江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院汽車機(jī)電學(xué)院 江西贛州 341000

棒磨機(jī)磨礦控制是選礦廠生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的部分，其工作效率與控制水平將直接影響選礦廠的精礦回收率與能耗水平[1]。由于我國(guó)選礦自動(dòng)化起步較晚，磨礦自動(dòng)化控制基本處于初級(jí)階段，磨礦控制環(huán)節(jié)一直還停留在人工操作控制階段[2]；又由于各礦山選礦廠對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)認(rèn)可度不同，以及現(xiàn)場(chǎng)操作工技術(shù)水平相差較大，導(dǎo)致各選廠自動(dòng)化水平參差不齊，這些都制約著磨礦自動(dòng)化水平的提高和磨礦效益的改善。因此，改善棒磨機(jī)自動(dòng)化水平是實(shí)現(xiàn)磨礦節(jié)能降耗、提升效益的重要手段。

1 磨礦控制技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)大多鎢選礦廠棒磨機(jī)自動(dòng)控制水平相對(duì)落后，磨礦生產(chǎn)過程中存在環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、能耗高、效率低且很不穩(wěn)定等突出問題。經(jīng)調(diào)研，磨礦操作還處在純手動(dòng)控制階段，這種控制方式由于受操作人員經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心等因素影響，造成給礦波動(dòng)大，難以保證磨礦的穩(wěn)定，棒磨機(jī)生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)“脹肚”或“不飽”現(xiàn)象[3]。磨礦過程如果不斷增加棒磨機(jī)的給礦量，很容易造成棒磨機(jī)過負(fù)荷工作，使磨礦產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，影響后續(xù)選礦工藝的選出效率，情況嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)損壞設(shè)備；相反，為了防止棒磨機(jī)過負(fù)荷，將磨機(jī)給礦量一味降低，又容易造成磨礦工段生產(chǎn)效率過低，導(dǎo)致棒磨機(jī)耗電量增加，企業(yè)用電成本升高，影響整個(gè)選礦廠的處理量[4]；如果磨礦現(xiàn)場(chǎng)操作工長(zhǎng)期在高勞動(dòng)強(qiáng)度和噪聲下工作，還會(huì)對(duì)工人身體健康造成較大影響。針對(duì)以上情況，急需引入先進(jìn)控制理論和控制方法來改善棒磨機(jī)自動(dòng)控制水平，使磨礦工段能長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行，保證礦山生產(chǎn)效率最大化，提高礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 棒磨機(jī)監(jiān)控形式

本控制系統(tǒng)根據(jù)棒磨機(jī)流程分布情況，結(jié)合選礦工藝的監(jiān)測(cè)控制需求，確定系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象有擺式給料機(jī)給礦量，棒磨機(jī)供水流量，棒磨機(jī)工作時(shí)的磨音、功率和礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及部分相關(guān)泵池的液位等。系統(tǒng)控制的主要對(duì)象有擺式給料機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，棒磨機(jī)給水控制閥開度，部分礦用水泵的開關(guān)，螺旋分級(jí)機(jī)補(bǔ)加水閥門開度等[5]。結(jié)合選礦廠生產(chǎn)管理實(shí)際情況，形成智能控制、遠(yuǎn)程人工控制及本地人工控制 3 種工作形式。根據(jù)磨礦工段工藝流程，首先對(duì)設(shè)備的啟停控制進(jìn)行必要的設(shè)備自鎖及設(shè)備間互鎖。建成后的系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行在智能控制狀態(tài)，為了應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過程中的突發(fā)情況，系統(tǒng)亦可采取遠(yuǎn)程人工控制以及本地人工控制等形式。

磨礦自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成如圖 1 所示，整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由 3 級(jí)組成：一級(jí)為遠(yuǎn)程工業(yè)控制計(jì)算機(jī) (或稱上位計(jì)算機(jī))，一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng) PLC 控制系統(tǒng)，另一級(jí)為手機(jī)小程序。PLC 采集棒磨機(jī)數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，遠(yuǎn)程工控機(jī)主要將 PLC 數(shù)據(jù)顯示出來并存入數(shù)據(jù)庫，手機(jī)小程序則通過移動(dòng)端可方便查詢到工控機(jī)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

圖1 磨礦自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware composition of grinding automatic control system

3 磨礦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

棒磨機(jī)控制系統(tǒng)采用可編程控制器 (PLC)、工控機(jī)、威綸通 TK6070 系列觸摸屏為核心控制單元，包括時(shí)序控制系統(tǒng)、擺式給料機(jī)變頻器控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和手機(jī)端顯示系統(tǒng)等[6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖 2 所示。

圖2 磨礦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of grinding control system

為保證整個(gè)棒磨機(jī)控制系統(tǒng)供電穩(wěn)定，平常采用市電為磨礦控制系統(tǒng)供電，如出現(xiàn)停電或供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，控制系統(tǒng)自動(dòng)切換成不間斷電源 (UPS)，防止生產(chǎn)過程中系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失和棒磨機(jī)控制系統(tǒng)癱瘓等危險(xiǎn)事故發(fā)生。整個(gè)供電系統(tǒng)由空氣開關(guān)、穩(wěn)壓器、UPS 和電源防雷保護(hù)器等電氣元件組成，如圖 3 所示。

