周金民 趙彥杰 王 洋 張柏春

（寶雞西北有色七一七總隊(duì)有限公司）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將選礦過程的技術(shù)參數(shù)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來監(jiān)測和控制，從而實(shí)現(xiàn)選礦生產(chǎn)的自動(dòng)化，已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。我國各大中型選礦廠均不同程度地應(yīng)用了自動(dòng)化控制技術(shù)［1-3］，也取得了較好的效果。

陜西震奧鼎盛礦業(yè)有限公司球磨系統(tǒng)目前仍采用傳統(tǒng)的人工操作、控制方式，為解決技術(shù)落后的現(xiàn)狀，順應(yīng)選礦自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)球磨系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化控制改造。

1 工藝簡介及存在的問題

現(xiàn)場一段閉路磨礦采用MQG2100×3000型濕式格子型球磨機(jī)，分級(jí)設(shè)備采用FLG-φ2000 型髙堰式單螺旋分級(jí)機(jī)，給礦采用DB800 型圓盤給料機(jī)，處理能力為21 t/h，溢流細(xì)度-200目占55%～65%。

通過對(duì)磨礦作業(yè)數(shù)據(jù)分析及過程診斷發(fā)現(xiàn)，溢流細(xì)度明顯低于-200 目占70%，影響了精礦質(zhì)量和金屬回收率指標(biāo)。

2 球磨自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

（1）確保所采用的技術(shù)與當(dāng)前發(fā)展趨勢一致，以便未來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展、升級(jí)和優(yōu)化，使系統(tǒng)具有較高的先進(jìn)性和較長的生命周期。

（2）從系統(tǒng)硬件的選型、網(wǎng)絡(luò)層的部署到操作多樣性等多方面進(jìn)行控制。系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)2種獨(dú)立、互為備份的操作方式，以保證系統(tǒng)有足夠的安全性、可靠性。

（3）自動(dòng)化系統(tǒng)要具有很強(qiáng)的實(shí)用性，保證系統(tǒng)易于管理、方便維護(hù)，操作簡便。

3 自動(dòng)化控制功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

由于磨礦作業(yè)影響因素多、參數(shù)相關(guān)性強(qiáng)、機(jī)理復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)磨礦作業(yè)的自動(dòng)化控制需要從監(jiān)測顯示手段、數(shù)據(jù)分析、控制技術(shù)等方面進(jìn)行全面的研究［4］。研究與應(yīng)用的主要內(nèi)容包括：給水系統(tǒng)監(jiān)測與控制；自動(dòng)加球機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用；給料的自動(dòng)控制與監(jiān)測；溢流濃度采集與顯示；磨礦機(jī)聲音采集與顯示；主要設(shè)備電流電壓采集與顯示；皮帶的自動(dòng)糾偏與扶正；設(shè)備的連鎖控制及故障監(jiān)測；主要設(shè)備與監(jiān)控點(diǎn)的視頻監(jiān)控。

3.1 給水系統(tǒng)監(jiān)測與控制

在分級(jí)機(jī)返砂口及球磨機(jī)排礦口均安裝自動(dòng)給水測量模塊，通過模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測給水量。系統(tǒng)根據(jù)分級(jí)機(jī)溢流濃度計(jì)算給水量，并及時(shí)通過系統(tǒng)調(diào)整給水量，使溢流細(xì)度控制在工藝要求的范圍內(nèi)。

計(jì)算機(jī)通過電磁閥控制閥門開度，由于進(jìn)水量除了與電磁閥開度有關(guān)，還與水壓有關(guān)，因此系統(tǒng)進(jìn)水量常存在較大誤差。為了減少水量誤差，進(jìn)水執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)負(fù)反饋控制，使進(jìn)水量符合要求。給水系統(tǒng)流程見圖1，圖1 中給水量是上位機(jī)給定的信號(hào)，PID 為控制算法，伺服閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，流量計(jì)為反饋信號(hào)采集單元。

