某金礦選礦工藝流程自動(dòng)化設(shè)計(jì)及實(shí)踐

某金礦始建于 1999 年，生產(chǎn)規(guī)模為 30 萬 t/a，礦石平均入選品位為 1.25 g/t，浮選回收率約為 82%。該礦破碎系統(tǒng)采用三段一閉路流程，磨礦系統(tǒng)采用兩段磨礦，一段球磨機(jī)、二段立式攪拌磨機(jī)；均與旋流器構(gòu)成閉路流程。浮選系統(tǒng)采用一次粗選、二次洗選、三次掃選。粗選精礦經(jīng)二段磨礦后進(jìn)入作業(yè)；浮選精礦經(jīng)濃縮機(jī)濃縮、壓濾機(jī)脫水后，獲得最終精礦；浮選尾礦則經(jīng)隔膜泵送入尾礦庫(kù)。隨著采選年限的延長(zhǎng)，礦石性質(zhì)逐漸復(fù)雜，自動(dòng)控制系統(tǒng)不完善、各工藝系統(tǒng)相對(duì)孤立，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，礦石資源利用率低，選礦成本不斷增加。綜合考慮降低人工成本及提升礦山經(jīng)濟(jì)效益的需求，建設(shè)礦山自動(dòng)化以實(shí)現(xiàn)其集約、生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化減人和精確控制的目標(biāo)。

1 控制現(xiàn)狀

該礦破碎、磨礦、浮選主要設(shè)備依賴人工現(xiàn)場(chǎng)啟停操作；磨浮工序的補(bǔ)加水、充氣、閥門開度等依靠人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整；泵池和浮選機(jī)均未配備液位檢測(cè)裝置，旋流器溢流缺少相應(yīng)的流量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力、粒度等檢測(cè)儀表。生產(chǎn)過程中，隨著礦石性質(zhì)的變化，人工經(jīng)驗(yàn)控制會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)波動(dòng)偏差大，如磨礦產(chǎn)品溢流 -74 mm 含量為 50%～ 60%，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量為 35～48 t/h，造成后續(xù)浮選作業(yè)隨之波動(dòng)，影響最終精礦回收率和品位，增加了設(shè)備能耗，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響生產(chǎn)效益。主要設(shè)備清單如表1 所列。

表1 主要設(shè)備清單

2 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為穩(wěn)定選礦工藝指標(biāo)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，該礦建設(shè)一套選礦自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)選礦工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確控制，以提高工序環(huán)節(jié)的工作準(zhǔn)確性，降低設(shè)備能耗，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

針對(duì)該礦存在的問題，結(jié)合選礦工藝流程的特點(diǎn)，增加基礎(chǔ)儀表裝置、自動(dòng)控制器和視頻監(jiān)控等，組成完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.1 儀表裝置

選礦工藝流程的關(guān)鍵操作、數(shù)據(jù)檢測(cè)、檢測(cè)儀表和自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)定量顯示設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與自動(dòng)化操控，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高操作的準(zhǔn)確性。檢測(cè)儀表包含料位、流量、壓力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)的裝置以及電動(dòng)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如表2 所列。

表2 主要儀表

2.2 I/O 統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)設(shè)備及儀表清單，統(tǒng)計(jì)啟停、備妥、運(yùn)行、預(yù)警、故障信號(hào)以及傳感器模擬信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋信號(hào)等各類型 I/O 點(diǎn)，如表3 所列。

表3 控制站 I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) 個(gè)

為提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，在控制器發(fā)生故障或通信異常時(shí)，DO 和 AO 均保持預(yù)設(shè)輸出、短路自保護(hù)功能。模擬量信號(hào)模塊 (AI、AO) 設(shè)計(jì)配備 4～20 mA 信號(hào)隔離器，并獨(dú)立供電，滿足 2-3-4 線制輸入靈活切換，信號(hào)隔離器的輸出采用 4 線制連接至 AI模塊。

輸入輸出模塊具備自診斷功能和抗干擾能力，且功耗低。I/O 模塊的每個(gè)通道不受其他通道運(yùn)行影響，當(dāng)一個(gè)通道出現(xiàn)故障或外部?jī)x表故障時(shí)，其他通道應(yīng)能正常工作，且設(shè)計(jì)各類模塊的精度不低于0.1%。I/O 模塊內(nèi)各通道隔離，各通道與電源隔離，能夠識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)接線斷路或短路，并發(fā)出報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)主要硬件選型設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求和 I/O 點(diǎn)信息處理，對(duì)系統(tǒng)控制器、工作站、視頻系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了確保系統(tǒng)的高可靠性和冗余性能，選用西門子 S7-1500 系列 1515R 為核心控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多任務(wù)執(zhí)行及故障無縫切換；信號(hào)模塊采用 ET 系列，具備豐富 I/O 點(diǎn)數(shù)和熱插拔功能，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留 15% 以上 I/O 裕量以滿足未來擴(kuò)展需求。

集控中心 UPS 系統(tǒng)具備故障切換旁路及 2 h 后備電源，應(yīng)對(duì)突發(fā)停電；電源進(jìn)線配置防雷器，增強(qiáng)安全性；24 V 供電采用開關(guān)電源，單路負(fù)荷 ≤50%，保障供電可靠。

