國內(nèi)選礦自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及進(jìn)展
孫云東，楊金艷
(長春黃金研究院)
摘要:介紹了國內(nèi)選礦廠破碎、磨礦分級、選別等工藝流程的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對選礦自動(dòng)化應(yīng)用中存在的問題，提出了研究及發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞:選礦;自動(dòng)化;破碎;磨礦分級;浮選
中圖分類號:TD 679 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1001 － 1277(2010)04 － 0035 － 04
0 、引言
隨著礦產(chǎn)資源的不斷減少和礦業(yè)市場競爭的日益激烈，如何充分有效地利用有限的資源，提高企業(yè)的市場競爭力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化、自動(dòng)化是中國礦業(yè)深化改革、技術(shù)創(chuàng)新及生產(chǎn)管理上臺階的必由之路。近年來，國內(nèi)許多大型選礦企業(yè)在技術(shù)改造中，大力推廣電子信息技術(shù)應(yīng)用與信息資源的開發(fā)，工業(yè)生產(chǎn)過程控制廣泛采用了微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)。用新工藝、新技術(shù)、新方法開展了創(chuàng)新改造工作，使企業(yè)管理信息化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、設(shè)備智能化的水平有了較大提高。很多大企業(yè)已從單項(xiàng)開發(fā)應(yīng)用向集成化、綜合化發(fā)展，向管－控一體化、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)( Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS)方向推進(jìn)特別是大型選礦企業(yè)的整體自動(dòng)化水平提高較快、績效明顯。
實(shí)現(xiàn)選礦生產(chǎn)過程自動(dòng)化，可提高破碎機(jī)、磨礦機(jī)臺時(shí)處理能力，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，使能耗和原材料消耗顯著降低，勞動(dòng)強(qiáng)度大大地減輕。實(shí)現(xiàn)選礦生產(chǎn)過程自動(dòng)化主要包括:破碎、磨礦分級、選別、脫水過濾及濃縮、尾礦輸送等生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。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。
1 破碎流程自動(dòng)控制
近年來，新型破碎設(shè)備及其控制系統(tǒng)發(fā)展很快。國內(nèi)外眾多廠商從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上對該類設(shè)備不斷地進(jìn)行改進(jìn)、完善，取得了比較好的效果，并相繼推出眾多高效、可靠、節(jié)能的新產(chǎn)品。相比較而言，因受自動(dòng)化發(fā)展水平的影響，國內(nèi)在破碎機(jī)控制方面的研究相對落后。近十幾年來，國外在一些產(chǎn)品上，裝備了相應(yīng)的檢測儀表和自動(dòng)控制裝置，在設(shè)備保護(hù)、穩(wěn)定操作、提高生產(chǎn)能力等方面起到了一定的作用。
對于國產(chǎn)圓錐破碎機(jī)，由于其排礦口尺寸不能動(dòng)態(tài)調(diào)整，生產(chǎn)中采用固定排礦口，定期進(jìn)行人工重新調(diào)整的方法來控制產(chǎn)品粒度。控制系統(tǒng)主要選取主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率( 或電流) 作為被控參數(shù)，控制策略一般采用恒功率或優(yōu)化功率方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整給礦機(jī)給礦量的大小，使主機(jī)的負(fù)荷穩(wěn)定在設(shè)定的要求之內(nèi);同時(shí)，檢測破碎機(jī)潤滑系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等，具有完備的保護(hù)功能。
