尹豐豐，王 旭，王 清

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100160）

在選礦行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化、設(shè)備大型化及原礦品位不斷降低的大背景下，節(jié)能降耗已成為企業(yè)降本增效的主要手段。但受限于來料礦石塊度、硬度及含泥量等頻繁波動(dòng)的影響，僅依靠人工操作經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整工藝控制參數(shù)，已不能及時(shí)應(yīng)對(duì)工況變化，不可避免導(dǎo)致生產(chǎn)波動(dòng)，影響選廠產(chǎn)能。碎磨是礦物加工過程的首道工序，也是能耗最高的作業(yè)工序，通常破碎和磨礦系統(tǒng)的功耗約占金屬礦山選礦廠能耗的50%～70%。“多碎少磨、細(xì)碎入磨”是提高生產(chǎn)效率降低選礦成本的重要途徑。

高壓輥磨機(jī)作為一種新型的高效粉碎設(shè)備，除了具有提高礦物解離度和浮選回收率等優(yōu)勢以外，在節(jié)能降耗方面效果十分顯著。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，高壓輥磨機(jī)與其他破碎設(shè)備相比，平均節(jié)能可高達(dá)20%以上。目前，該設(shè)備在我國有色金屬礦山碎磨流程已逐步開始使用。

1 高壓輥磨工藝流程及設(shè)備介紹

我國某大型黃金礦山選礦廠破碎工藝采用三段一閉路流程，2臺(tái)HP500圓錐破碎機(jī)作為中碎設(shè)備，1臺(tái)高壓輥磨機(jī)作為開路細(xì)碎設(shè)備，破碎產(chǎn)品粒度可滿足P80＝10mm，日處理能力近萬噸，其工藝流程見圖1。

圖1 某黃金選礦廠破碎工藝流程圖

高壓輥磨機(jī)主要由給料裝置、一對(duì)擠壓輥、傳動(dòng)裝置、液壓和潤滑系統(tǒng)等組成。其中，擠壓輥又分為定棍及可水平移動(dòng)調(diào)節(jié)的動(dòng)棍。液壓系統(tǒng)根據(jù)給入物料的性質(zhì)提供合適的壓力來保證動(dòng)輥移動(dòng)到預(yù)期位置，以形成合格粒度的產(chǎn)品［1］。高壓輥磨機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 高壓輥磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，礦石經(jīng)由膠帶給礦機(jī)均勻給入輥磨機(jī)的喂料倉，并隨著定輥和動(dòng)輥的轉(zhuǎn)到向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，已由單純的礦石顆粒破碎逐漸變成為物料層間的擠壓粉碎［2－4］。物料層在輥間高壓下形成，顆粒在壓力迫使下互相擠壓，并且產(chǎn)生了大量裂紋，而且也不存在類似于球磨機(jī)中的無效撞擊和摩擦，絕大部分能量均用于粉碎，因而其能效也較高。所以高壓輥磨機(jī)用于球磨機(jī)前替代部分粗磨的工作對(duì)選礦節(jié)能與提高部分選別指標(biāo)有益［5］。

2 給料問題分析及控制目標(biāo)

2．1 給料問題分析

高壓輥磨機(jī)在有色金屬礦山的應(yīng)用仍處于起步階段，直到2003年世界第一臺(tái)黃金礦山樣機(jī)才開始投產(chǎn)。在國內(nèi)，某大型黃金礦山于2013年率先將高壓輥磨機(jī)應(yīng)用到黃金選礦過程中。但由于缺乏操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備控制效果不盡如人意，并沒有最大限度地發(fā)揮設(shè)備的潛在生產(chǎn)能力。如表1所示，為該黃金選礦廠2014年高壓輥磨機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。從該表中可以看出，由于人為操作不當(dāng)?shù)仍?，造成設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)間平均超過20%，嚴(yán)重制約了整個(gè)黃金選廠的產(chǎn)能提升。

表1 2014年某黃金選礦廠高壓輥磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

在高壓輥磨機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，動(dòng)輥的擠壓粉碎力是通過物料層傳遞給定輥的，因此兩輥間必須存在一層物料，作為料層粉碎的前提條件。為了發(fā)揮設(shè)備的最大效能，降低其空載運(yùn)行時(shí)間，這就要求高壓輥磨機(jī)作業(yè)能夠獲得充分連續(xù)的給礦，即實(shí)現(xiàn)擠滿給礦控制。

