朱黎陽，王國文，樊俊杰

金川集團(tuán)股份有限公司選礦廠 甘肅金昌 737100

破碎作業(yè)作為選礦工藝流程中的第一道工序，在選礦廠占有很重要的地位，直接影響磨礦作業(yè)的功耗、處理能力及磨礦產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)[1]，因此，合理控制破碎流程中的各類設(shè)備是獲得破碎產(chǎn)品最佳指標(biāo)的關(guān)鍵。

金川選礦廠某選礦車間自建成投產(chǎn)以來，通過一系列擴(kuò)能改造，礦石處理能力由原來的 6 000 t/d 增加至現(xiàn)在的 15 500 t/d，已成為選礦廠目前處理能力最大的車間。其中該車間 4 500 t/d 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間最長，在長期的運(yùn)行過程中，存在生產(chǎn)線長、崗位需求人員多、自動(dòng)化水平低等問題，一些生產(chǎn)操作崗位在人員或設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，無法做到互保聯(lián)防，不利于車間高效、節(jié)能地組織生產(chǎn)。

為了解決上述問題，結(jié)合選礦廠的指標(biāo)要求及碎礦作業(yè)的工藝特點(diǎn)，將 DCS 碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)引入碎礦系統(tǒng)，通過不同的控制策略對(duì)整個(gè)碎礦流程加以控制，最終實(shí)現(xiàn)碎礦全流程自動(dòng)化控制。

1 系統(tǒng)概述

碎礦系統(tǒng)是磨礦工序的前級(jí)系統(tǒng)，主要包括原礦倉給礦、輸送帶運(yùn)輸、中碎、篩分及細(xì)碎工序[2]，其破碎篩分工藝為二段一閉路破碎流程，如圖 1 所示。公司自產(chǎn)礦石經(jīng)火車運(yùn)輸至原礦倉，再經(jīng)帶式輸送機(jī)給入中碎前緩沖倉，經(jīng)給礦輸送帶送入圓錐破碎機(jī)，排礦經(jīng)帶式輸送機(jī)給入篩分前緩沖倉，再由給料輸送帶和振動(dòng)給料機(jī)給入振動(dòng)篩進(jìn)行檢查篩分，篩下產(chǎn)物(-12 mm) 為破碎最終產(chǎn)品，經(jīng)帶式輸送機(jī)進(jìn)入磨浮粉礦倉，篩上產(chǎn)物 (+12 mm) 經(jīng)帶式輸送機(jī)給入細(xì)碎破碎機(jī)，排礦經(jīng)輸送帶再次給入振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，形成閉路。

圖1 破碎篩分作業(yè)工藝流程Fig.1 Process flow of crushing and screening operation

2 碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)改造

本次碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)改造旨在實(shí)現(xiàn)碎礦系統(tǒng)自動(dòng)化、無人化、智能化。改造碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括對(duì)原礦倉料位的檢測(cè)、輸送帶控制及礦量測(cè)量、給礦設(shè)備變頻調(diào)速控制、破碎機(jī)自動(dòng)控制、其他電氣設(shè)備的啟?？刂啤⒃O(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和設(shè)備之間的順序啟動(dòng)連鎖、開停車信號(hào)聯(lián)系等。主要設(shè)備包括：帶式輸送機(jī)、給料機(jī)、振動(dòng)篩、破碎機(jī)，以及風(fēng)機(jī)、除鐵器、液下泵等。碎礦系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，首先要考慮的是設(shè)備的連鎖控制，每臺(tái)設(shè)備都應(yīng)以礦石的運(yùn)輸以及工藝流程的先后順序?yàn)橹饕獥l件設(shè)置連鎖，一般應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)自動(dòng)、手動(dòng)、緊急停車開關(guān)，保證系統(tǒng)故障時(shí)能緊急安全停車，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)綜合判斷故障原因及故障點(diǎn)，或者提供對(duì)維修有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)，幫助維修人員快速準(zhǔn)確地修復(fù)故障。

本次改造是基于 DCS 碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制裝置和傳感器對(duì)各設(shè)備及工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、控制，并通過自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，使各作業(yè)流程之間保持負(fù)荷平衡，確保生產(chǎn)正常運(yùn)行。

該DCS 碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)由 3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，分別為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、過程控制層及監(jiān)控管理層。其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過各類傳感器、儀表及檢測(cè)裝置等采集現(xiàn)場(chǎng)工藝過程數(shù)據(jù)，讀取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；過程控制層中 DCS 中央控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行邏輯、回路運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制功能；監(jiān)控管理層將現(xiàn)場(chǎng)過程數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)通過可視化人機(jī)界面反饋給操作人員，操作人員再將相應(yīng)控制信息發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)控制層。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層改造

