萬洪濤

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司 焦家金礦，山東 萊州 261441）

1 引言

國內(nèi)某礦山隨著磨礦段的生產(chǎn)能力不斷擴大，現(xiàn)有的破碎機系統(tǒng)因生產(chǎn)效率低和流程穩(wěn)定性差等問題，造成破碎段處理能力無法滿足日益增加的磨礦量需求。因此，急需對破碎過程控制系統(tǒng)實施智能化控制升級，最大程度挖掘現(xiàn)有破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

該礦山選礦廠破碎工藝采用三段一閉路流程，礦石經(jīng)振動放礦機給到顎式破碎機進行粗碎，并經(jīng)1#皮帶運輸機轉(zhuǎn)運至雙層圓振動篩進行洗礦。洗礦篩篩上產(chǎn)物由2#皮帶運輸機輸送到粗腔型圓錐破碎機中進行中碎，中碎及細碎產(chǎn)品由3#和4#皮帶運輸機輸送到預(yù)先檢查篩分分配礦倉，由振動給料機給到雙層圓振動篩進行篩分。篩上產(chǎn)物由5#皮帶運輸機輸送到細腔型圓錐破碎機中進行細碎。洗礦篩篩下產(chǎn)物進入雙螺旋分級機中分級，分級返砂和預(yù)先檢查篩分篩下產(chǎn)物由6#和7#皮帶運輸機運輸至粉礦倉。

上述三段一閉路破碎工藝過程時常因為各級破碎機的負荷及破碎產(chǎn)品粒度分布不合理，導(dǎo)致破碎機的料倉會出現(xiàn)爆滿或空倉的問題，破碎過程不能穩(wěn)態(tài)運行。同時，圓錐破碎機作為破碎流程的核心設(shè)備由于經(jīng)常欠載運行，造成生產(chǎn)效率低下［1］。因此，對破碎過程開展給礦智能化控制技術(shù)研究，特別是圓錐破碎機高效給礦技術(shù)研究具有重要現(xiàn)實意義［2-3］。

2 破碎系統(tǒng)操作分析及控制目標

圓錐破碎機作為破碎流程的核心設(shè)備，其性能主要依賴于功耗、排礦口和給礦的粒度分布與硬度［4］。一般來說，增大圓錐破碎機的給礦量破碎機的功率也要增大。如果增大排礦口，那么在某個特定的給礦量條件下功率就會顯著降低，而產(chǎn)品粒度變粗。若中碎破碎機產(chǎn)出的產(chǎn)品粒度過大，會導(dǎo)致細碎破碎機的篩上返回量逐漸加大，而細碎破碎機上方的料倉料位逐漸加高，會導(dǎo)致細碎破碎機的篩上返回量逐漸加大，又迫使細碎破碎機加大排空口尺寸，輸送到磨礦的合格礦石量反而會降低。如果圓錐產(chǎn)品粒度越細，處理每噸物料所需的能耗就越高，中碎破碎機產(chǎn)出的產(chǎn)品粒度過小，輸送到細碎破碎機的處理量下降，加大能耗，同樣降低破碎生產(chǎn)率，且細碎輸送到磨礦的合格礦石量會降低。此外，圓錐破碎機功率的變化能夠用于確定設(shè)備的過載條件，減少設(shè)備停機頻次，提高運行時間。因此通過調(diào)節(jié)給礦量來控制圓錐破碎機的功率維持在一個比較穩(wěn)定高效的狀態(tài)的是十分必要的［5-8］。

對于破碎流程的振動篩來說，在負荷增大時，振動篩的效率就會降低。我們希望篩子工作具備合理的效率，否則篩子給料中的大量潛在篩下產(chǎn)品就要進入篩上產(chǎn)品并增加循環(huán)負荷，但產(chǎn)量并不相應(yīng)地提高。利用限制給礦量使單個篩子的循環(huán)負荷不大于一個固定值，這在某種程度上能夠克服篩子運行效率太低的問題。