3.2 自動(dòng)加球機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用［5］

設(shè)計(jì)了智能型自動(dòng)加球裝置，其工作原理是通過安裝在滾筒上的球爪進(jìn)行隨機(jī)取球，然后通過光電檢測器進(jìn)行非接觸檢測，并由PLC 進(jìn)行智能辨識(shí)和控制。該裝置的應(yīng)用從根本上解決了以往加球機(jī)存在的鋼球卡、堵問題，對(duì)直徑40 mm 以上的任意鋼球均能順利補(bǔ)加，實(shí)現(xiàn)鋼球補(bǔ)加和控制的智能化和自動(dòng)化。加球機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

無機(jī)化學(xué)課程的教學(xué)模式對(duì)學(xué)生能否適應(yīng)大學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)以及學(xué)習(xí)主動(dòng)性和科學(xué)思維方式的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用[4]。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，72.36%的學(xué)生認(rèn)為提高課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素是教學(xué)方法。因此，教師如何采用新的教學(xué)方式，提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)，化解教學(xué)學(xué)時(shí)短、教學(xué)內(nèi)容多的矛盾，對(duì)大學(xué)無機(jī)化學(xué)的教學(xué)來說是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，更是值得無機(jī)化學(xué)教師思考的問題。

控制系統(tǒng)采用PLC［6］作為中心控制器，通過控制程序完成電動(dòng)的啟?？刂?、檢測信號(hào)的處理、鋼球類型的判斷和加球量的統(tǒng)計(jì)等工作，控制系統(tǒng)框圖見圖3。為了加強(qiáng)人機(jī)交互，同時(shí)為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中文界面的操作員屏幕。操作人員可在屏幕上進(jìn)行加球量、加球周期、鋼球單重等參數(shù)的設(shè)置，并可通過屏幕隨時(shí)了解加球機(jī)累計(jì)加球數(shù)量等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼球量和鋼球配比的精確管理。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)和全自動(dòng)3 種控制模式。在手動(dòng)狀態(tài)下，人工可以通過觸摸屏按鈕直接控制加球電動(dòng)機(jī)和擋板電動(dòng)機(jī)的啟停。在自動(dòng)狀態(tài)下，通過觸摸屏設(shè)定每次加球個(gè)數(shù)以及間隔時(shí)間，自動(dòng)控制器按照設(shè)定值，自動(dòng)開停機(jī)。在全自動(dòng)狀態(tài)下，可以通過上位機(jī)傳送的實(shí)時(shí)礦量及現(xiàn)場工藝條件等數(shù)據(jù)自動(dòng)算出每個(gè)小時(shí)的加球量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加球。

自動(dòng)加球機(jī)安裝在皮帶機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)了鋼球的定量添加與統(tǒng)計(jì)，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高磨礦效率。

3.3 給料的自動(dòng)監(jiān)測與控制

在皮帶中段安裝一臺(tái)電子皮帶秤?？梢灾庇^統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)量，為生產(chǎn)任務(wù)及生產(chǎn)計(jì)劃提供可靠依據(jù)；同時(shí)皮帶秤所測數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)分析后，聯(lián)動(dòng)圓盤給料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率控制給礦量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)球磨機(jī)的負(fù)荷控制，最大限度提高磨礦作業(yè)生產(chǎn)效率。

圓盤給料機(jī)附搭配自動(dòng)給料控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給料機(jī)的遠(yuǎn)程及現(xiàn)場啟?？刂疲`活調(diào)整設(shè)備給料大小，避免操作人員往復(fù)走動(dòng)調(diào)整。

3.4 溢流濃度采集與顯示

在原礦緩沖箱內(nèi)安裝濃度采集模塊，濃度采集模塊由傳感器及變送器組成。通過對(duì)分級(jí)機(jī)溢流礦漿濃度的監(jiān)測，判斷磨礦濃度是否在工藝要求范圍內(nèi)，一旦監(jiān)測數(shù)值不符合生產(chǎn)工藝要求，系統(tǒng)將及時(shí)自動(dòng)調(diào)整進(jìn)礦量及進(jìn)水量。

3.5 磨礦機(jī)聲音采集與顯示

球磨機(jī)發(fā)出的噪音與球磨機(jī)內(nèi)的物料存量有關(guān)，噪音信號(hào)較大時(shí)，反映球磨機(jī)負(fù)荷較大［7-8］，在球磨機(jī)側(cè)方安裝1個(gè)磨音采集傳感器，讀數(shù)儀固定在磨礦DCS 控制單元內(nèi)。通過接收球磨機(jī)發(fā)出的噪音，定量地檢測球磨機(jī)負(fù)荷的大小，操作人員可以根據(jù)磨音的高低控制進(jìn)料。

