陳典助
(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410019)
隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,我國對礦產(chǎn)資源的需求量與日俱增。為了解決資源緊缺和需求的矛盾,許多老礦山選擇了挖潛改造和精細化管理,以做到“能收則收,應收盡收”,而實施智能化礦山與選礦自動化建設是必然選擇。選礦自動化自20世紀中期逐步投入使用以來,選礦過程在線分析檢測與控制技術、選礦廠建模仿真技術取得突破性的新進展[1],一些新的控制理論也在不斷推陳出新,選礦過程的優(yōu)化控制理論也日趨完善;21世紀以來,伴隨著計算機技術水平的提高和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展,將數(shù)字化、智能化的傳感器通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)多方向、多變量的數(shù)據(jù)通訊,取代傳統(tǒng)的傳感器單方向、單變量的輸入、輸出[2],使得自動化技術研究與設計在選礦廠得到了穩(wěn)步推廣[3-5]。據(jù)統(tǒng)計,采用自動化控制的選礦廠產(chǎn)量提高了2.5%~10.0%,選別每噸礦石節(jié)省電能0.4~1.4 kW·h。如湖北三鑫金銅股份有限公司實現(xiàn)磨礦自動化改造后,年產(chǎn)量提高了29%,在原礦金銅品位有所降低的情況下,礦山銅增產(chǎn)1 400 t,礦山金增產(chǎn)170 kg[6];贊比亞謙比西銅礦自動化改造后,原礦年處理提高了6%,銅精礦回收率由90.75%提高到92.04%,銅精礦產(chǎn)量提高了7.6%[7-8];選礦自動化在甘肅金輝礦業(yè)有限公司也取得了成功應用[9]。 總之,選礦自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代選礦過程控制與提效必不可少的因素之一[10-11]。凡口鉛鋅礦為適應互聯(lián)網(wǎng)控制技術的新發(fā)展,5 000 t/d選礦廠技術升級改造工程開展了高標準自動化建設,本文從建設標準、自動化系統(tǒng)與框架、儀器儀表選擇等方面介紹了選礦廠自動化工程設計與實踐經(jīng)驗,為提升資源加工行業(yè)的選礦自動化控制技術提供借鑒。
凡口鉛鋅礦位于廣東省仁化縣,是我國著名的鉛鋅礦基地,該礦目前是國內(nèi)外指標最優(yōu)、效益最好的綠色環(huán)保型大型地下開采的鉛鋅礦山之一。凡口鉛鋅礦自1965年開始建設,歷經(jīng)硫化礦電位調(diào)控浮選、快速分支浮選、新四產(chǎn)品工藝技術和選礦廢水綜合利用等多次技術改造[12],2008年該礦山基本達到日采選鉛鋅礦石5 500 t。選礦廠磨浮車間形成三個系列,選用高堿電位調(diào)控浮選工藝流程,生產(chǎn)高鉛精礦、高鋅精礦、鉛鋅混合精礦、高硫精礦等產(chǎn)品[13],主要生產(chǎn)統(tǒng)計指標見表1。
表1 凡口鉛鋅礦選礦廠流程改造前主要生產(chǎn)統(tǒng)計指標Table 1 Main statistic production quota of Fankou Lead-zincMine Concentrator before flowsheet-reformed
選礦廠改造工程主要目的,一是提升產(chǎn)品競爭力和附加值,新建選礦廠不再生產(chǎn)鉛鋅混合精礦,主要設計指標見表2;二是提高選礦廠裝備與自動化控制水平,新建一條日處理鉛鋅硫礦石5 000 t的磨礦浮選廠,替代三個系列的老磨礦浮選廠,實現(xiàn)減員增效。
表2 凡口鉛鋅礦選礦廠流程改造后主要設計指標Table 2 Main design quota of Fankou Lead-zincMine Concentrator after flowsheet-reformed
主要的技術改造工程包括:改造洗礦車間,新建原礦光選智能拋廢系統(tǒng)、磨浮車間(半自磨、球磨、鉛鋅浮選)、礦泥濃縮車間、藥劑制備車間、石灰乳制備貯存車間、水處理車間,其他硫浮選、精礦濃縮過濾、尾礦輸送利用原有設施。 選礦廠總平面布置見圖1。
圖1 凡口鉛鋅礦選礦廠總平面布置圖Fig.1 General layout of Fankou Lead-zinc Mine Concentrator
凡口鉛鋅礦5 000 t/d選礦廠技術改造升級工程中選礦綜合自動化控制系統(tǒng)包括:DCS系統(tǒng)、選礦專家系統(tǒng)、選廠信息化系統(tǒng)、選廠工業(yè)視頻系統(tǒng),以及系統(tǒng)的集成設計,總體構成詳見圖2。