20 世紀(jì)90 年代以來，國內(nèi)如鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司齊大山鐵礦選礦廠、武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司程潮鐵礦選礦廠、云南玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦選礦廠等先后引進(jìn)了多臺芬蘭METSO 公司的NordbergHP 系列破碎機(jī)。該機(jī)型破碎處理能力強(qiáng)，大大地提高了國內(nèi)選礦廠破碎流程的生產(chǎn)效率。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用串級控制，極大地提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，充分發(fā)揮了破碎機(jī)的處理能力。此外，由于穩(wěn)定了破碎工況，從而最終提高了與之相關(guān)的后續(xù)篩分、選別等相關(guān)工藝流程的整體運(yùn)行效率。
馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司在凹山選礦廠碎礦工藝流程改造中，在南山礦業(yè)公司、選礦調(diào)度室與碎礦車間建立了一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)方便的碎礦全流程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用先進(jìn)的工業(yè)以太光纖網(wǎng)絡(luò)將粗碎、中碎、細(xì)碎、高壓輥磨(超細(xì)碎)、篩分各控制分站的流程組態(tài)畫面、工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、工作場景實(shí)況
等向中央監(jiān)控主站進(jìn)行傳送。同時(shí)，中央監(jiān)控系統(tǒng)主站將生產(chǎn)指令傳送到粗碎、中碎、細(xì)碎以及高壓輥磨各分站。對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效地監(jiān)控。
然而，值得關(guān)注的是中國礦山現(xiàn)有破碎機(jī)以20世紀(jì)60—70 年代老設(shè)備居多，并一直在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。若對這些老設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。
2 磨礦分級流程自動(dòng)控制
在選礦工藝中，磨礦分級作業(yè)是一個(gè)必不可少的重要工藝環(huán)節(jié)，其工作狀態(tài)的好壞對選礦工藝指標(biāo)、能源消耗以及生產(chǎn)成本的影響至關(guān)重要，直接關(guān)系到選礦生產(chǎn)的處理能力、磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量，對后續(xù)作業(yè)的指標(biāo)乃至整個(gè)選礦廠的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有很大的影響。為了充分挖掘磨礦分級作業(yè)的內(nèi)在潛力，尋求高效的有效途徑，對磨礦分級自動(dòng)控制的試驗(yàn)研究具有十分重要的意義。磨礦分級系統(tǒng)有4 個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo):球磨機(jī)臺時(shí)處理量、磨礦分極粒度、磨礦濃度和溢流濃度。影響這些技術(shù)指標(biāo)除了原礦性質(zhì)以外，還與排礦水量、返砂水量、磨機(jī)充填率等因素有關(guān)因此，有必要對磨礦分級系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)控制，其目的是為了提高磨機(jī)效率，穩(wěn)定分級溢流粒度，為選別作業(yè)提供合格的溢流產(chǎn)品。
磨礦分級作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的作業(yè)過程，參數(shù)的耦合性很強(qiáng)，僅靠單輸入、單輸出的PID 控制回路難以實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，必須由一模糊控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保各控制回路的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化控制。根據(jù)控制系統(tǒng)回路的特點(diǎn)，采用不同的控制策略。簡單的回路采用智能PID 控制，復(fù)雜的回路采用串級控制、模糊控制等。各智能PID 控制回路的給定值由一個(gè)模糊控制器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況自動(dòng)計(jì)算。當(dāng)?shù)V石硬度、粒度、磨機(jī)介質(zhì)、負(fù)荷量等發(fā)生變化時(shí)，球磨機(jī)的最佳處理量將發(fā)生變化，這時(shí)磨礦分級作業(yè)的控制參數(shù)必須及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整。
