4．2 工業(yè)應用

圖4 擠滿給料自動控制系統(tǒng)架構圖

圖5 擠滿給料自動控制畫面

本高壓輥磨機擠滿給礦自動控制系統(tǒng)已在國內某大型黃金礦山選礦流程高壓輥磨機作業(yè)回路投入了使用，高壓輥磨機擠滿給料控制曲線見圖6，其中處于畫面上部的淺色虛線為輥磨機定輥電流（范圍0～600A），畫面下部的深色曲線為輥磨機喂料斗料位（范圍0～100%）。由圖6可知，喂料斗料位值很好地穩(wěn)定在了工藝要求的45%附近，與此同時高壓輥磨機的負荷曲線也十分穩(wěn)定，表明了設備工作狀態(tài)的穩(wěn)定。與常規(guī)PID控制相比，該套專家控制算法很好的解決了給礦調節(jié)的滯后問題，無論是在調節(jié)時間，抗擾動能力還是魯棒性都有了很大的改善。

圖7所示為高壓輥磨機異常工況識別與故障診斷報警畫面，該系統(tǒng)成功識別出了輥磨機喂料斗堵塞，給礦緩沖礦倉空料等異常工況，并自動觸發(fā)系統(tǒng)停車，起到了預防事故擴大化及降低設備空轉率的作用。

5 結 語

針對高壓輥磨機在實際生產運行過程中，空載運行時間長，設備利用率低的問題，本文提出了一種高壓輥磨機擠滿給料專家控制策略。該控制算法調節(jié)速度快，并且具有較強的魯棒性。與此同時，考慮到高壓輥磨機作業(yè)回路中潛在的異常工況，控制系統(tǒng)進行了故障識別與診斷，并且與給礦控制系統(tǒng)聯(lián)動，保證了整個高壓輥磨機作業(yè)回路的生產安全。實際工業(yè)應用結果表明了該高壓輥磨機擠滿給料控制系統(tǒng)的有效性。

圖6 高壓輥磨機擠滿給料控制曲線

圖7 故障監(jiān)測表截圖

［1］ 劉紅軍，張升奇，邵彬，等．高壓輥磨機在冶金行業(yè)的開發(fā)及應用［J］．礦山機械，2006（10）：152－153．

［2］ Klymowsky I B，Liu J．Recent progresses in the modelling of comminution in a Roller Press［J］．ZKG International，1997（9）：500－510．

［3］ 劉建遠．高壓輥磨機粉碎數(shù)學建模和計算機模擬研究進展［J］．金屬礦山，2010（8）：1－6．

［4］ 鄧嶺．壓輥磨機關鍵工藝參數(shù)優(yōu)化研究［D］．長沙：中南大學，2012．

［5］ 張勇，尚旭．選礦廠高壓輥磨機破碎系統(tǒng)的自動控制研究［J］．有色設備，2014（1）：4－8．