自動化建設目標定位為生產(chǎn)監(jiān)控集成化、操作智能化、管理精細化,信息化系統(tǒng)要融合選廠三電一體化、管控一體化等特點,實現(xiàn)無紙化流程管理。
本工程流程內(nèi)生產(chǎn)設備較多,為了保證網(wǎng)絡高速、平穩(wěn)運行,控制系統(tǒng)采用分散控制和集中管理的分布式控制模式,在磨浮車間副跨設計自動化系統(tǒng)中央控制室。DCS系統(tǒng)設置4套冗余主控站,并預留擴展余地。
1) 冗余洗礦主控站。安裝在洗礦車間操作控制室,管轄洗礦、礦泥濃縮、頑石破碎、原礦倉、原礦光選智能拋廢系統(tǒng)。
2) 冗余磨浮主控站。位于中央控制室,管轄磨礦、鉛鋅浮選、石灰乳制備、藥劑制備與添加、補加水系統(tǒng)。
3) 全廠電力主控站。位于中央控制室,管轄全廠8個車間配電室,負責各配電間一次主回路斷路器開、合狀態(tài)位以及主回路、分支路能源數(shù)據(jù)(電度、功率、電流等)的采集。
4) 冗余選硫及精礦脫水主控站。安裝在選硫車間控制室,管轄選硫系統(tǒng)、精礦脫水系統(tǒng)、選礦廠回水及水處理系統(tǒng)、尾礦輸送系統(tǒng)。
DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡結構采用經(jīng)典三層模式[14-15]:車間設備層、控制層、監(jiān)控層(圖3)。系統(tǒng)網(wǎng)絡采用兩種網(wǎng)絡形式:監(jiān)控層與控制層之間采用工業(yè)以太網(wǎng),控制層與車間設備層采用Profibus-DP現(xiàn)場總線。
1) 車間設備層。主要責任是采集數(shù)據(jù),包括所有機電設備和在線檢測儀器儀表、執(zhí)行機構、成套設備等。電氣與儀器儀表通過分布式I/O數(shù)據(jù)采集站將所有設備狀態(tài)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)都讀入到控制系統(tǒng)中。成套設備通過現(xiàn)場總線接入系統(tǒng),I/O站位于各車間低壓配電室中,通過現(xiàn)場總線將所有數(shù)據(jù)送至控制層的主控制站。
2) 控制層。主要責任是控制和操作,實時控制和動態(tài)計算由主控制站完成。所有來自I/O站的數(shù)據(jù)經(jīng)過總線網(wǎng)絡連入主控制站,該站實時運行所有關于生產(chǎn)的邏輯控制和回路控制。
3) 監(jiān)控層。以瀏覽和操作生產(chǎn)數(shù)據(jù)為主,主要由各車間操作員站組成,通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制站進行數(shù)據(jù)的傳遞和互通。監(jiān)控層采用點對點通訊與C/S通訊相結合的模式。
DCS系統(tǒng)選用西門子最新的PCS7過程控制系統(tǒng),V8.2正版授權亞洲版。4套主控站選用了西門子最新的CPU410-5H冗余控制站。
1) 分布式I/O站?,F(xiàn)場控制站采用分布式I/O站通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與主控制器進行實時通訊,它的主要功能是采集現(xiàn)場I/O信號,通過I/O信號接口模塊將現(xiàn)場數(shù)字量或模擬量信號傳送到主控制站,同時將主控制器發(fā)送來的控制信號送至現(xiàn)場。
2) 工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)設計采用工廠網(wǎng)與終端網(wǎng)兩層網(wǎng)絡,可以確保本系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。各主控站與服務器站、工程師站、單操作站之間采用1 000 Mbps單模工業(yè)以太雙環(huán)網(wǎng),服務器與客戶機之間采用1 000 Mbps單模工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。
系統(tǒng)設計的快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)在物理層上采用高防護等級的光纖傳輸,網(wǎng)絡為光纖冗余環(huán)網(wǎng)結構。工業(yè)以太網(wǎng)卡件上配有CPU,可獨立處理通信信號,為用戶提供高水平的通信方案。
3) 現(xiàn)場總線網(wǎng)。在PCS7系統(tǒng)中,中央控制器與現(xiàn)場I/O站、智能DP機電設備、第三方DP成套設備等通過Profibus-DP互相進行通訊,但粒度分析儀與品位分析儀采用了Modbus-TCP/IP總線協(xié)議。
