劉夢(mèng)曉，鐘 震，黃建偉

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦位于江西省九江市柴桑區(qū)城門鄉(xiāng)，隸屬于江西銅業(yè)股份有限公司，是以銅、硫?yàn)橹鳎采f、鋅、鐵，伴生金、銀等多種金屬元素的露天礦山，是國內(nèi)已探明的18座大型露天銅礦和9大稀有稀散金屬礦床之一［1］。20世紀(jì)50年代末60年代初開始進(jìn)行開采，經(jīng)過多次擴(kuò)建改造，目前已形成約7000t/d礦石處理能力，是江銅集團(tuán)的骨干礦山企業(yè)。

城門山銅礦礦石性質(zhì)多變，根據(jù)多碎少磨的原則，磨礦流程采用半自磨機(jī)+球磨機(jī)生產(chǎn)工藝［2］。磨礦是選礦生產(chǎn)重要流程，其產(chǎn)品濃度、粒度對(duì)后續(xù)浮選流程具有重大影響，同時(shí)，磨礦流程中能源消耗占選廠總能耗一半以上，鋼球、襯板等備件消耗占選廠生產(chǎn)費(fèi)用的很大比重［3］。提升磨礦生產(chǎn)流程自動(dòng)化水平，加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維管理，對(duì)提高生產(chǎn)指標(biāo)，降低生產(chǎn)費(fèi)用，都具有重大意義。本文概述了城門山銅礦選廠磨礦基礎(chǔ)自動(dòng)化概況，并闡述了后續(xù)過程優(yōu)化控制方法。

2 磨礦流程生產(chǎn)現(xiàn)狀

選礦廠磨礦采用了兩段一閉路的生產(chǎn)工藝流程，半自磨機(jī)是開路磨礦，球磨機(jī)與水力旋流器形成閉路磨礦。從采礦場運(yùn)輸來的礦石先經(jīng)過破碎站顎式破碎機(jī)破碎后，形成不大于200mm粗碎塊礦，經(jīng)2#、4#皮帶運(yùn)輸至重型板式給礦機(jī)，然后再經(jīng)5#皮帶傳送進(jìn)入半自磨機(jī)。礦石在半自磨機(jī)內(nèi)經(jīng)過研磨和物理反應(yīng)后，排料進(jìn)入粗砂泵池，粗砂泵池底部粗砂泵經(jīng)變頻調(diào)節(jié)，將粗磨后的礦漿以一定的壓力輸送給旋流器，礦漿以一定斜線進(jìn)入旋流器中沿圓周運(yùn)動(dòng)，比重較輕的礦物從上方流出進(jìn)入一段浮選作業(yè)，比重較大礦漿自流進(jìn)入球磨機(jī)［4］，在球磨機(jī)內(nèi)與鋼球共同作用研磨再次排入粗砂泵池，從而形成兩路一閉環(huán)系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 磨礦生產(chǎn)工藝

在磨礦流程中配置了大量儀表設(shè)備采集現(xiàn)場生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)。重型板式給礦機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為變頻電機(jī)，可以通過變頻調(diào)節(jié)礦石給礦量。皮帶上除安裝了拉繩、跑偏、急停等常規(guī)保護(hù)外，還增加了防大塊礦石、皮帶速度檢測等多種保護(hù)機(jī)構(gòu)，并與重型板式給礦機(jī)實(shí)現(xiàn)了連鎖。皮帶下方安裝了電子皮帶秤，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前皮帶給礦量。磨機(jī)前、后給水管道上安裝了電磁流量計(jì)、電動(dòng)閥門等儀器，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)給水流量。粗砂泵池上方安裝超聲波液位計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測泵池液位，防止出現(xiàn)冒槽或空轉(zhuǎn)等生產(chǎn)事故。旋流器上安裝了壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力，調(diào)節(jié)粗砂泵頻率可改變壓力大小，保證溢流效果。旋流器進(jìn)漿管道上安裝了濃度計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測磨礦產(chǎn)品濃度，旋流器溢流管道上還安裝了取樣器，可進(jìn)行取樣并送入粒度分析儀檢測磨礦產(chǎn)品粒度［5］。

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

選礦廠建廠投產(chǎn)時(shí)已搭建一套主控DCS系統(tǒng)，采用美國Rockwell公司的Controllogic 1756系列PLC作為主控CPU，磨礦車間、浮選車間、精礦脫水車間均設(shè)有子站，并已與主控PLC通過Control Net現(xiàn)場總線建立了通信連接［6］。磨礦生產(chǎn)過程中皮帶秤處理量、前給水流量、后給水流量、閥門開度、粗砂泵頻率、電流、旋流器壓力等數(shù)據(jù)均采集進(jìn)入磨礦車間子站，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程給定、調(diào)節(jié)的功能。