在理想條件下，基于物料平衡原理，高壓輥磨機(jī)的給礦量應(yīng)與其排礦能力一致，保持喂料斗的料位穩(wěn)定，進(jìn)而使得高壓輥磨機(jī)始終工作在一個(gè)較為穩(wěn)定的負(fù)荷范圍內(nèi)。然而實(shí)際生產(chǎn)中，一方面受給入礦石性質(zhì)變化的影響，比如礦石塊度及硬度的波動(dòng)，在輥縫保持不變的條件下，物料在設(shè)備內(nèi)的流通能力勢必會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成喂料斗料位的變化。當(dāng)料位偏低時(shí)，將會(huì)影響設(shè)備料層粉碎的效果，當(dāng)料位特別低時(shí)，由于沒有形成墊料層，減少了新給入物料在輥磨機(jī)內(nèi)部擠壓破碎的時(shí)間，排礦產(chǎn)品粒度將明顯偏粗，設(shè)備工作效率降低，與此同時(shí)，輥面磨損嚴(yán)重，設(shè)備維護(hù)成本大幅增加；相反地，當(dāng)喂料斗料位偏高時(shí)，易造成喂料斗冒礦，需要被動(dòng)停車處理。另一方面，受上游生產(chǎn)流程異常、設(shè)備故障等影響，高壓輥磨機(jī)的給礦緩沖料倉也會(huì)出現(xiàn)供料不及時(shí)的情況，此時(shí)，高壓輥磨機(jī)的給料控制系統(tǒng)也應(yīng)作出相應(yīng)處理，防止設(shè)備長時(shí)間空載運(yùn)行。

2．2 控制目標(biāo)

為了保證高壓輥磨機(jī)發(fā)揮其最大的作業(yè)效率，必須對(duì)高壓輥磨機(jī)實(shí)施擠滿給料控制。因此，首先需要對(duì)給礦緩沖礦倉及高壓輥磨機(jī)喂料斗的料位實(shí)施監(jiān)測，同時(shí)通過調(diào)節(jié)給礦機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)給礦量的自動(dòng)控制。需要說明的是，由于喂料斗容量有限，這里采用抗干擾能力更佳的稱重裝置，通過體積換算間接得到喂料斗的料位值。依據(jù)喂料斗的實(shí)時(shí)料位值，來自動(dòng)調(diào)節(jié)膠帶給料機(jī)的帶速，進(jìn)而控制料位，達(dá)到擠滿給料的控制目標(biāo)。

考慮到生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的異常情況，高壓輥磨機(jī)給礦控制系統(tǒng)也應(yīng)具備連鎖保護(hù)停車功能，比如在高壓輥磨機(jī)異常停車，排礦皮帶異常停車，給料過鐵等情況發(fā)生時(shí)；同時(shí)，針對(duì)由于礦石含泥量大粘度大造成的高壓輥磨機(jī)喂料斗堵塞、給礦緩沖礦倉下料口堵塞等異常工況應(yīng)具備自動(dòng)識(shí)別及相應(yīng)的保護(hù)功能，以保證高壓輥磨機(jī)作業(yè)回路的持續(xù)穩(wěn)定和高效。

3 擠滿給料控制策略

3．1 擠滿給料專家控制算法

由于高壓輥磨機(jī)給礦過程具有滯后性，加之給礦性質(zhì)變化造成的擾動(dòng)，常規(guī)PID控制有一定難度，容易造成高壓輥磨機(jī)喂料斗料位大幅波動(dòng)，無法滿足生產(chǎn)控制需要。

為了提高控制性能，本文提出了具有高壓輥磨機(jī)擠滿給料專家控制算法。該控制算法立足于歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合人工操作經(jīng)驗(yàn)，提取出若干 “IF THEN”控制規(guī)則，根據(jù)當(dāng)前控制量的誤差及誤差變化率的變化情況，由“IF－THEN”規(guī)則預(yù)測控制輸出量的變化，以期達(dá)到快速響應(yīng)的目的。算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制算法結(jié)構(gòu)圖

3．2 異常工況識(shí)別與處理

為了保證高壓輥磨機(jī)作業(yè)回路及設(shè)備的安全，僅僅依靠擠滿給料控制器還是不夠的，我們需要對(duì)高壓輥磨機(jī)作業(yè)回路的異常工況和故障進(jìn)行識(shí)別，并在給礦控制系統(tǒng)中作出及時(shí)的響應(yīng)。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)過的異常工況，分為以下三種情況。

1）給礦機(jī)下游作業(yè)回路設(shè)備故障停車。當(dāng)包括高壓輥磨機(jī)及排料皮帶等在內(nèi)的給礦機(jī)下游設(shè)備發(fā)生異常而故障停車時(shí)，給礦機(jī)立刻連鎖停車。

2）高壓輥磨機(jī)喂料斗堵塞。由于給礦中可能含有雜物，或給礦含泥量較大容易造成高壓輥磨機(jī)喂料斗堵塞。在給礦控制輸出不斷減小的前提下，當(dāng)控制系統(tǒng)識(shí)別出高壓輥磨機(jī)喂料斗料位超過設(shè)定值且持續(xù)增加時(shí)，系統(tǒng)判定喂料斗有可能發(fā)生堵塞，自動(dòng)觸發(fā)給礦機(jī)停車，并給出報(bào)警提示。