4) 服務器、操作站。DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器、工程師站和操作員站配置了西門子SIMATIC IPC547E系列工作站,可保證設備在5~40 ℃的環(huán)境溫度下連續(xù)可靠運行。服務器可為整個控制系統(tǒng)的客戶端提供數(shù)據(jù)通訊,數(shù)據(jù)存儲,報警和趨勢數(shù)據(jù)處理,支持通用的編程軟件、數(shù)據(jù)庫定義、備份、文件/程序管理等。
5) 工程師站。工程師站能執(zhí)行普通操作站的所有功能。通過工程師站,可對系統(tǒng)各個級別的所有設備可進行在線組態(tài)或重新下裝,而且不會造成干擾或影響系統(tǒng)正常運行操作。通過配置全套工程師軟件和授權,可進行部分程序離線加載,但對正常操作不會產(chǎn)生影響。工程師站系統(tǒng)預先配置了VB語言、C語言、BASIC語言等控制模塊,以執(zhí)行高級別語言編寫的程序,系統(tǒng)還具備程序校驗功能。
該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)在中控室計算機上顯示供配電一次主回路的開/合閘狀態(tài)和主回路電力儀表的參數(shù),而且實現(xiàn)在中控室遠程控制供配電一次主回路的開/合閘,讀取供配電能源數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭x礦廠信息化系統(tǒng)和凡口鉛鋅礦已建PVSS能源管理系統(tǒng)。
1) 高壓綜保后臺。高壓綜保后臺通訊協(xié)議采用Modbus-TCP/IP,通過通訊管理機接入DCS系統(tǒng)工廠網(wǎng),經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)送入礦區(qū)已建PVSS能源管理系統(tǒng)和選廠信息化系統(tǒng)。
2) 低壓配電系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)主要實現(xiàn)各配電間一次主回路斷路器開合狀態(tài)位檢測以及主回路、分支路能源數(shù)據(jù)的采集,設計了一套冗余控制子站無縫接入新建選廠DCS系統(tǒng),由DCS系統(tǒng)工程師站統(tǒng)一管理。
為了有效提高磨礦效率和浮選指標,實現(xiàn)智能選礦,需要建立模糊控制程序,由模糊控制器對各種信號參數(shù)進行自動計算,并相互協(xié)調(diào),從而實現(xiàn)磨礦、分級、浮選最佳效果。通過大量的調(diào)查與研究,SABC碎磨流程與鉛鋅浮選流程專家系統(tǒng)選擇引進美卓礦機(Metso)OCS?自適應控制專家系統(tǒng)軟件包。
OCS?軟件可以自動從DCS數(shù)據(jù)庫中讀取信息,并使用各種先進的技術確定新的設定值,一般每分鐘進行幾次,設定值會不斷力求實現(xiàn)策略目標,該軟件可以在實現(xiàn)瞄準技術和經(jīng)濟指標的同時還保持所需產(chǎn)品質(zhì)量。
OCS?軟件在一體化結構內(nèi)嵌入了對選礦設備的優(yōu)化控制具有很大價值的模塊,具體如下所述。
1) 模糊專家模塊。模糊專家模塊是一個實時專家系統(tǒng),帶有一個推理引擎,內(nèi)置明確與模糊邏輯推理和一個知識庫,為OCS?應用軟件的核心。
2) 軟傳感器模塊。軟傳感器模塊帶有4個自適應預測模型,該模型由自適應動態(tài)工藝模型組成,用戶可以使用Visual Basic開發(fā)新的模型。
3) 優(yōu)化器模塊。優(yōu)化器模塊采用功能強大的約束SQP(順序二次規(guī)劃)算法。
4) 神經(jīng)網(wǎng)絡模塊。神經(jīng)網(wǎng)絡模塊允許使用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡對抽象工藝進行黑盒建模。
5) 圖像模塊。VisioFroth?模塊用于泡沫浮選設備,VisioRockTM模塊用于半自磨和球磨磨礦工藝。
6) AudioMill?模塊。該模塊用于對從麥克風傳來的信號進行頻譜分析,對SAG磨機產(chǎn)生的噪聲進行分析,監(jiān)控半自磨的工作狀態(tài)并對磨機速度和給料進行調(diào)整。
Metso專家控制系統(tǒng)配置的高級傳感器可以根據(jù)需要選擇,但傳感器的算法集成在OCS?軟件內(nèi),本次建設選用的傳感器包括以下幾方面。
1) 塊度成像儀。VisioRockTM模塊能夠在線檢測給料的粒級分配和其他礦石特性,半自磨的最大通過量是受到給料粒級分配影響的,通過在線檢測技術,可以使磨機始終運行在最優(yōu)狀態(tài)下。
2) 磨音分析儀。AudioMill模塊與傳統(tǒng)的電耳相比能產(chǎn)生更多的有用信息,可以直接檢測破碎力度的聲音分析技術。該項技術在提早發(fā)現(xiàn)磨機過載和欠載方面作用明顯。