3.6 主要設(shè)備電流電壓采集與顯示

在球磨機(jī)、分級(jí)機(jī)、圓盤給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)、原礦渣漿泵等5個(gè)主要設(shè)備的控制箱內(nèi)安裝電流、電壓采集模塊。通過對(duì)以上關(guān)鍵設(shè)備的電流電壓的監(jiān)測與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備工作狀態(tài)的分析和報(bào)警，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度提高磨礦作業(yè)效率。

3.7 皮帶的自動(dòng)糾偏與扶正

在皮帶輸送機(jī)的機(jī)頭與機(jī)尾位置分別安裝皮帶自動(dòng)扶正裝置。皮帶扶正裝置分為上糾偏和下糾偏。在生產(chǎn)過程中一旦檢測到皮帶發(fā)生偏離將自動(dòng)對(duì)皮帶進(jìn)行校正糾偏，從而實(shí)現(xiàn)全天候無人自動(dòng)糾偏，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。

3.8 主要設(shè)備與監(jiān)控點(diǎn)的視頻監(jiān)控

在球磨機(jī)、分級(jí)機(jī)、圓盤給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)機(jī)尾、自動(dòng)加球機(jī)、原礦渣漿泵等6 處安裝攝像機(jī)。全天候?qū)δサV分級(jí)作業(yè)主要控制點(diǎn)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，操作人員在控制室內(nèi)完成對(duì)所有設(shè)備的監(jiān)控，保障設(shè)備的運(yùn)行安全、減輕操作人員巡查強(qiáng)度。

3.9 設(shè)備連鎖控制及故障監(jiān)測

在系統(tǒng)中按照標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程設(shè)置好開停機(jī)順序及設(shè)備開停機(jī)的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)磨礦分級(jí)作業(yè)的順序控制、聯(lián)鎖控制、優(yōu)化控制，確保整個(gè)磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)置故障報(bào)警模塊。磨礦系統(tǒng)某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)輕微故障時(shí)，會(huì)立即報(bào)警并將信息上報(bào)到控制系統(tǒng)，提示操作人員及時(shí)處理，出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)立即報(bào)警并停車。故障停車時(shí)要按照特定的聯(lián)鎖方式停止與其相關(guān)的設(shè)備，即故障設(shè)備的后續(xù)設(shè)備進(jìn)行局部的聯(lián)鎖控制，按一定順序延時(shí)停車，而其前端的設(shè)備則立即停車，防止物料擠壓皮帶或者損壞其他設(shè)備。確保整個(gè)磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

3.10 中心控制室

將球磨自動(dòng)化系統(tǒng)主機(jī)、控制單元、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)安裝在球磨隔音室內(nèi)。球磨自動(dòng)化系統(tǒng)主機(jī)、控制單元通過網(wǎng)線與交換機(jī)連接，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備啟停及各傳感器控制。球磨自動(dòng)化系統(tǒng)主機(jī)將所采集數(shù)據(jù)通過顯示器顯示。各視頻監(jiān)控點(diǎn)所采集信號(hào)通過網(wǎng)線與交換機(jī)連接并匯入硬盤錄像機(jī)，通過顯示器時(shí)時(shí)顯示監(jiān)測畫面。操作人員只用在控制室內(nèi)通過查看系統(tǒng)信息，有無報(bào)警及數(shù)據(jù)異常即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制及遠(yuǎn)程操作。同時(shí)通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可及時(shí)查看各生產(chǎn)點(diǎn)狀況，大大提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 軟件設(shè)計(jì)

本自動(dòng)化控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到功能的實(shí)用性、操作的便捷性與信息的可視化，并支持生產(chǎn)信息的記錄與輸出。因此設(shè)計(jì)并應(yīng)用了以下幾種主要功能：

