李鳳英 季現(xiàn)偉 耿 帥

(1.云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，昆明 650299；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

智能選礦廠是以選礦廠自動(dòng)化為基礎(chǔ)，通過(guò)信息化手段，以相關(guān)行業(yè)智能工廠為標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)本實(shí)施的選礦廠深度變革。目前智能選礦廠的建設(shè)架構(gòu)包括裝備智能化、業(yè)務(wù)智能化和知識(shí)自動(dòng)化等幾個(gè)層面[1]。其中，裝備智能化涵蓋設(shè)備自動(dòng)化、設(shè)備虛擬智能化、動(dòng)力設(shè)備智能化、過(guò)程儀表智能化；選礦廠業(yè)務(wù)智能化中包括選礦過(guò)程的智能控制系統(tǒng)、選礦廠運(yùn)維智能化和選礦廠管理智能化等。從選礦廠全生命周期運(yùn)營(yíng)角度來(lái)看，選礦廠生產(chǎn)智能化包括設(shè)備運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)、工藝參數(shù)檢測(cè)和控制、工藝指標(biāo)檢測(cè)和控制等實(shí)現(xiàn)智能化，生產(chǎn)過(guò)程操作實(shí)現(xiàn)在中控室集中操作，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守等。選礦廠管理智能化包括根據(jù)產(chǎn)品市場(chǎng)情況科學(xué)決策選礦廠生產(chǎn)，針對(duì)礦體產(chǎn)狀及分布對(duì)選礦廠供礦進(jìn)行科學(xué)合理的生產(chǎn)調(diào)度，選礦廠安全、環(huán)保及清潔生產(chǎn)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳，生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成等功能。目前，國(guó)內(nèi)大部分礦山都希望在國(guó)家智能化進(jìn)程的大背景下率先實(shí)現(xiàn)選礦廠的深度變革，實(shí)現(xiàn)從穩(wěn)定控制到優(yōu)化控制的過(guò)渡，提高生產(chǎn)效率，降低成本，提升安全管理水平，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以國(guó)內(nèi)某大型鐵多金屬礦選礦廠為研究對(duì)象，通過(guò)基礎(chǔ)自動(dòng)化的建立[2]，設(shè)計(jì)并實(shí)施了基于選礦原理、碎磨數(shù)據(jù)與知識(shí)相融合的碎磨、選別及智能化系統(tǒng)，從而減少選礦指標(biāo)對(duì)人工操作、人工決策的依賴程度，提高生產(chǎn)過(guò)程及指標(biāo)的穩(wěn)定性。

1 工藝流程及控制難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)某大型鐵多金屬礦選礦工藝流程包括碎磨、選別、精礦濃縮及尾礦脫水幾個(gè)部分。其中，碎磨流程采用一段開路破碎，破碎后的礦石給入半自磨機(jī)，半自磨機(jī)與圓筒篩構(gòu)成一段閉路磨礦，半自磨機(jī)排出的頑石返回半自磨給料系統(tǒng)；二段磨礦采用溢流型球磨機(jī)與旋流器構(gòu)成二段閉路磨礦，旋流器溢流為最終磨礦產(chǎn)品。區(qū)別于傳統(tǒng)的破碎+磨礦分級(jí)流程，該流程的特點(diǎn)和控制難點(diǎn)為：

1)給礦波動(dòng)大。因前端沒(méi)有中細(xì)碎和篩分過(guò)程，給礦粒度和硬度波動(dòng)很大，若不加以控制，系統(tǒng)運(yùn)行擾動(dòng)厲害，磨礦和分級(jí)結(jié)果波動(dòng)大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，效果差。

2)半自磨設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)多變。半自磨機(jī)是一種碎磨設(shè)備，兼有破碎和磨礦兩者功能，提升條和排礦窗口的設(shè)計(jì)導(dǎo)致其填充率波動(dòng)范圍大，運(yùn)行參數(shù)如功率和軸壓等隨工況不同而變化很大。在工藝操作時(shí)需要及時(shí)根據(jù)工況的變化情況進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，才能夠確保主體設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