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層改造前后控制信號(hào)布置情況如表 1 所列，具體改造內(nèi)容如下。

表1 改造前后控制信號(hào)布置情況Tab.1 Layout of control signals before and after innovation

2.1.1 礦倉料位自動(dòng)控制改造

主要是加裝各類傳感器和控制裝置，包括料位檢測(cè)傳感器、自動(dòng)分礦裝置和給礦裝置，使礦倉的料位保持在一定范圍內(nèi)。

(1) 在原礦受礦倉設(shè)置料位檢測(cè)裝置，對(duì)料位進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)并在主控室顯示，同時(shí)設(shè)上下限料位報(bào)警，將信號(hào)發(fā)送至倉底卸礦設(shè)備 (電氣連鎖開停)。設(shè)置料位檢測(cè)裝置可以使操作人員及時(shí)了解受礦倉的來料情況，靈活調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度，并根據(jù)料位情況完成下料設(shè)備的自動(dòng)控制。

(2) 在中細(xì)碎、篩分給礦緩沖礦倉設(shè)置料位計(jì)及自動(dòng)分礦系統(tǒng)，對(duì)料位進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)并在主控室顯示，同時(shí)設(shè)上下限料位報(bào)警，并將信號(hào)發(fā)送至倉頂給礦設(shè)備和倉底卸礦設(shè)備 (電氣連鎖開停)；自動(dòng)分礦系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分礦及多個(gè)礦倉合理分配礦石物料。

(3) 在粉礦倉設(shè)置料位計(jì)，對(duì)料位進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)并在主控室顯示，同時(shí)設(shè)上下限料位報(bào)警，并將信號(hào)發(fā)送至倉頂給礦設(shè)備。

2.1.2 帶式輸送機(jī)的保護(hù)與控制

碎礦流程主要的物料運(yùn)輸設(shè)備是帶式輸送機(jī)，為保證帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，便于操作人員維護(hù)與操作，每條輸送帶都安裝單 (雙) 向拉繩開關(guān)、輸送帶防跑偏開關(guān)、輸送帶自動(dòng)糾偏裝置、輸送帶失速檢測(cè)裝置及輸送帶防撕裂裝置[3]。此外，還在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中增加自動(dòng)除鐵裝置，主要是為了保護(hù)破碎設(shè)備，避免帶式輸送機(jī)因礦石中夾雜鐵器等異物造成設(shè)備損壞；同時(shí)在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中增加礦石計(jì)量及控制裝備，對(duì)入選的礦量進(jìn)行瞬時(shí)顯示及累計(jì)，并將信號(hào)發(fā)送到主控室，控制受礦倉下的卸料設(shè)備，通過變頻調(diào)整卸料設(shè)備的排礦量來調(diào)整礦量。

2.1.3 圓錐破碎機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)改造

在破碎作業(yè)過程中，各段之間的破碎比應(yīng)合理分配，以免造成破碎機(jī)負(fù)荷不均勻，無法實(shí)現(xiàn)高效破碎。為此采用多段破碎機(jī)負(fù)荷及排礦口自動(dòng)控制系統(tǒng)，每臺(tái)破碎機(jī)根據(jù)檢測(cè)的負(fù)荷值和排礦口尺寸，自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)的排礦口或給礦量，在最終產(chǎn)品粒度和破碎效率都達(dá)到工藝要求的條件下，使每臺(tái)破碎機(jī)都滿負(fù)荷運(yùn)行。

對(duì)于圓錐破碎機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)改造主要集中在潤滑系統(tǒng)以及設(shè)備自帶的破碎機(jī)自動(dòng)運(yùn)行和參數(shù)調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)油溫、油壓、電動(dòng)機(jī)功率、回油油流、主軸位置等各參數(shù)的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)整破碎機(jī)的運(yùn)行方式，使破碎機(jī)在設(shè)定的模式下正常運(yùn)行。