對(duì)磨礦生產(chǎn)流程而言，磨機(jī)是主要運(yùn)行設(shè)備，半自磨機(jī)與球磨機(jī)均具有獨(dú)立的控制站。磨機(jī)控制站選用的是西門子S7-300系列PLC，采集了磨機(jī)運(yùn)行過程電流、溫度，磨機(jī)潤滑油流量、壓力等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。電機(jī)高壓柜、勵(lì)磁裝置、離合器系統(tǒng)等與磨機(jī)控制站進(jìn)行了連鎖保護(hù)控制。由于西門子公司Profibus-DP總線與AB公司Control Net總線協(xié)議不兼容，選用瑞典HMS公司的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過配置相關(guān)參數(shù)，讀取了磨機(jī)控制站全部數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

DCS系統(tǒng)搭建完成后，經(jīng)過不斷的完善，采集了大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過不斷的優(yōu)化調(diào)試，目前已實(shí)現(xiàn)給礦、給水單回路的自動(dòng)控制。給水控制是典型的單回路PID控制，根據(jù)設(shè)定給水量與實(shí)際采集的電磁流量計(jì)相比較，差值經(jīng)PID運(yùn)算器計(jì)算后給出4～20mA信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，從而穩(wěn)定給水流量。

給礦控制與給水控制類似，根據(jù)設(shè)定給礦量與皮帶秤采集的處理量相比較，差值經(jīng)PID運(yùn)算器計(jì)算后給出4～20mA信號(hào)調(diào)節(jié)板式給料機(jī)頻率，從而穩(wěn)定處理量。由于礦石性質(zhì)變化頻繁，且調(diào)節(jié)變化的滯后性強(qiáng)，采用傳統(tǒng)PID控制方式難以穩(wěn)定控制，經(jīng)常發(fā)生超調(diào)甚至振蕩等極端情況。經(jīng)大量調(diào)試，在程序中寫入了基于模糊控制的PID參數(shù)自適應(yīng)控制方法，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值偏差大小、變化率動(dòng)態(tài)調(diào)整P、I、D等參數(shù)的設(shè)定值［7］，從而消除滯后，減少系統(tǒng)超調(diào)量，如圖2所示。

圖2 給礦控制回路圖

4 基礎(chǔ)自動(dòng)化完善

磨礦生產(chǎn)過程復(fù)雜，受礦石性質(zhì)、鋼球添加、襯板損耗等多種因素共同影響作用，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。工人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，難以形成有效的操作控制。磨礦產(chǎn)品波動(dòng)范圍較大，設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，降低了設(shè)備的使用臺(tái)效。當(dāng)前隨著礦冶科技的發(fā)展，新技術(shù)新手段層出不窮，該廠結(jié)合自身生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，通過多項(xiàng)技術(shù)改造，逐步完善了參數(shù)的檢測管理，加強(qiáng)了磨礦過程監(jiān)控，并大幅提高了自動(dòng)化水平，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 磨機(jī)變頻改造

磨礦過程之前一直都是工頻運(yùn)行，由于礦石硬度、塊度等性質(zhì)的變化，即使在穩(wěn)定的給礦量、給水量情況下，也可能存在功率過高，直至發(fā)生脹肚等影響生產(chǎn)狀況。在缺乏調(diào)節(jié)手段的情況下，工人只好采取暫時(shí)斷礦等緊急處理措施。在查閱大量資料并多方面考察情況下，該廠立項(xiàng)進(jìn)行了磨機(jī)變頻改造。通過新增變頻配電室，安裝高壓變頻器，與原控制系統(tǒng)調(diào)試對(duì)接等大量工作，成功實(shí)現(xiàn)了磨機(jī)轉(zhuǎn)速變頻調(diào)節(jié)。在磨機(jī)功率升高趨勢(shì)下，增大電機(jī)頻率，加快磨機(jī)轉(zhuǎn)速，提高礦石拋落，加強(qiáng)研磨效果，避免了斷礦等極端處理措施，設(shè)備臺(tái)效得到明顯提高［8］。并且在粒度儀投用的情況下，可以根據(jù)研磨的原礦粒度大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率和轉(zhuǎn)速，以達(dá)到穩(wěn)定原礦粒度的目的。

4.2 新增自動(dòng)加球機(jī)