3)半自磨機(jī)和球磨機(jī)負(fù)荷協(xié)調(diào)困難。隨著礦石性質(zhì)和磨礦濃度的變化，半自磨機(jī)和球磨之間的負(fù)荷變化很大，球磨機(jī)負(fù)荷又無(wú)法直接控制。二者之間的負(fù)荷很難協(xié)調(diào)，容易出現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備“欠載”而另外一臺(tái)設(shè)備卻“過(guò)載”的現(xiàn)象，需要通過(guò)前后端操作變量的協(xié)同調(diào)整，才能夠保證流程整體性能的最優(yōu)[3-7]。

浮選流程采用銅鉛混合浮選+銅鉛分離浮選+鋅硫混合浮選+鋅硫分離浮選的浮選工藝流程。其中銅鉛混合浮選采用兩粗兩精兩掃浮選流程，粗選精礦再磨后給入精選；銅鉛分離浮選采用一粗三精兩掃浮選流程；鋅硫混合浮選采用一粗三精兩掃浮選流程，鋅硫混合精礦再磨分級(jí)后給入鋅硫分離浮選；鋅硫分離浮選采用一粗兩精兩掃浮選流程。磁選流程為一粗一精兩段弱磁選流程。浮選流程的特點(diǎn)和控制難點(diǎn)主要為浮選過(guò)程中入選原礦性質(zhì)復(fù)雜多變，加之工藝流程長(zhǎng)且工序作業(yè)間耦合度高，極易導(dǎo)致浮選過(guò)程不穩(wěn)定，生產(chǎn)操作過(guò)程中冒槽、沉槽等異常工況時(shí)有發(fā)生，浮選生產(chǎn)過(guò)程普遍存在精礦品位不穩(wěn)定、尾礦易“跑高”等問(wèn)題[8-11]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

選礦智能化控制系統(tǒng)首先需要建立完善的過(guò)程檢測(cè)功能，提高設(shè)備可靠性和數(shù)據(jù)的完整性。基于此，通過(guò)配置在線粒度儀，實(shí)現(xiàn)磨礦粒度、浮選入礦濃度關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)在線檢測(cè)與控制閉環(huán)，采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)選礦生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的全覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)選礦廠主流程、泵站、尾礦輸送等各類子系統(tǒng)的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控。為方便使用，物位檢測(cè)優(yōu)先選用維護(hù)工作量小的非接觸式雷達(dá)或超聲波物位計(jì)。為保證測(cè)量精度，選用雙托輥電子皮帶稱進(jìn)行皮帶物料稱重檢測(cè)。礦漿流量檢測(cè)選用雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)，水流量檢測(cè)選用普通電磁流量計(jì)，根據(jù)檢測(cè)介質(zhì)的特性選擇合適的內(nèi)襯和電極。為保證測(cè)量精度并跟蹤監(jiān)測(cè)礦漿濃度，采用射線濃度計(jì)在線檢測(cè)礦漿濃度。粒度檢測(cè)選擇具有自診斷報(bào)警功能及人機(jī)交互界面，并可實(shí)現(xiàn)與全廠控制系統(tǒng)通訊的多通道測(cè)量分析粒度儀。

具體檢測(cè)點(diǎn)包括：顎式破碎機(jī)排礦量、半自磨機(jī)給礦、半自磨機(jī)給礦補(bǔ)加水流量、球磨機(jī)排礦補(bǔ)加水流量、球磨分級(jí)旋流器給礦壓力、球磨分級(jí)旋流器溢流礦漿粒度和濃度、球磨分級(jí)旋流器給礦流量、球磨分級(jí)旋流器溢流流量、球磨分級(jí)旋流器給礦濃度、球磨分級(jí)給料泵池液位。

