曾令揮，賈布衣，宋曉梅

（1.宜春鉭鈮礦有限公司，江西 宜春 336000；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102600；3.礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600；4.礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600）

1 引言

選礦自動(dòng)化是利用現(xiàn)代的信息檢測技術(shù)，對選礦各作業(yè)流程進(jìn)行自動(dòng)化管控的過程［1］。選礦自動(dòng)化技術(shù)誕生于20世紀(jì)40年代初期，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，極大地改變了傳統(tǒng)選礦技術(shù)落后的情況。在傳統(tǒng)的選礦生產(chǎn)中，工人憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，對生產(chǎn)過程的控制既不精確又不及時(shí)，所以很難獲得較好的生產(chǎn)指標(biāo)。選礦自動(dòng)化控制能夠及時(shí)準(zhǔn)確地指示選礦生產(chǎn)過程中各參數(shù)的變化，根據(jù)所測結(jié)果，準(zhǔn)確、及時(shí)地對有關(guān)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。選礦自動(dòng)化提高了選礦指標(biāo)，節(jié)約了能源消耗，改善了工作條件［2］。近年來，新發(fā)展起來的選礦自動(dòng)化技術(shù)能夠綜合考慮選礦過程中各項(xiàng)影響因素，能夠隨著入選礦石性質(zhì)的變化而自動(dòng)改變對各變量的控制，使選礦指標(biāo)達(dá)到最佳值。

選礦廠采用自動(dòng)控制技術(shù)以后一般可顯著提高設(shè)備的生產(chǎn)能力和勞動(dòng)生產(chǎn)率，并能有效降低生產(chǎn)成本，減少能源消耗，同時(shí)能顯著提高選礦回收率等生產(chǎn)指標(biāo)。因此實(shí)現(xiàn)選礦工藝過程自動(dòng)化、智能化控制，對發(fā)展我國國民經(jīng)濟(jì)，提高工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，具有重要意義［3］。

2 鐘家市選廠流程和設(shè)備特點(diǎn)

宜春鉭鈮礦鐘家市選礦廠建于2013年， 設(shè)計(jì)日處理量為4500t，按功能分成破碎篩分段、磨礦重選段和綜合回收段三個(gè)部分。破碎篩分段包括粗碎車間、中碎車間、細(xì)碎車間、篩分車間和轉(zhuǎn)運(yùn)車間，原礦倉內(nèi)的礦石首先在粗碎車間被顎式破碎機(jī)破碎，粗碎后的粒度在40mm以下的合格礦石進(jìn)入中碎圓錐破碎機(jī)進(jìn)行中碎，中碎后粒度在10mm以下的合格礦石進(jìn)入細(xì)碎圓錐破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)碎。然后礦石經(jīng)過篩分和轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)入粉礦倉。

磨礦重選段主要有磨礦和重選兩大流程。其中，礦石從粉礦倉內(nèi)經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)和皮帶輸送機(jī)運(yùn)至磨礦流程，磨礦流程采用棒磨加球磨兩段磨礦，然后經(jīng)螺旋分級機(jī)分級后進(jìn)入重選流程；重選流程利用螺旋溜槽和搖床進(jìn)行三段重選，重選的產(chǎn)品是鉭鈮精礦，尾礦進(jìn)入綜合回收段進(jìn)行再次回收。

綜合回收段對磨礦重選段的尾礦進(jìn)行回收利用，尾礦經(jīng)變頻渣漿泵送至水力旋流器，利用水力旋流器和浮選機(jī)進(jìn)行分級，并經(jīng)過不同的帶式過濾機(jī)過濾，產(chǎn)生鋰云母、粗粒和細(xì)粒長石三種產(chǎn)品。

自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施前，現(xiàn)場工藝設(shè)備如振動(dòng)給料機(jī)、螺旋分級機(jī)和磁選機(jī)等設(shè)備均沒有遠(yuǎn)程控制接口，球磨機(jī)、圓錐破碎機(jī)等大型設(shè)備各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，無統(tǒng)一集中監(jiān)控。