3) 泡沫成像分析儀。VisioFrothTM模塊的作用是確保浮選槽內(nèi)泡沫的產(chǎn)生量和移動速度處于合理的范圍。
通過參數(shù)智能決策、優(yōu)化磨礦條件,在保證磨礦產(chǎn)品產(chǎn)量和細度的雙重條件下,提高原礦處理量3%。
通過參數(shù)智能決策、優(yōu)化浮選條件,在處理原礦5 000 t/d和磨礦產(chǎn)品細度的條件下,提高鉛精礦中鉛回收率0.1%~0.5%、鋅精礦中鋅回收率0.1%~0.5%。
選礦廠信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)以自動化系統(tǒng)建立的控制主干網(wǎng)、視頻信息主干網(wǎng)、現(xiàn)有企業(yè)局域網(wǎng)為基礎,開發(fā)建立,相互可進行網(wǎng)絡互聯(lián)互通,既能實現(xiàn)選廠管控一體化,又能實現(xiàn)信息綜合集成,為建立廠級的生產(chǎn)管理MES系統(tǒng)奠定了基礎。
MES系統(tǒng)涵蓋凡口鉛鋅礦選廠生產(chǎn)的新建與利用原有的各車間、工序,全面實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到統(tǒng)計分析的生產(chǎn)管理,深度融合信息化與自動化技術,實現(xiàn)企業(yè)“數(shù)據(jù)采集-跟蹤分析-綜合診斷-決策支持”數(shù)據(jù)鏈,提高生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率,輔助經(jīng)營決策。
MES系統(tǒng)業(yè)務功能設計只限于選礦廠生產(chǎn)管理范疇,包括生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)能源管理、生產(chǎn)設備管理、生產(chǎn)工藝管理、生產(chǎn)指標管理。
MES系統(tǒng)劃分為基礎數(shù)據(jù)平臺、業(yè)務功能系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信接口三大部分。
1) 系統(tǒng)結構。MES系統(tǒng)設置二層網(wǎng)絡結構:車間監(jiān)控層為接入層,所有生產(chǎn)車間級控制系統(tǒng)均為接入層,實現(xiàn)車間級監(jiān)控層數(shù)據(jù)信息傳輸功能,并通過光纜與第二層——核心層連接。核心層交換機第一路連接到MES系統(tǒng)的五臺服務器;第二路通過防火墻與接入層連接,為生產(chǎn)車間級控制系統(tǒng)所用;第三路通過防火墻連接到選礦廠辦公樓計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。
2) 硬件平臺。MES系統(tǒng)硬件包括實時數(shù)據(jù)服務器、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)服務器、應用/WEB服務器、工程師站、調(diào)度管理操作站、工業(yè)交換機等。實時數(shù)據(jù)服務器:系統(tǒng)配置2臺服務器,主要用于完成數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制,負責存儲實時數(shù)據(jù)和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù);實時服務器安裝數(shù)據(jù)采集SCADA軟件和實時數(shù)據(jù)庫軟件;系統(tǒng)軟件通過信息網(wǎng)絡接收現(xiàn)場采集數(shù)據(jù),并能將這些數(shù)據(jù)壓縮后存儲到服務器中。生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)服務器:系統(tǒng)配置2臺數(shù)據(jù)服務器,負責和實時數(shù)據(jù)庫通訊,主要用于歷史數(shù)據(jù)的歸檔和存儲、部分重要工藝數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)、能源管理過程信息數(shù)據(jù)的存貯,為MES系統(tǒng)提供全面、重要的能源分析基礎。工程師站:系統(tǒng)配置1臺工程師站,完成MES信息化系統(tǒng)的管理和程序修改擴展等編輯工作。通過工程師站可以使系統(tǒng)維護人員能夠在調(diào)度中心對整個MES系統(tǒng)的計算機軟硬件進行配置和異常處理。理操作站:系統(tǒng)配置3臺管理操作站用于操作管理人員完成整個生產(chǎn)的調(diào)度和指揮,包括生產(chǎn)過程監(jiān)控,調(diào)度管理、能源管理及其他綜合管理等崗位操作站。