結(jié)合以上分析可知，破碎系統(tǒng)的經(jīng)濟目標是在高產(chǎn)量的條件下生產(chǎn)細粒產(chǎn)品，那就要使控制回路維持最高的安全功耗。本文通過設(shè)計破碎過程給礦來提高破碎過程整體生產(chǎn)效率，降低破碎過程能耗，穩(wěn)定破碎產(chǎn)品質(zhì)量。

3 破碎系統(tǒng)智能給礦控制策略

3.1 圓錐破碎機智能給料控制策略

圓錐破碎機智能給料控制的原則是擠滿給礦，即通過在控制圓錐破碎機設(shè)備功率和控制喂料倉料位之間進行智能選擇切換，來穩(wěn)定破碎機的給料過程、減小斷斷續(xù)續(xù)給料發(fā)生的幾率。具體控制策略可歸納為：

規(guī)則1：當喂料倉料位高于料位高高限，停給料。

規(guī)則2：當喂倉料位高于料位高限，且滿足連續(xù)一段時間或一段時間內(nèi)超過預(yù)置的次數(shù)時，每隔N秒，給料頻率減少△f Hz，直至高限狀態(tài)位復(fù)位，執(zhí)行恒功率（即電流）PID控制。

規(guī)則3：當喂倉料位低于料位低限，且滿足連續(xù)一段時間或一段時間內(nèi)超過預(yù)置的次數(shù)時，每隔N秒，給料頻率增加△f Hz，直至低限狀態(tài)位復(fù)位，執(zhí)行恒功率（即電流）PID控制。

規(guī)則4：破碎機電流超過高高限，停給料。

規(guī)則5：破碎機電流超過高限，執(zhí)行恒功率（即電流）PID控制，將電流拉回設(shè)定值，忽略料位控制。

此外，若頻繁出現(xiàn)電流低于低限且料位高于高限的異常情況（給料頻率已至上限），應(yīng)考慮適當減小電流設(shè)定值（更換襯板初期較常見）；對于偶爾出現(xiàn)的電流超過高限且料位低于低限的異常情況，應(yīng)排查是否由于是破碎腔堵塞或其他機械故障。

3.2 粗中細碎各段負荷協(xié)同控制策略

在解決了圓錐破碎機的給礦控制問題后，破碎各子工序間控制關(guān)系的調(diào)諧是破碎流程負荷均衡控制的核心。在整破碎個流程的物料平衡情況下，各段緩沖料倉料位應(yīng)在一定范圍內(nèi)變化。所以，粗碎、中碎與細碎各段負荷協(xié)同控制主要是控制各段緩沖礦倉料位，既要保證礦倉的緩沖作用，又要對能體現(xiàn)各段負荷匹配情況的料位實現(xiàn)目標范圍內(nèi)的控制。如圖1所示為中碎和細碎間負荷協(xié)同控制過程工藝設(shè)備形象聯(lián)系圖。

圖1 被控過程工藝設(shè)備形象聯(lián)系圖

該被控過程中緩沖料倉料位的高低以及變化趨勢，比較好的反應(yīng)了中碎過程循環(huán)量體積的變化。首先對緩沖料倉料位變化趨勢進行辨識，再根據(jù)中間料倉的緩沖能力進行調(diào)容調(diào)峰，協(xié)調(diào)上下游工序生產(chǎn)負荷與循環(huán)負荷，使得整體破碎流程能夠獲得較為平穩(wěn)的調(diào)諧效果。其控制策略是充分利用料倉的有效容積，在不出現(xiàn)冒頂、打空等事故的前提下優(yōu)先保證循環(huán)負荷的平衡控制效果，通過帶記憶的變結(jié)構(gòu)控制策略實現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)。如圖2所示將料倉料位按照：①危險區(qū)、②調(diào)整區(qū)和③穩(wěn)定區(qū)劃分為5個區(qū)域。針對每個區(qū)間實現(xiàn)不同的控制策略。

圖2 負荷協(xié)同控制分區(qū)示意圖

工況1：若料位處于穩(wěn)定區(qū)③時，給礦機頻率維持不變，以保證流程的穩(wěn)定。此時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