浮選工藝流程設(shè)計(jì)具體檢測(cè)點(diǎn)包括：入浮原礦、銅鉛混合精礦、鋅硫混合精礦、銅精礦、鉛精礦、鋅精礦、硫精礦、銅鉛混合尾礦、鋅硫混合尾礦礦漿品位；精礦渣漿泵出口流量、混選尾礦渣漿泵出口流量、混合精礦再磨泵池液位、精礦泵池液位、再磨旋流器給礦壓力、給礦流量、給礦濃度；浮選機(jī)供風(fēng)管道總壓力、浮選機(jī)液位及充氣量。

2.2 智能控制方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)總體目標(biāo)為在穩(wěn)定磨礦工藝流程、保證磨礦產(chǎn)品滿足選別指標(biāo)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定磨礦系列臺(tái)時(shí)處理能力。提高半自磨機(jī)和球磨機(jī)的磨礦效率和產(chǎn)品質(zhì)量，在穩(wěn)定磨礦細(xì)度的前提下盡可能提高磨機(jī)的處理能力，自動(dòng)調(diào)整給礦量和給水量，避免磨機(jī)發(fā)生“漲肚”和“空磨”。根據(jù)工藝要求及礦石性質(zhì)變化，穩(wěn)定半自磨機(jī)和球磨機(jī)的磨礦濃度、功率和壓力，使磨礦分級(jí)生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)、工藝指標(biāo)穩(wěn)定。保證旋流器分級(jí)的效果，使溢流粒度穩(wěn)定在工藝要求范圍內(nèi)，使選別生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)?？刂票贸匾何唬乐姑暗V或抽空現(xiàn)象的發(fā)生。提升流程穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)流程產(chǎn)率優(yōu)化，提高作業(yè)率，穩(wěn)定精礦品位，提高回收率。

2.2.1 碎磨過(guò)程智能控制系統(tǒng)

1)磨機(jī)負(fù)荷控制

采用智能磨音頻譜分析儀記錄磨機(jī)從空負(fù)荷到滿負(fù)荷的運(yùn)行信號(hào)，標(biāo)定磨機(jī)負(fù)荷值測(cè)量范圍。磨機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)根據(jù)磨機(jī)負(fù)荷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，調(diào)整磨機(jī)給礦量的設(shè)定值，防止“空磨”及“漲肚”等異常工況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的“卡邊”生產(chǎn)，提高磨機(jī)處理能力，降低單位礦石能耗成本[12]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合磨音頻譜分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出“漲肚”狀態(tài)、“正?！睜顟B(tài)、“空磨”狀態(tài)的波形，如圖1所示。

圖1 不同磨機(jī)負(fù)荷狀態(tài)下的磨音信號(hào)波形形態(tài)數(shù)據(jù)Fig.1 Waveform shape data of grinding sound signal under different mill load conditions

控制系統(tǒng)利用半自磨膠帶機(jī)上的皮帶秤檢測(cè)到實(shí)時(shí)給礦量反饋值與設(shè)定值的偏差，通過(guò)控制變頻器來(lái)控制給礦機(jī)給礦量大小，使球磨機(jī)始終處于與礦石性質(zhì)相適應(yīng)的、良好的裝載量狀態(tài)下運(yùn)行。