南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司選礦廠磨礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)置了給礦量、電流檢測、磨機(jī)電耳值、工藝流程、返砂水控制、排礦水控制、溢流濃度檢測和報(bào)警信號等檢測控制項(xiàng)目，通過這些項(xiàng)目控制磨礦階段的各個(gè)工藝參數(shù)，綜合分析判斷磨機(jī)狀態(tài)并指導(dǎo)控制，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而可靠;模糊控制+ PID 調(diào)節(jié)的先進(jìn)控制方式使控制效果達(dá)到最佳;可實(shí)現(xiàn)局部與全部系統(tǒng)的監(jiān)控及手動(dòng)、儀表盤手操器手動(dòng)、現(xiàn)場人工操作等多種手動(dòng)操作方式;先進(jìn)的控制系統(tǒng)和高效可靠的儀表組合使系統(tǒng)使用更耐久;其人性化的組態(tài)畫面使操作更加簡單方便。給礦控制省事方便，當(dāng)人工設(shè)定每小時(shí)的給礦量，系統(tǒng)便會自動(dòng)根據(jù)礦量情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。給水控制也是簡單易操作，當(dāng)設(shè)定需要的值時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)便會根據(jù)濃度自動(dòng)計(jì)算出所需要的給水量。
中國黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司烏努格吐山銅鉬礦選礦廠磨礦控制系統(tǒng)，即自磨—篩分—細(xì)碎—__磨礦分級過程自動(dòng)控制系統(tǒng)包括:自磨給礦量自動(dòng)控制，磨礦濃度自動(dòng)控制;細(xì)碎礦倉料位自動(dòng)控制，給礦自動(dòng)控制;一段旋流器泵池液位、給礦濃度、給礦壓力、溢流粒度自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能給水、給礦及磨機(jī)工況的自動(dòng)分析、故障判斷、歷史資料歸檔、事故報(bào)警、故障保護(hù)等。按照結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、操作方便的原則，對破碎控制系統(tǒng)、自磨—細(xì)碎—磨礦分級控制系統(tǒng)實(shí)施控制，并引入國外成熟的優(yōu)化軟件調(diào)節(jié)整個(gè)過程，協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。在磨礦閉路環(huán)節(jié)中引入“實(shí)驗(yàn)”模型，實(shí)現(xiàn)了功率、旋流器沉砂、原礦性質(zhì)等多因素的綜合分析判斷，在磨礦分級作業(yè)中實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的控制理論與礦山現(xiàn)場工業(yè)實(shí)踐的結(jié)合，已成為國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的選礦廠，實(shí)現(xiàn)了裝備水平一流、管理水平一流、產(chǎn)品質(zhì)量一流、經(jīng)濟(jì)效益一流。
3 浮選流程自動(dòng)控制
泡沫浮選法是世界上選別礦物原料最主要的方法，泡沫浮選作為一種工業(yè)規(guī)模的選礦技術(shù)至今已有100 多年的歷史，相對成熟的磨礦分級智能控制技術(shù)，浮選自動(dòng)控制發(fā)展相對滯后，基本采用閘板閥和錐閥現(xiàn)場調(diào)節(jié)液位，沒有建立自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著近幾年浮選設(shè)備大型化，自動(dòng)控制技術(shù)、檢測技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速發(fā)展，浮選機(jī)的自動(dòng)控制得到創(chuàng)新和
發(fā)展。
3. 1 加藥自動(dòng)化控制
浮選自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)是一種可遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制及調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確定量、定時(shí)加液裝置，采用程控加藥機(jī)進(jìn)行自動(dòng)給藥，可同時(shí)控制多個(gè)藥點(diǎn)的給藥量。
藥劑添加控制系統(tǒng)主要分為控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中工業(yè)中多采用PLC 進(jìn)行控制;執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有電磁閥式和加藥泵式兩種。由于電磁閥成本較低，維護(hù)方便，現(xiàn)場應(yīng)用最多的是電磁閥式控制。