2.2 過程控制層改造

選礦廠碎礦流程生產(chǎn)線較長，廠房分散，主要由原礦倉廠房、篩分廠房、中細(xì)碎廠房、帶式輸送機(jī)廊及轉(zhuǎn)運(yùn)站組成。從控制角度來講，碎礦流程的主要控制內(nèi)容有設(shè)備的順序啟停與連鎖、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控、各緩沖礦倉料位監(jiān)測(cè)、破碎機(jī)設(shè)備自身的監(jiān)控、開停車及崗位信號(hào)聯(lián)系等[4]。本著分散控制、集中監(jiān)視的原則，同時(shí)根據(jù)配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以在中細(xì)碎廠房、篩分廠房、原礦倉廠房設(shè)立 PLC 站 (也可以在主低壓配電室設(shè)置總 PLC 站)，在主控室設(shè)置操作站[5]。各 PLC 站之間與中細(xì)碎廠房的主操作站通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接組成控制系統(tǒng)，同時(shí)整個(gè)碎礦控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接到主廠房主控系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)控制方式主要分為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和 PLC 集中聯(lián)鎖自動(dòng) 2 種方式?，F(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)用于設(shè)備的檢修、試車及單獨(dú)運(yùn)行；集中聯(lián)鎖自動(dòng)用于生產(chǎn)的自動(dòng)正常運(yùn)行。為確保操作人員及設(shè)備自身安全，在 PLC 的內(nèi)部和外部硬接線中均設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)環(huán)節(jié)和緊急停車處理系統(tǒng)，只有在取得了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的許可后才能啟動(dòng)系統(tǒng)，即在現(xiàn)場(chǎng)將機(jī)旁控制箱中的轉(zhuǎn)換開關(guān)均轉(zhuǎn)換到自動(dòng)位置，待發(fā)出指示信號(hào)后才能啟動(dòng)。

啟動(dòng)前，主控室根據(jù)工藝流程模擬屏顯示的情況，向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光預(yù)告信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員在完成設(shè)備巡檢、準(zhǔn)備就緒后發(fā)出允許啟動(dòng)信號(hào)，PLC 才能進(jìn)入正常的啟動(dòng)程序。首先發(fā)出 30 s 的聲光啟動(dòng)信號(hào)，然后按設(shè)備啟動(dòng)連鎖流程，從進(jìn)入磨浮粉礦倉的輸送帶至原礦受礦倉卸礦設(shè)備逐臺(tái)啟動(dòng)設(shè)備。運(yùn)行過程中當(dāng)系統(tǒng)中的除塵器、輸送帶除鐵裝置等設(shè)備發(fā)生故障跳閘時(shí)，只向主控室發(fā)出故障信號(hào)，通過信號(hào)燈的閃爍在上位機(jī)上顯示出來，可以不中斷系統(tǒng)的運(yùn)行；而當(dāng)帶式輸送機(jī)、振動(dòng)篩、圓錐破碎機(jī)中任一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，立即停止來料方向設(shè)備的運(yùn)行，送料方向上的設(shè)備根據(jù)情況按生產(chǎn)要求停機(jī)。

2.3 監(jiān)控管理層改造

由于碎礦流程線路較長，部分崗位工作環(huán)境較差，因此在新建碎礦系統(tǒng)中基本上都安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)控，可避免各崗位之間由于聯(lián)系不暢造成事故，同時(shí)提高操作人員的生產(chǎn)管理能力。

該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)監(jiān)測(cè)、程序上/下傳、遠(yuǎn)程測(cè)試編程等。碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖 2、3 所示。

圖2 碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)界面 1Fig.2 Man-machine interface 1 of crushing automatic control system

圖3 碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)界面 2Fig.3 Man-machine interface 2 of crushing automatic control system

3 應(yīng)用效果

降低了備件和維修成本，有效減少了生產(chǎn)操作人員的工作量。

通過本次碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)改造，金川選礦廠某車間 4 500 t/d 碎礦系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)無人化值守。系統(tǒng)試運(yùn)行 3 個(gè)月以來，在實(shí)際應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益方面均取得了較好的效果。

(1) 崗位操作人員僅需進(jìn)行日常巡檢及維護(hù)即可，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度減小，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了長周期正常運(yùn)行。

(2) 破碎作業(yè)全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)更加靈活，破碎效率更高，4 臺(tái)破碎機(jī)的破碎效率大幅度增加，從原來的65% 增長到 80%，破碎效果更好。

(3) 設(shè)備故障率相比改造前更低，系統(tǒng)非計(jì)劃停車時(shí)間更少。

(4) 通過對(duì)碎礦系統(tǒng)的改進(jìn)，為選礦廠帶來了直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每減少 1 h 的非計(jì)劃停車，將給選礦廠帶來直接經(jīng)濟(jì)效益 5 萬元；間接的經(jīng)濟(jì)效益是設(shè)備長周期正常運(yùn)行后，設(shè)備啟停率降低，設(shè)備能耗進(jìn)一步降低。

4 結(jié)語

金川選礦廠通過對(duì)碎礦自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)改造，已實(shí)現(xiàn)碎礦系統(tǒng)自動(dòng)化以及無人化值守，不僅提高了破碎機(jī)破碎效率和振動(dòng)篩篩分效率，而且減少了循環(huán)負(fù)荷，降低了能源消耗，使最終產(chǎn)品粒度更細(xì)，可為磨礦工藝提供合格的物料，在多碎少磨和節(jié)能降耗方面取得了較好的成果。同時(shí)，通過提高設(shè)備的自動(dòng)化控制水平，使得設(shè)備能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步降低了設(shè)備故障率，減少了檢修維護(hù)工作量，