3 建設(shè)目標(biāo)和方案

選礦自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是在完善選礦關(guān)鍵工藝設(shè)備基礎(chǔ)上，對破碎、磨礦重選、及綜合回收過程中的關(guān)鍵工藝狀態(tài)及指標(biāo)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，建立選礦全流程KPI指標(biāo)控制系統(tǒng)，使廠礦企業(yè)從單一設(shè)備、簡單流程的基礎(chǔ)自動(dòng)化應(yīng)用開發(fā)轉(zhuǎn)向智能化、信息化、管控一體、全流程綜合自動(dòng)化方向推進(jìn)。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度和管理,使整個(gè)選礦生產(chǎn)過程處于最佳狀態(tài),最大限度地提高產(chǎn)量精礦品位和金屬回收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗的目的。

選礦全流程KPI指標(biāo)控制系統(tǒng)可以為生產(chǎn)管理與決策人員提供輔助決策與分析工具，該系統(tǒng)主要分為兩層。上層為全流程綜合指標(biāo)監(jiān)控模塊，以穩(wěn)定和提升選廠生產(chǎn)指標(biāo)、降低生產(chǎn)能耗為目標(biāo)。下層為選礦流程自動(dòng)控制層，將全流程生產(chǎn)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為各工序的工藝指標(biāo)目標(biāo)，并對工藝生產(chǎn)指標(biāo)與生產(chǎn)操作的實(shí)際值進(jìn)行監(jiān)視，為全流程協(xié)調(diào)優(yōu)化和調(diào)整提供反饋信息。

3.1 全流程綜合指標(biāo)監(jiān)控層建設(shè)

全流程綜合指標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，以生產(chǎn)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為中心，采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)生產(chǎn)手工錄入數(shù)據(jù)如化檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理系統(tǒng)及時(shí)提供真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)選礦生產(chǎn)過程基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)，并進(jìn)行多時(shí)間尺度（時(shí)、日、月等）運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)以及Web瀏覽，同時(shí)可對化檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行人工錄入［4］。全流程綜合指標(biāo)監(jiān)控層包括如下子系統(tǒng)：

自動(dòng)化計(jì)量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)可對生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)的無縫集成。該系統(tǒng)可自主性的對生產(chǎn)過程中的海量過程數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)處理，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)礦、水、電、設(shè)備運(yùn)時(shí)、關(guān)鍵工藝參數(shù)、生產(chǎn)材料消耗等。

工藝參數(shù)計(jì)量統(tǒng)計(jì)模塊對破碎、磨浮等各工段的關(guān)鍵過程參數(shù)進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)，包括品位、流量、功率、粒度、濃度、壓力、液位、料位等，可以監(jiān)測各工序的關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)是否穩(wěn)定平衡，也是流程進(jìn)一步優(yōu)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

電能計(jì)量統(tǒng)計(jì)模塊對各工段的主要耗電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如粗碎、中細(xì)碎、球磨水泵等用電統(tǒng)計(jì)。包括班、日、月等不同時(shí)間段內(nèi)的電量統(tǒng)計(jì)，形成了電能消耗與節(jié)能分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

生產(chǎn)材料統(tǒng)計(jì)模塊對浮選藥劑消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可及時(shí)監(jiān)視藥劑單耗是否均衡。

設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)模塊對各工段主體生產(chǎn)設(shè)備與輔助設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要是對關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備如圓錐破碎機(jī)、球磨機(jī)、浮選機(jī)等的運(yùn)行時(shí)間或帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并監(jiān)視設(shè)備的累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)率。

3.2 選礦流程自動(dòng)控制層建設(shè)

全流程自動(dòng)控制層涵蓋了所有選礦過程，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵工藝點(diǎn)及設(shè)備的在線檢測；在此基礎(chǔ)上建立全廠DCS系統(tǒng)和生產(chǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)選礦生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。

圖1 全流程綜合指標(biāo)監(jiān)控層電能計(jì)量子系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，通過安裝物位計(jì)、流量計(jì)、濃度計(jì)、皮帶秤等檢測儀表實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，為實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)不落地”，建立了全廠范圍的數(shù)據(jù)采集中心，該系統(tǒng)采用西門子冗余控制系統(tǒng)同時(shí)配置了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器等，采用經(jīng)典的3+2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［5］，能夠快速實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)等功能，并對異常的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)架構(gòu)圖