3. 2 礦漿液位自動(dòng)化控制
在浮選作業(yè)中，對浮選槽液位和氣泡厚度檢測非常重要，對浮選槽的液位和充氣量進(jìn)行控制一直是個(gè)難題。近年來在浮選槽檢測礦漿液位時(shí)，采用浮子式液位變送器的較多，采用超聲波測量浮球位移的浮選槽液位計(jì)在南非、加拿大、美國等已被應(yīng)用，國內(nèi)在銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦選礦廠也有應(yīng)用。
國內(nèi)某大型銅選廠選用
3. 3 浮選柱自動(dòng)控制系統(tǒng)
浮選柱與傳統(tǒng)的浮選機(jī)不同，它不使用機(jī)械攪拌裝置，沒有了劇烈的攪拌，有助于提高選擇性及微細(xì)粒級礦物的回收率。給入礦漿進(jìn)入浮選柱，與氣體分散系統(tǒng)產(chǎn)生的微小氣泡所形成的上升氣泡區(qū)的方向相反而逆向下降。與氣泡碰撞并附著在氣泡上的礦物升到浮選柱的頂部，最終達(dá)到礦漿( 捕集區(qū)) 與泡沫(精選區(qū))的界面。通過調(diào)節(jié)浮選柱尾礦管閥的一個(gè)自動(dòng)控制回路，將這個(gè)界面控制穩(wěn)定。浮選柱一般采用3 個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)來控制:浮選柱界面高度控制系統(tǒng)、沖洗水流量控制系統(tǒng)以及分散器空氣流量控制系統(tǒng)。
泡沫與礦漿的界面位置是通過球形浮子和超聲波探測器或壓力傳感器進(jìn)行測定的。這兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)與泡沫和礦漿的界面位置成正比的信號，由PID 控制器( 或DCS，或PLC) 調(diào)節(jié)浮選柱底流管路上的自控夾管閥控制。在有些浮選柱中采用U 型管原理，將尾礦通過一個(gè)U 型管接到一個(gè)與受控液位等高的尾礦槽中，調(diào)節(jié)尾礦槽的溢流口的高度便可調(diào)節(jié)浮選柱的液位。另一種是調(diào)節(jié)尾礦泵或閥來改變尾礦排出量以穩(wěn)定液位。
沖洗水的流量一般是通過流量計(jì)進(jìn)行測定并通過流量控制閥進(jìn)行自動(dòng)控制。流量的緩慢變化是允許的，但是平穩(wěn)地控制流量會得到更好的運(yùn)行效果。額定的沖洗水量是估算的，應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠髀省Ａ髁咳Q于給料速率、給料品位、預(yù)計(jì)的浮選柱溢流的質(zhì)量回收率。
空氣流量的控制是保持浮選柱良好運(yùn)行的最重要的參數(shù)。空氣流量是通過流量計(jì)進(jìn)行測定并通過球形閥自動(dòng)控制。分散器集氣管內(nèi)的壓力起到的作用是:SlamJet 控制設(shè)定、分散器空氣流率、界區(qū)供氣壓力。準(zhǔn)確數(shù)值要在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測定。低于最小氣體流率會使泡沫變得不穩(wěn)定，而高于最大氣流率則在氣泡開始聚結(jié)時(shí)，溢流中的固體顆粒回收率就會降低。這兩個(gè)值都會隨著界面液位、藥劑投放量、給料噸位、品位以及固體顆粒百分比的變化而改變。
4 選礦自動(dòng)化現(xiàn)存問題及發(fā)展趨勢
4. 1 選礦自動(dòng)化應(yīng)用存在的問題
(1)選礦自動(dòng)控制設(shè)計(jì)不合理、不完善。這是許多控制系統(tǒng)不能長期正常運(yùn)行甚至無法運(yùn)行的主要__原因。有的設(shè)計(jì)不切合實(shí)際，主要表現(xiàn)在控制過程的程序設(shè)計(jì)不合理;儀表選型不合理，不能充分發(fā)揮其性能，對儀表可能出現(xiàn)的問題沒有充分估計(jì)。
(2)傳感器設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新性。傳感器是選礦自
動(dòng)化過程中的核心組件，一些選礦重要控制過程中的傳感器仍然存在安裝復(fù)雜、可靠性差、測量精度低等問題，直接影響到選礦自動(dòng)化的推廣應(yīng)用和發(fā)展。另外由于選礦作業(yè)環(huán)境比較差，導(dǎo)致傳感器使用壽命短，因此傳感器的質(zhì)量問題也是一大因素。
(3)選礦控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后需要大量的維護(hù)工作。許多選礦廠在對自動(dòng)化系統(tǒng)的長期使用和維護(hù)方面缺乏必要的重視，沒有長久的系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃，或缺乏相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)，無法自行解決系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障。一旦系統(tǒng)開發(fā)方的技術(shù)支持減弱，系統(tǒng)很可能因?yàn)樵O(shè)備故障、工況變化、人員變化等情況而難以正常運(yùn)行。