2)磨礦濃度自動(dòng)控制

考慮到磨機(jī)濃度控制的難點(diǎn)如容量滯后、負(fù)載和干擾變化比較頻繁且劇烈，同時(shí)工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求又較高，設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)半自磨機(jī)磨礦濃度的自動(dòng)控制，解決磨礦系統(tǒng)中的干擾問(wèn)題。在串級(jí)結(jié)構(gòu)控制回路中，主控制回路由濃度控制器、球磨機(jī)和磨礦濃度預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，保證半自磨礦濃度這個(gè)主被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。由于球磨機(jī)濃度無(wú)法直接檢測(cè)，因此將由磨機(jī)磨音、功率和軸壓所建立的磨礦濃度預(yù)測(cè)模型輸出參考值作為磨機(jī)濃度檢測(cè)值。副控制回路則由流量控制器、調(diào)節(jié)閥和電磁流量計(jì)構(gòu)成，用于改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)磨礦濃度受到擾動(dòng)而發(fā)生變化時(shí)，作為主調(diào)節(jié)器的濃度控制器將及時(shí)修改副調(diào)節(jié)器的給定值，流量閉環(huán)及時(shí)調(diào)節(jié)水量，保證濃度穩(wěn)定。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分級(jí)返砂量的變化也會(huì)引起磨礦濃度的變化，若僅以濃度為閉環(huán)來(lái)設(shè)計(jì)反饋控制，調(diào)節(jié)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)偏差。針對(duì)這種變化頻繁且幅度較大的擾動(dòng)，采用前饋控制方法抑制返砂量變化所帶來(lái)的波動(dòng)。球磨機(jī)磨礦濃度串級(jí)結(jié)構(gòu)控制原理如圖2所示。

3)磨礦旋流分級(jí)回路的自動(dòng)控制

旋流分級(jí)回路的自動(dòng)控制包括旋流器給礦壓力的自動(dòng)控制及給礦濃度的自動(dòng)控制兩個(gè)部分。旋流器給礦壓力的自動(dòng)控制思路是充分利用泵池(攪拌槽)的有效容積，在不出現(xiàn)冒頂、打空等事故的前提下，優(yōu)先保證核心工藝指標(biāo)的控制效果，兼顧泵池(攪拌槽)液位的安全性和工況的穩(wěn)定性，在安全范圍內(nèi)充分發(fā)揮泵池的緩沖作用，超出限定范圍時(shí)又可以迅速調(diào)整回來(lái)，從而減少調(diào)節(jié)時(shí)間和次數(shù)，保持工藝流程穩(wěn)定性。磨礦旋流分級(jí)回路的自動(dòng)控制原理如圖3所示。

圖2 磨礦濃度控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of grinding concentration control

圖3 磨礦分級(jí)回路控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of grinding classification circuit control

根據(jù)旋流器給礦濃度檢測(cè)值與設(shè)定值間偏差的大小，調(diào)節(jié)泵池補(bǔ)加水量，始終使旋流器給礦濃度的檢測(cè)值維持在濃度設(shè)定值的偏差范圍內(nèi)，從而達(dá)到控制旋流器給礦濃度的目的。

4)磨礦的負(fù)荷協(xié)同控制

半自磨與球磨是互聯(lián)的工藝整體，需要充分發(fā)揮兩段磨礦分級(jí)的處理能力。通過(guò)對(duì)一段與二段磨礦分級(jí)的狀態(tài)檢測(cè)，分析與識(shí)別兩段磨礦的負(fù)荷狀況，并由此調(diào)整半自磨機(jī)的給礦量與以協(xié)同控制磨礦分級(jí)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)半自磨機(jī)與二段磨礦分級(jí)運(yùn)行的負(fù)荷優(yōu)化，促使選礦廠的磨礦分級(jí)工藝組合能夠發(fā)揮出最佳的作業(yè)效率。

2.2.2 浮選過(guò)程智能控制系統(tǒng)

浮選過(guò)程智能控制系統(tǒng)的目標(biāo)是以在線粒度分析為指引，實(shí)現(xiàn)浮選流程產(chǎn)率的穩(wěn)定控制，提升精礦品位和回收率指標(biāo)的穩(wěn)定性，在精礦品位達(dá)標(biāo)的前提下，最大化回收率。浮選過(guò)程控制以基于安裝在浮選槽中的液位檢測(cè)值與液位設(shè)定值間偏差的大小，調(diào)節(jié)安裝在浮選機(jī)中尾礦箱或者管路上的液位控制閥開度，通過(guò)控制流入下一浮選作業(yè)中礦漿的量，使得浮選槽中的液位檢測(cè)值維持在液位設(shè)定值的偏差范圍內(nèi)，達(dá)到控制浮選槽中液位的目的，從而保證整個(gè)浮選工序的操作自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)選礦生產(chǎn)安全、平穩(wěn)，保證精礦品位及回收率指標(biāo)的穩(wěn)定及優(yōu)化。