工況2：若料位從穩(wěn)定區(qū)③進入調(diào)整區(qū)②時，說明系統(tǒng)發(fā)生了工況變化，平衡被破壞。此時將通過PID算法調(diào)整給礦機頻率，使液位重新進入穩(wěn)定區(qū)，達成新的平衡后再次進入恒給礦頻率控制。其中，進入新的循環(huán)負荷平衡的標準是料位值在穩(wěn)定區(qū)的中心小幅波動。取達到平衡狀態(tài)后一段時間內(nèi)的輸出頻率平均值作為新的平衡點。

工況3：若料位處于危險區(qū)①且超過料位高高限時，將停止給礦；若低于料位低低限時，將停下游工序給礦機或降頻。

4 破碎過程智能控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

根據(jù)前節(jié)所述破碎智能控制策略，基于LabView軟件平臺，開發(fā)了破碎過程智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與自動化系統(tǒng)的PLC進行數(shù)據(jù)交互，該破碎過程智能控制軟件包括如下幾個功能單元：

（1）圓錐給料智能控制單元。

圓錐給料智能控制單元可以顯示圓錐給料機運行狀態(tài)，圓錐破碎機運行運行電流，料倉料位及排礦口尺寸等參數(shù)。同時可以對圓錐破碎機期望電流、料位及其連鎖上/下限，給料機的運行頻率上/下限進行參數(shù)設(shè)定。當電流控制投用時，可實現(xiàn)對破碎機電流的自動控制；當擠滿給料投用時，可在電流控制的同時，實現(xiàn)對破碎機料倉的料位控制。趨勢圖可以對圓錐的電流和料位控制效果進行實時顯示?，F(xiàn)場應(yīng)用控制曲線見圖3、圖4所示。

圖3 細碎圓錐破碎機電流控制曲線

圖4 細碎圓錐給料控制電流/料位智能選擇狀態(tài)

（2）負荷協(xié)同控制單元。

負荷協(xié)同控制單元主要顯示給料機運行狀態(tài)和中碎料倉料位。同時可設(shè)置中碎料倉期望料位及其連鎖上上限、上限、下限、下下限，給料機的運行頻率上/下限。當中碎料位高于高限或低于低限時，自動調(diào)整過程中指示燈變亮，此時對正在遠程運行的給礦機頻率進行自動調(diào)整，直至控制料位穩(wěn)定在設(shè)定值附近。當中碎料位穩(wěn)定在設(shè)定值附近范圍內(nèi)一段時間后，指示燈熄滅。趨勢圖可以對中碎料倉料位控制效果進行實時顯示。

（3）破碎礦石粒度顯示單元。

以柱狀圖的形式清晰的對比顯示破碎原料、出料及最終篩分產(chǎn)品的粒度分布，以便操作員及時調(diào)整破碎機工作狀態(tài)。

（4）皮帶負荷報警單元。

系統(tǒng)通過皮帶的電流監(jiān)測實現(xiàn)皮帶過負荷運行的預(yù)警。

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，圓錐破碎機智能擠滿給料控制投用以來，單臺圓錐破碎機的平均有效負荷率上升了13.5%，處理能力提升了60t/h，排礦中-12mm占比由55%提升至60%。同時，在達到擠滿給礦狀態(tài)下，可有效提高圓錐破碎機的襯板使用壽命。

5 結(jié)語

針對破碎流程在實際生產(chǎn)運行過程中，圓錐破碎機欠載運行時間長，設(shè)備利用率低，工序間負荷平衡難以控制，流程穩(wěn)定性差的問題，本文設(shè)計并開發(fā)了一套破碎過程智能給礦控制系統(tǒng)。工業(yè)應(yīng)用試驗證明，智能給礦控制系統(tǒng)投入應(yīng)用后，圓錐破碎機運行負荷率顯著提高，在保證破碎產(chǎn)品粒度質(zhì)量達標的同時，降低了給料沖擊對破碎機部件造成的損耗，有效的提高了設(shè)備的使用壽命。