4. 2 選礦自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢
盡管目前國內(nèi)選礦自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用還存在很多問題，但可以看到，中國選礦自動(dòng)化還是取得了很大的進(jìn)步。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的不斷發(fā)展，以及礦山對選礦自動(dòng)化的重視，在激烈的礦業(yè)市場競爭壓力作用下，中國選礦自動(dòng)化技術(shù)將得到迅速的發(fā)展。
(1)礦山專用檢測儀表的研究與開發(fā)。利用電子技術(shù)方面的一些最新成果，如新型傳感器代替原有的檢測方式;采用高分辨率、低噪聲的半導(dǎo)體傳感器及剝譜技術(shù)，研究開發(fā)新一代載流品位分析儀，解決相鄰元素和低含量元素測定，提高儀器的使用性能，擴(kuò)大儀器的應(yīng)用范圍。
(2)自動(dòng)控制理論和方法的改進(jìn)以及先進(jìn)控制軟件的開發(fā)。自動(dòng)控制理論和方法的主要發(fā)展方向是人工智能技術(shù)。人工智能技術(shù)是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng)及其相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，近年來在工業(yè)自動(dòng)化中得到多方面應(yīng)用。現(xiàn)在控制理論和人工智能幾十年來的發(fā)展已為先進(jìn)控制技術(shù)奠定了應(yīng)用理論基礎(chǔ)，控制計(jì)算機(jī)尤其是DCS 的普及與提高為先進(jìn)控制(APC) 的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺。人們不再停留在傳統(tǒng)PID 控制策略，逐步發(fā)展了串級、比值、前饋、均勻、預(yù)測估計(jì)、專家系統(tǒng)、模糊控制及最優(yōu)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。這些控制方法在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊控制要求，但并不能適用所有的過程和不同的要求。先進(jìn)的控制理論和控制軟件在選礦自動(dòng)化的應(yīng)用，必將大大推動(dòng)選礦自動(dòng)化的發(fā)展。模型預(yù)測控制(MPC)、智能控制( IC)、優(yōu)化控制，這幾種控制方法
將成為選礦過程控制的主要發(fā)展方向。
(3)向“數(shù)字化礦山”發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，礦山行業(yè)信息化應(yīng)向綜合化、智能化和多功能化方向發(fā)展。從行業(yè)實(shí)際出發(fā)，需要把以信息技術(shù)為核心的“數(shù)字礦山”作為行業(yè)信息化的目標(biāo)和方向。礦山行業(yè)信息化的解決方案包括生產(chǎn)調(diào)度、安全生產(chǎn)監(jiān)控、采礦地質(zhì)、經(jīng)營管理等;加大礦山企業(yè)管理信息化的試點(diǎn)和推廣，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理;加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)各職能、各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)之間的信息流互聯(lián)互通，有效解決“信息孤島”問題;培育和完善礦山信息化產(chǎn)業(yè)鏈條，加大行業(yè)專用軟件的研發(fā)力度，在行業(yè)內(nèi)部加快培養(yǎng)和引進(jìn)IT 專業(yè)人才。
5 結(jié)語
中國選礦自動(dòng)化發(fā)展起步較晚，與國外礦業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，還有很大的差距，因此，中國選礦工業(yè)必須積極采用信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和自動(dòng)控制裝備全面建設(shè)、改造企業(yè)，提高企業(yè)創(chuàng)新能力和生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平，這對中國選礦自動(dòng)化技術(shù)的提高，增強(qiáng)礦山企業(yè)的綜合實(shí)力，實(shí)現(xiàn)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必將產(chǎn)生積極的作用。