目前控制產(chǎn)率最好的方式是控制泡沫厚度。后續(xù)增加泡沫分析儀智能控制系統(tǒng)，將泡沫分析儀中的泡沫移動(dòng)速度、泡沫顏色、大小等關(guān)鍵數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)至大系統(tǒng)中。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上使用智能充氣控制系統(tǒng)，有助于對(duì)精礦品位的控制。產(chǎn)率控制通過(guò)對(duì)浮選機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)液位設(shè)定值與充氣量設(shè)定值的自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化，可積極主動(dòng)避免冒槽或沉槽現(xiàn)象，自動(dòng)調(diào)整重建平衡。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

智能控制系統(tǒng)于2022年5月正式投入使用，智能控制系統(tǒng)投用前數(shù)據(jù)選取投入實(shí)施前第3個(gè)月的數(shù)據(jù)。智能系統(tǒng)投入前后，銅品位、回收率及磨礦細(xì)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，與系統(tǒng)投入實(shí)施前相比，系統(tǒng)投入使用后的各項(xiàng)指標(biāo)更為穩(wěn)定，銅品位、回收率及磨礦細(xì)度基本在18.67%、90.85%、83.19%上下波動(dòng)，銅品位、回收率及磨礦細(xì)度分別提高0.59%、1.02%、2.63%，說(shuō)明智能控制系統(tǒng)的投入有效控制了相應(yīng)產(chǎn)品的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可解決磨礦細(xì)度和精礦品位大幅度波動(dòng)問(wèn)題，有利于達(dá)到降本增效的目的。

圖4 智能控制系統(tǒng)投用前后銅品位、回收率、磨礦細(xì)度變化Fig.4 The chart of copper grade，recovery rate and grinding fineness before and after system application

3 結(jié)論

1)針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型鐵多金屬礦選礦廠磨礦細(xì)度和精礦品位波動(dòng)大、回收率不理想等問(wèn)題，設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)，可有效提升關(guān)鍵崗位操作精度，減小依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)調(diào)控造成的工藝指標(biāo)波動(dòng)，可在一定程度上降低現(xiàn)場(chǎng)操作崗位勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化崗位配置。

2)通過(guò)搭建國(guó)內(nèi)先進(jìn)的DCS控制系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析選礦工況，可在保證工藝流程、設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)完整性的同時(shí)，建立完善的過(guò)程檢測(cè)與執(zhí)行控制功能，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的抗干擾能力及自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程操作方式的迭代優(yōu)化，達(dá)到對(duì)選礦指標(biāo)智能控制的目的。

3)通過(guò)配置在線粒度儀和濃度計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)選礦粒度、濃度等關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)在線檢測(cè)與閉環(huán)控制。通過(guò)基礎(chǔ)自動(dòng)化、人工智能建模以及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，可建立一套擁有自感知、自適應(yīng)、自決策、自執(zhí)行能力的選礦廠智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碎磨、浮選工藝、裝備與自動(dòng)化的緊密融合，從而提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)穩(wěn)定性，達(dá)到降本增效的目的。

4)設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果顯示，在生產(chǎn)中投入選礦智能控制系統(tǒng)可及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行工況及工藝參數(shù)變化情況，提高設(shè)備有效作業(yè)率，穩(wěn)定精礦品位，提高回收率，可促進(jìn)選礦廠及時(shí)對(duì)整體工藝指標(biāo)的有效控制，保障生產(chǎn)流程安全平穩(wěn)運(yùn)行，值得在行業(yè)內(nèi)類似選礦廠推廣和應(yīng)用。