磨礦過程鋼球的添加，對(duì)增強(qiáng)礦石研磨效果，穩(wěn)定磨礦產(chǎn)品粒度及電機(jī)運(yùn)行功耗具有重要影響［9］。以前工人根據(jù)生產(chǎn)制度，在每天早班或生產(chǎn)實(shí)際，通過行車吊裝數(shù)袋鋼球一次性加入傾倒進(jìn)入磨機(jī)中，造成鋼球加入初期鋼球自磨，磨機(jī)功率升高，加入末期鋼球已磨損殆盡，對(duì)礦石已無研磨效果，控制粗放，影響后續(xù)浮選指標(biāo)。

該廠對(duì)此新增了一套加球機(jī)器人和自動(dòng)加球機(jī)，加球機(jī)器人機(jī)械臂上安裝有3D相機(jī)，通過訓(xùn)練算法可以識(shí)別并定位鋼球位置，并沿途進(jìn)行避障，從而可自動(dòng)抓取鋼球，并投入加球機(jī)儲(chǔ)球倉。

加球機(jī)自動(dòng)根據(jù)程序設(shè)定，從自身球倉內(nèi)均勻抓取鋼球，由于鋼球池位于磨礦平臺(tái)以下，提升機(jī)自動(dòng)開啟升至平臺(tái)后通過溜槽進(jìn)入半自磨機(jī)。整體示意圖如圖3所示。

圖3 加球機(jī)整體示意圖

加球機(jī)具有多種加球模式，在均勻模式下工人可以設(shè)定班次、加球數(shù)量、加球次數(shù)等參數(shù)，在自動(dòng)模式下，加球機(jī)將根據(jù)當(dāng)前給礦量自動(dòng)計(jì)算加入鋼球的數(shù)量、次數(shù)等參數(shù)，加球機(jī)將在設(shè)定的參數(shù)條件下，均勻、分批次加入不同數(shù)量的鋼球，有效避免了一次性加球的缺陷。自動(dòng)加球機(jī)的使用對(duì)穩(wěn)定磨機(jī)功率、礦石粒度等指標(biāo)發(fā)揮了重要的作用。

4.3 新增磨機(jī)負(fù)荷等新型監(jiān)控儀器

在磨機(jī)運(yùn)行過程中，磨機(jī)內(nèi)物料與襯板的碰撞會(huì)使筒壁產(chǎn)生振動(dòng)，因此，磨機(jī)筒壁振動(dòng)信號(hào)可以直接反映磨機(jī)內(nèi)物料與襯板碰撞特性的變化，而這些變化取決于物料的總量、運(yùn)動(dòng)軌跡和物料中各種成分比例。相比現(xiàn)有的各種檢測方法，筒壁振動(dòng)信號(hào)檢測法采用了更為可行且直接的檢測原理，而且由于筒壁振動(dòng)信號(hào)中包含了較為豐富的磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，所以它能夠在一定程度上反應(yīng)磨機(jī)內(nèi)部的工況變化［10］，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨機(jī)的負(fù)荷監(jiān)測。

該廠在半自磨機(jī)筒體表面固定安裝了磨機(jī)負(fù)荷信號(hào)采集傳感器，采集磨機(jī)筒體壓力、振動(dòng)等信號(hào)并放大，信號(hào)接收單元通過無線通信的方式接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和分析，計(jì)算得到磨機(jī)負(fù)荷的特征參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示參數(shù)曲線并將特征參數(shù)通過Modbus-TCP協(xié)議集成到DCS系統(tǒng)。通過大量采集這些數(shù)據(jù)并與磨機(jī)功率、電流進(jìn)行相關(guān)性分析，為未來摸索磨機(jī)優(yōu)化控制策略提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖4 磨機(jī)負(fù)荷裝置安裝示意圖

5 前景探討

磨礦基礎(chǔ)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)降低了對(duì)工人操作的依賴，使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。但是由于磨礦過程的復(fù)雜多變，磨礦產(chǎn)品生產(chǎn)指標(biāo)仍有波動(dòng)?；诂F(xiàn)有自動(dòng)控制基礎(chǔ)，未來可以努力的方向還有很多。例如找尋磨礦粒度與鋼球添加、襯板損耗、電機(jī)頻率之間的關(guān)系，找尋磨礦濃度與前后給水量、給礦量、電機(jī)頻率之間的關(guān)系等。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等技術(shù)手段［11］，對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，可進(jìn)一步摸清磨礦規(guī)律。針對(duì)磨礦過程復(fù)雜多變、滯后性大、非線性強(qiáng)的特點(diǎn)，可持續(xù)研究專家系統(tǒng)、預(yù)測控制等先進(jìn)控制算法［12］在磨礦流程中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。