DCS系統(tǒng)的建立能夠使操作人員、管理人員全面掌握生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)了集中控制，通過連鎖保護(hù)程序、回路控制等手段，有效降低了現(xiàn)場生產(chǎn)事故，穩(wěn)定工藝指標(biāo)，建設(shè)的DCS畫面如圖3所示。

圖3 DCS工藝流程圖

工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是生產(chǎn)管理和安全的一個(gè)補(bǔ)充手段，其作為選礦全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)輔助手段，可為控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮起到重要作用。因此，為了更直觀的掌握現(xiàn)場情況，本項(xiàng)目建立了覆蓋全流程的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 視頻系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 控制功能設(shè)計(jì)

4.1 破碎過程控制

破碎過程的特點(diǎn)是工藝設(shè)備較多且非常分散，人工操作和設(shè)備管理的難度較大。故控制目標(biāo)是在保證設(shè)備和流程安全的基礎(chǔ)上，提高破碎效率，降低單位礦石破碎能耗。

（1）連鎖與保護(hù)控制。在實(shí)施控制過程中，為實(shí)現(xiàn)碎礦流程的逆序開車，順序停車，首先集成振動(dòng)放礦機(jī)、皮帶、圓錐破碎機(jī)、除塵器、振動(dòng)篩等設(shè)備的運(yùn)行信號和控制信號，在操作界面上進(jìn)行集中監(jiān)控、管理和啟停；其次實(shí)現(xiàn)一鍵連鎖起停，故障連鎖停車等功能。

（2）圓錐破碎機(jī)擠滿給料控制。圓錐破碎機(jī)在正常生產(chǎn)時(shí)要求擠滿給礦，即機(jī)腔料位要高出分料頭300mm左右，此時(shí)破碎機(jī)處理量最大，處于最佳工作狀態(tài)。

給礦控制的目標(biāo)就是要保證擠滿給礦率，即破碎機(jī)擠滿給礦運(yùn)行時(shí)間與總運(yùn)行時(shí)間之比應(yīng)在80%以上。為此，采用料位計(jì)檢測料腔料位，同時(shí)檢測圓錐破碎機(jī)的運(yùn)行功率，對圓錐破碎機(jī)的給礦實(shí)行分段控制原則，實(shí)現(xiàn)擠滿給料，具體來說就是當(dāng)破碎機(jī)的料腔料位在正常的范圍之內(nèi)時(shí)，采用破碎機(jī)的功率對給礦進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，保證圓錐破碎機(jī)功率的恒定，當(dāng)料腔料位超出正常范圍時(shí)，通過料位對給礦進(jìn)行粗放式調(diào)節(jié)，使料腔料位回歸到正常的工作范圍內(nèi)。通過擠滿給礦，從而可以極大的發(fā)揮圓錐破碎機(jī)的效能，也減少電能的損耗。

4.2 磨礦分級過程控制

磨礦分級流程是選礦的重點(diǎn)流程，也是選礦流程中的耗能大戶，磨礦分級流程如果生產(chǎn)指標(biāo)不穩(wěn)，將極大影響整個(gè)選礦生產(chǎn)指標(biāo)、效率和成本［6］ 。磨礦分級是全流程自動(dòng)化實(shí)施的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

（1）球磨機(jī)恒定給礦控制。球磨機(jī)的給礦量控制穩(wěn)定、合理是保證球磨機(jī)正常運(yùn)行最為重要的因素，同時(shí)它也是實(shí)現(xiàn)磨機(jī)優(yōu)化給礦控制的基礎(chǔ)?；驹硎峭ㄟ^將皮帶秤測量的瞬時(shí)礦量與給礦量設(shè)定值構(gòu)成閉環(huán)，自動(dòng)調(diào)節(jié)給礦機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)礦量對設(shè)定值的跟隨。下料口距離皮帶秤遠(yuǎn)等因素給礦量控制帶來很多干擾因素，因此對控制算法的細(xì)節(jié)處理要求很高，控制策略中會(huì)綜合下料口的位置、皮帶速度、變頻器頻率升降速度等影響出料的參數(shù)，通過每個(gè)下料口控制參數(shù)的精細(xì)設(shè)置盡可能達(dá)到不空帶、不重疊的效果。在給礦設(shè)備工作正常的前提下，給礦控制精度可達(dá)到±4%以內(nèi)。