1) MES系統(tǒng)與高壓綜保后臺的接口。采用Modbus-TCP/IP通訊協(xié)議,通過DCS系統(tǒng)工廠網(wǎng)讀取有關數(shù)據(jù)。
2) MES系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的通訊接口。選礦廠DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過OPC通訊,自動存儲到MES系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫。
3) MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)(企業(yè)資源計劃系統(tǒng))的接口。選礦廠MES系統(tǒng)中考慮了與凡口鉛鋅礦、中金嶺南集團公司信息化系統(tǒng)的國際標準通訊接口。
結合選礦廠自動化控制系統(tǒng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng),設計了一套工業(yè)視頻監(jiān)視系統(tǒng)和一套液晶拼接屏顯示系統(tǒng),實現(xiàn)對重要崗位、重點設備及選廠安防區(qū)域進行監(jiān)控。
根據(jù)現(xiàn)場條件,在廠房范圍內(nèi)設置60個視頻監(jiān)控點。系統(tǒng)由前端視頻采集設備、網(wǎng)絡傳輸設備、存儲設備、解碼設備、管理控制設備、監(jiān)控平臺軟件、LCD拼接大屏幕顯示設備等組成。
中央控制室設置視頻服務器、解碼功能一體圖像處理器,車間操作室設置視頻客戶端,實現(xiàn)播放控制、回放管理、字幕疊加、畫面輪切、錄像存儲、錄像備份、時鐘同步、用戶管理、語音對講、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)等管理控制功能。
在中央控制室設計兩套55寸LCD液晶拼接屏顯示系統(tǒng)和一套LED雙基色顯示屏。工業(yè)視頻系組成及功能分區(qū)如圖4所示。
圖4 工業(yè)視頻系統(tǒng)組成及功能分區(qū)圖Fig.4 Composition and function division ofindustrial video system
LCD液晶拼接屏兩套,一套拼接規(guī)模為3(行)×4(列),另一套拼接規(guī)模為3(行)×8(列),兩套拼接屏合并安裝。建成后的中央控制室效果圖如圖5所示。
圖5 中央控制室現(xiàn)場照Fig.5 Photos of automatic central control center
1) 原礦計量。不僅在半自磨機的給料膠帶上安裝了進口電子皮帶秤,對磨礦給料進行精準計量;還在磨礦產(chǎn)品的排料管上安裝了微波密度計U-ICC2.45、聲吶流量計SONARtra VF-100,對浮選的給料進行精準計量,二者形成比較,通過計算機機智能修正。
2) 產(chǎn)品粒度。主要檢測原礦磨礦產(chǎn)品粒度、鉛粗精礦再磨產(chǎn)品粒度、鋅粗精礦再磨產(chǎn)品粒度,選用了奧圖泰(Autotec)粒度分析儀PSI300I。
3) 產(chǎn)品品位。對原礦、精礦、鉛粗精礦、鋅粗精礦、鉛尾礦、鋅尾礦設計了在線品位檢測,選用了奧圖泰品位分析儀6XSL,及其配套的縮分、取樣器。
4) 浮選藥劑的添加與計量。選用了的智能型計算機程控給藥機PLC-III-48/4,完全實現(xiàn)了浮選藥劑的全自動添加與計量。
1) 凡口鉛鋅礦選礦廠通過技術升級改造工程,實現(xiàn)了設備大型化、工業(yè)自動化、計算機指令一鍵式分段自動啟/停,生產(chǎn)人員從現(xiàn)有的478人減少至220人。
2) 選礦廠生產(chǎn)指標實現(xiàn)全部自動化計算,自動生成單日、月累、年累生產(chǎn)報表,并根據(jù)授權自動向各層級管理者報送生產(chǎn)實時數(shù)據(jù),生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動存儲、實時管理與遠程報送。
3) 信息化系統(tǒng)方便選礦廠生產(chǎn)日常事務管理,如生產(chǎn)計劃的編制,設備的維修與備品備件的計劃,材料的申請、審批等流程手續(xù)全部采用網(wǎng)上流程,實現(xiàn)了無紙化辦公,并大幅度節(jié)省了時間。
4) 通過本次技術改造升級工程,產(chǎn)品的附加值和勞動生產(chǎn)率均大幅度提高,達產(chǎn)年平均可增加營業(yè)收入為7 970萬元,凈利潤5 385萬元,稅后增量投資財務內(nèi)部收益率16.40%,取得了良好的經(jīng)濟效益。