選用高性能工作站。工程師站配備 Intel Core i7高性能處理器、16 G 運(yùn)行內(nèi)存以及穩(wěn)定的高性能固態(tài)硬盤 (SSD)，滿足復(fù)雜任務(wù)需求。操作員站配置 16 G內(nèi)存、4 TB 硬盤，為長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份提供了充足的空間；配置雙屏顯示，為操作員提供廣闊視野與便捷操作界面。

自動(dòng)化集控配備了視頻監(jiān)控系統(tǒng)和?？蹈咔寰W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，包括 400 萬像素槍式 (DS-2CD3T46G0-I5) 和球型攝像機(jī) (DS-2DF8627I-A)，以高分辨率和廣視角選捕捉生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心。系統(tǒng)采用 DS-6908HFK-S 視頻，將數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸出至無縫拼接大屏 (DS-D1000MF 系列高清液晶顯示屏)，通過圖像處理技術(shù)為管理人員提供直觀的監(jiān)控畫面，提升監(jiān)控效率和決策準(zhǔn)確性。

2.4 自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該礦自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化控制結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集與接收控制信號(hào)的前沿，覆蓋了所有生產(chǎn)設(shè)備及在線檢測(cè)儀表。通過 I/O 模塊，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)被讀入控制系統(tǒng)，控制指令發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。I/O 站利用光纖、以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

控制層作為系統(tǒng)的運(yùn)算與控制核心，使用高性能的控制器。從 I/O 模塊收集的數(shù)據(jù)送入控制器，實(shí)時(shí)運(yùn)行邏輯控制算法，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的精確調(diào)控。

系統(tǒng)控制采用以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，選用工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，千兆主干網(wǎng)絡(luò)傳輸，保證數(shù)據(jù)的高速傳輸。

管理層的上位機(jī)采用了 C/S 架構(gòu)，使得自動(dòng)化系統(tǒng)更加靈活和易于管理。工程師站負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件組態(tài)、編程、調(diào)試及維護(hù)等任務(wù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；而操作員站則成為操作人員監(jiān)控生產(chǎn)過程、執(zhí)行操作任務(wù)的重要平臺(tái)。

2.5 視頻監(jiān)控

基于對(duì)各工序主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工藝流程調(diào)控參數(shù)特點(diǎn)的深入分析，以及日常巡檢中發(fā)現(xiàn)的常見生產(chǎn)問題，如設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求、故障預(yù)警及快速響應(yīng)機(jī)制的建立等，設(shè)計(jì)了一套完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

此次項(xiàng)目視頻監(jiān)控點(diǎn)位為 16 臺(tái)，冗余 4 臺(tái)，視頻監(jiān)控點(diǎn)如表4 所列。

表4 視頻監(jiān)控點(diǎn)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在集中控制室設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)核心交換區(qū)，在車間、設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置視頻接入層。

(1) 視頻監(jiān)控核心層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 設(shè)置核心交換機(jī)，擔(dān)負(fù)核心層的通信轉(zhuǎn)發(fā)，提供優(yōu)化、可靠的骨干傳輸結(jié)構(gòu)，該交換機(jī)具有高可靠性、高吞吐量。

(2) 視頻監(jiān)控接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 接入層網(wǎng)絡(luò)用來連接前端攝像機(jī)，為了節(jié)省施工布線成本，前端攝像機(jī)選擇 POE 供電模式，接入層交換機(jī)選擇 POE，配置光電收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。

3 建設(shè)成效

3.1 集控系統(tǒng)界面展示

建設(shè)自動(dòng)化集控系統(tǒng)后，該礦的操作人員和管理人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并掌握整個(gè)生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的集中控制和管理。通過集成的連鎖保護(hù)程序和精細(xì)的回路控制策略，有效地把握生產(chǎn)情況，穩(wěn)定了工藝指標(biāo)，提高了生產(chǎn)安全性和效率。DCS 系統(tǒng)提供的直觀畫面使得監(jiān)控和操作更為便捷，增強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)過程的直觀理解和快速響應(yīng)能力，從而優(yōu)化了生產(chǎn)調(diào)度和管理決策，為該礦的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。DCS 工藝流程如圖2 所示。

圖2 DCS 工藝流程

3.2 自動(dòng)化改造后的應(yīng)用效果與效益

通過對(duì)該礦選礦工藝流程的自動(dòng)化改造，增加控制傳輸系統(tǒng)、攝像機(jī)、傳感器和儀表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主要運(yùn)行設(shè)備和工藝參數(shù)定性和定量的實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制，解決了關(guān)鍵參數(shù)的粗放調(diào)節(jié)問題，達(dá)到了工藝運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)控制；通過增加的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及工藝流程異常狀況，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到減人的效果；通過增加 DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)指標(biāo)的目標(biāo)，達(dá)到提升產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過對(duì)該礦各要素?cái)?shù)字化、自動(dòng)化和協(xié)同化管控，進(jìn)行數(shù)字化的監(jiān)視、控制和智能化管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步挖掘生產(chǎn)設(shè)備的潛能，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用后，現(xiàn)場(chǎng)操作人員減少了約 60%，產(chǎn)能提高了 22%，單位電耗降低了 2.38%，回收率提高了 1.06%。

(2) 該礦選礦工藝流程自動(dòng)化設(shè)計(jì)原理及實(shí)踐應(yīng)用，為同類型選礦工藝流程的改造提供參考依據(jù)，推動(dòng)了選礦行業(yè)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。