（2）球磨機(jī)比例給水控制。合理的磨礦濃度是提高磨機(jī)磨礦效率的關(guān)鍵條件，根據(jù)球磨機(jī)給礦量實(shí)現(xiàn)給水量的比例控制方法是一種有效的控制手段。球磨機(jī)入口給水量控制通過電磁流量計(jì)、控制系統(tǒng)的PID回路、調(diào)節(jié)閥構(gòu)成一個(gè)恒定給水閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于磨機(jī)正常工作需要保證一定的濃度范圍，所以給水量必須與給礦量成比例，因此給水量的設(shè)定值需要受給礦量的控制。

（3）泵池液位/旋流器壓力控制。水力旋流器溢流礦漿是磨礦分級作業(yè)生產(chǎn)的最終產(chǎn)品，其最終產(chǎn)品粒度受水力旋流器進(jìn)料礦漿壓力的影響極大，他的入口壓力的穩(wěn)定，直接影響到旋流器的分級篩選效果。

生產(chǎn)工藝還對水力旋流器進(jìn)料礦漿濃度的穩(wěn)定有很高的要求。水力旋流器進(jìn)料礦漿濃度過高，溢流礦漿粒度過粗，影響浮選指標(biāo)；進(jìn)料礦漿濃度過低，溢流礦漿粒度過細(xì)，出現(xiàn)過磨，降低了磨礦效率，同時(shí)旋流器溢流礦漿被泥化，影響浮選指標(biāo)。在磨礦回路中，旋流器入口礦漿濃度要求維持在工藝要求的范圍內(nèi)，這需要通過調(diào)節(jié)磨礦泵池的給水流量來實(shí)現(xiàn)。這些工藝參數(shù)之間又存在著相互關(guān)聯(lián)，相互制約的關(guān)系。

為了更好實(shí)現(xiàn)重要工藝參數(shù)的穩(wěn)定，選取更能體現(xiàn)工藝現(xiàn)狀的技術(shù)參數(shù)來調(diào)節(jié)。我們選擇控制泵池液位的穩(wěn)定來調(diào)節(jié)給水量，來配合砂漿泵的調(diào)節(jié)。

鑒于對于影響旋流器入口壓力穩(wěn)定的擾動(dòng)因素較多，并且各個(gè)擾動(dòng)因素之間的關(guān)聯(lián)程度很高。為了滿足生產(chǎn)工藝對于工況穩(wěn)定的需求，重點(diǎn)引入復(fù)雜控制算法。在穩(wěn)定工況的前提下，盡量實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝指標(biāo)的控制精度?？刂破鳛楸贸匾何坏目刂圃O(shè)定值通過設(shè)定高低限位的方式設(shè)置了一個(gè)區(qū)間。當(dāng)液位在此區(qū)間波動(dòng)時(shí)，泵池的渣漿泵的跟隨旋流器入口壓力調(diào)整泵速，穩(wěn)定旋流器入口壓力。當(dāng)液位高于或者低于上下限值時(shí)，渣漿泵的泵速不做調(diào)整，以穩(wěn)定泵池液位為主。此時(shí)，以泵池液位設(shè)定值為基準(zhǔn)，通過PID算法調(diào)節(jié)磨礦泵池的給水流量，以穩(wěn)定泵池液位。

5 總結(jié)

宜春鉭鈮礦鐘家市選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的同步快速反饋，為生產(chǎn)管理與操作人員提供了生產(chǎn)過程量化數(shù)據(jù)和指標(biāo)決策分析工具，提高了選礦生產(chǎn)操作的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，提高了處理能力和金屬回收率。依靠新一代信息技術(shù)，在生產(chǎn)、運(yùn)營、維護(hù)、技術(shù)改造等方面實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化和智能化，有效解決選礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境惡劣、成本高昂、能源利用率低等問題。真正從本質(zhì)上提升選礦生產(chǎn)的核心競爭力，是在當(dāng)前選礦成本高企的環(huán)境下，降低選礦成本，提高選礦效率，激發(fā)企業(yè)活力的必由之路。