（1）系統(tǒng)主畫面的元素顯示功能。系統(tǒng)主畫面可以根據(jù)用戶需要，在菜單中選擇、設(shè)置將某一元素項(xiàng)在主畫面中顯示或隱藏。系統(tǒng)中主要顯示的畫面元素有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤曲線、PLC所有模塊采集信息顯示、模擬量輸出與虛擬儀表基本操作、顯示隱藏日期時(shí)間信息面板、顯示隱藏設(shè)備開關(guān)控制按鈕、顯示隱藏智能儀表控制面板。

（2）模擬量輸出與虛擬儀表功能。系統(tǒng)完全通過PLC來管理控制整個(gè)磨礦自動(dòng)化設(shè)備，將整個(gè)PLC劃分成若干個(gè)虛擬設(shè)備，本窗口中按虛擬設(shè)備顯示整個(gè)磨礦設(shè)備自動(dòng)化的所有采集與控制量信息和數(shù)據(jù)。用戶可以通過此窗口一覽整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

（3）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤曲線功能。顯示當(dāng)前磨礦自動(dòng)化設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中采集的動(dòng)態(tài)溫度、壓力、流量跟蹤曲線。系統(tǒng)對(duì)各傳感器的實(shí)際樣板數(shù)據(jù)值進(jìn)行周期采樣，并且將采樣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示出來，表示當(dāng)前一段時(shí)間的溫度、壓力、流量趨勢圖，從此圖可以看出設(shè)備內(nèi)的運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)參數(shù)。所有數(shù)據(jù)形成一個(gè)隊(duì)列，每當(dāng)采樣一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)首先將隊(duì)列所有數(shù)據(jù)組向后平移，淘汰處于末尾的一組數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)將新的一組數(shù)據(jù)放在隊(duì)列頭部。

（4）記錄數(shù)據(jù)的瀏覽與打印功能。本窗口提供瀏覽當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史記錄數(shù)據(jù)的功能。窗口的標(biāo)題欄同時(shí)顯示所瀏覽數(shù)據(jù)的文件名和儲(chǔ)存路徑。本窗口同時(shí)提供瀏覽局部數(shù)據(jù)及打印數(shù)據(jù)表格的功能，該功能可根據(jù)各班次及時(shí)間打印符合要求的報(bào)表。

（5）查看歷史運(yùn)行跟蹤曲線。運(yùn)行命令后，在文件夾中顯示要查看的記錄文件。本命令支持同時(shí)顯示多個(gè)跟蹤曲線窗口，對(duì)各曲線以顏色進(jìn)行區(qū)分，并加以比較。曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度值、流量值或壓力值。

（6）PLC 調(diào)試窗口。本系統(tǒng)中PLC 負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的順序邏輯及諸多開關(guān)量控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給水、自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)加球、數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障報(bào)警與安全保護(hù)。本窗口提供了可以查看PLC 內(nèi)部任一變量區(qū)，并且可以修改其參數(shù)值的功能。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）金屬回收產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用后，溢流細(xì)度由-200 目占55%～65%提高并穩(wěn)定至68%～72%；使得浮選指標(biāo)改善，金屬回收率提高0.1個(gè)百分點(diǎn)。公司年產(chǎn)鉛金屬按3 500 t、鋅金屬16 000 t計(jì)，鉛單價(jià)按1萬元/t、鋅單價(jià)1.3萬元/t計(jì)，則每年增加銷售收入3 500 t/a×0.1%×1 萬元/t+16 000 t/a×0.1%×1.3萬元/t=24.3萬元/a。

（2）降低選礦成本產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用后，選礦成本降低0.15 元/t，按年處理礦石30萬t 計(jì)，則年生產(chǎn)成本下降0.15 元/t×30 萬t/a=4.5 萬元/a。

因此，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為24.3 萬元/a+4.5 萬元/a=28.8萬元/a。

6 結(jié) 論

（1）震奧鼎盛礦業(yè)有限公司建設(shè)磨礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，球磨機(jī)處理能力略有提高，球磨溢流細(xì)度由-200 目占55%～65%提高并穩(wěn)定至68%～72%，有用礦物的解離度得到顯著提高。

（2）鉛鋅金屬回收率提高、選礦生產(chǎn)單位成本下降等產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)28.8萬元/a。

（3）磨礦系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的改善減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了職工職業(yè)病危害及安全危害系數(shù)。