3）給礦緩沖礦倉空料或下料口堵塞。在給礦控制輸出不斷增加的前提下，當(dāng)控制系統(tǒng)識(shí)別出高壓輥磨機(jī)喂料斗料位持續(xù)減小，且給礦機(jī)及高壓輥磨機(jī)的設(shè)備負(fù)荷偏小時(shí)，系統(tǒng)判定給礦緩沖礦倉料或下料口堵塞，控制器自動(dòng)記錄當(dāng)前控制輸出量后給出給礦機(jī)停車指令，下次給礦機(jī)將已上一次記錄的控制輸出值作為初始啟動(dòng)頻率。

4 擠滿給料自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4．1 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本高壓輥磨機(jī)擠滿給礦控制系統(tǒng)選擇GE 3i冗余系列CPU作為主控器。給礦機(jī)的監(jiān)控信號(hào)以及高壓輥磨機(jī)給礦緩沖礦倉的料位信號(hào)等分別通過Profibus－DP及Profibus－PA接口送入遠(yuǎn)程IO站中，CPU與遠(yuǎn)程IO站間，以及高壓輥磨機(jī)成套S7－300控制器間通過以太網(wǎng)建立通訊連接。CPU采集到的現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器后顯示到控制室集中監(jiān)控畫面上。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

本高壓輥磨機(jī)擠滿給料自動(dòng)控制系統(tǒng)操作畫面分為連鎖控制和回路控制兩個(gè)部分，見圖5。在連鎖控制畫面區(qū)域中，主要實(shí)現(xiàn)的是給礦連鎖保護(hù)停車功能；在回路控制畫面區(qū)域中，可以實(shí)現(xiàn)給料的手動(dòng)與自動(dòng)的無擾切換。在自動(dòng)控制條件下，可以實(shí)現(xiàn)本文如前所述的擠滿給礦控制功能。

4．2 工業(yè)應(yīng)用

圖4 擠滿給料自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖5 擠滿給料自動(dòng)控制畫面

本高壓輥磨機(jī)擠滿給礦自動(dòng)控制系統(tǒng)已在國內(nèi)某大型黃金礦山選礦流程高壓輥磨機(jī)作業(yè)回路投入了使用，高壓輥磨機(jī)擠滿給料控制曲線見圖6，其中處于畫面上部的淺色虛線為輥磨機(jī)定輥電流（范圍0～600A），畫面下部的深色曲線為輥磨機(jī)喂料斗料位（范圍0～100%）。由圖6可知，喂料斗料位值很好地穩(wěn)定在了工藝要求的45%附近，與此同時(shí)高壓輥磨機(jī)的負(fù)荷曲線也十分穩(wěn)定，表明了設(shè)備工作狀態(tài)的穩(wěn)定。與常規(guī)PID控制相比，該套專家控制算法很好的解決了給礦調(diào)節(jié)的滯后問題，無論是在調(diào)節(jié)時(shí)間，抗擾動(dòng)能力還是魯棒性都有了很大的改善。

圖7所示為高壓輥磨機(jī)異常工況識(shí)別與故障診斷報(bào)警畫面，該系統(tǒng)成功識(shí)別出了輥磨機(jī)喂料斗堵塞，給礦緩沖礦倉空料等異常工況，并自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)停車，起到了預(yù)防事故擴(kuò)大化及降低設(shè)備空轉(zhuǎn)率的作用。

5 結(jié) 語

針對(duì)高壓輥磨機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，空載運(yùn)行時(shí)間長，設(shè)備利用率低的問題，本文提出了一種高壓輥磨機(jī)擠滿給料專家控制策略。該控制算法調(diào)節(jié)速度快，并且具有較強(qiáng)的魯棒性。與此同時(shí)，考慮到高壓輥磨機(jī)作業(yè)回路中潛在的異常工況，控制系統(tǒng)進(jìn)行了故障識(shí)別與診斷，并且與給礦控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，保證了整個(gè)高壓輥磨機(jī)作業(yè)回路的生產(chǎn)安全。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明了該高壓輥磨機(jī)擠滿給料控制系統(tǒng)的有效性。

圖6 高壓輥磨機(jī)擠滿給料控制曲線

圖7 故障監(jiān)測表截圖

［1］ 劉紅軍，張升奇，邵彬，等．高壓輥磨機(jī)在冶金行業(yè)的開發(fā)及應(yīng)用［J］．礦山機(jī)械，2006（10）：152－153．

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［3］ 劉建遠(yuǎn)．高壓輥磨機(jī)粉碎數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬研究進(jìn)展［J］．金屬礦山，2010（8）：1－6．

［4］ 鄧嶺．壓輥磨機(jī)關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化研究［D］．長沙：中南大學(xué)，2012．

［5］ 張勇，尚旭．選礦廠高壓輥磨機(jī)破碎系統(tǒng)的自動(dòng)控制研究［J］．有色設(shè)備，2014（1）：4－8．