本項(xiàng)目主要控制對(duì)象是擺式給料機(jī)給礦量，圖 4所示為變頻器控制擺式給料機(jī)電氣圖，整個(gè)回路主要由斷路器、變頻器、交流接觸器等組成，采用 1 臺(tái)功率為 3.7 kW 的臺(tái)達(dá)變頻器通過切換互鎖控制 2 臺(tái) 2.2 kW 的擺式給料機(jī)，擺式給料機(jī)給礦量通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，圖 5 所示為擺式給料機(jī)控制線路圖。

4 棒磨機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

鎢礦棒磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要控制單元分為兩大部分：一部分是給礦量的控制，另一部分是排礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制。棒磨機(jī)給礦量的控制主要通過采集棒磨機(jī)的磨音和功率，經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析來判斷棒磨機(jī)負(fù)荷，同時(shí)采集螺旋分級(jí)機(jī)的電流，據(jù)此形成返砂比參數(shù)[7]。核心控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前棒磨機(jī)采集的磨音信號(hào)、磨機(jī)的功率值以及螺旋分級(jí)機(jī)電流值來判斷棒磨機(jī)當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算，得出當(dāng)前給礦量值。通過對(duì)該值和皮帶稱檢測(cè)的給礦量進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算對(duì)比，可編程控制器將運(yùn)算控制信號(hào)輸出至變頻調(diào)節(jié)單元，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，進(jìn)而通過改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變擺式給料機(jī)的擺動(dòng)速度，從而將給礦量控制在最佳范圍內(nèi)。系統(tǒng)亦可通過采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行磨機(jī)過負(fù)荷保護(hù)的判斷，在過負(fù)荷狀態(tài)下適時(shí)停止對(duì)系統(tǒng)給礦。給礦量控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖 6 所示。

圖3 供電系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of power supply system

圖4 擺式給料機(jī)電氣圖Fig.4 Electrical diagram of pendulum feeder

圖5 擺式給料機(jī)控制線路圖Fig.5 Control circuit diagram of pendulum feeder

圖6 給礦量控制單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of feeding amount control unit

系統(tǒng)智能控制狀態(tài)是由其核心控制部件可編程控制器來實(shí)現(xiàn)的，在保證前端粗破碎處理完成的情況下，操作人員在人工開啟部分設(shè)備后，只需將系統(tǒng)設(shè)置成智能控制并開啟系統(tǒng)，系統(tǒng)即可依據(jù)采集的各設(shè)備及流程參數(shù)，智能控制各個(gè)可調(diào)控裝置的頻率、開度和開關(guān)等參數(shù)，使磨礦工段的各設(shè)備運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。操作人員可通過現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏或上位計(jì)算機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)納入本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的設(shè)備發(fā)生故障，或其他設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超出預(yù)設(shè)生產(chǎn)閾值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警，提示操作人員及時(shí)進(jìn)行設(shè)備檢修與系統(tǒng)維護(hù)[8]。

遠(yuǎn)程人工控制狀態(tài)，主要是通過上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)人工控制，操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像在確保安全的情況下，實(shí)現(xiàn)已接入系統(tǒng)的可控制設(shè)備的啟動(dòng)與停止。該控制方式主要用于特殊生產(chǎn)工藝條件下，對(duì)智能控制過程進(jìn)行人為干預(yù)，以保證生產(chǎn)效率最大化與產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)。

本地人工控制狀態(tài)，主要是由操作人員在設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)緊急情況的應(yīng)急控制。操作人員首先通過切換系統(tǒng)主控制柜的遠(yuǎn)程/本地切換開關(guān)，將設(shè)備默認(rèn)的遠(yuǎn)程工作狀態(tài)切換為本地工作狀態(tài)，再通過設(shè)備的啟停按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工控制。該控制方式主要用于出現(xiàn)緊急情況時(shí)的應(yīng)急控制，或者在設(shè)備檢修期間的按需控制。當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)切換為本地工作狀態(tài)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的人工手動(dòng)操作方式具有最高的系統(tǒng)操作等級(jí)權(quán)限，為確保安全，此時(shí)系統(tǒng)無法進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)與人工控制，只能查看設(shè)備的工作狀態(tài)信息。

根據(jù)選廠棒磨機(jī)工藝流程，通過組態(tài)王監(jiān)控軟件在上位機(jī)上以動(dòng)畫、圖片、聲音等形式動(dòng)態(tài)模擬監(jiān)控各設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，主要界面包括登錄、用戶管理、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、退出系統(tǒng)等。棒磨機(jī)磨礦生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控主畫面如圖 7 所示，畫面實(shí)時(shí)顯示棒磨機(jī)整個(gè)工藝設(shè)備的工作狀態(tài)和主要參數(shù)，包括給礦量、給水量、磨音、棒磨機(jī)功率、閥門開度、擺式給料機(jī)給礦頻率、棒磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等[9]。

圖8 所示為棒磨機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)時(shí)顯示棒磨機(jī)磨礦生產(chǎn)過程中的給礦量、給水量、棒磨機(jī)電耗等數(shù)據(jù)，以及整個(gè)磨礦生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以方便用戶整體查看與控制。

圖7 棒磨機(jī)磨礦生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控主畫面Fig.7 Main monitoring interface of grinding process with rod mill

圖8 棒磨機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表Fig.8 Real-time data report of control system for rod mill

5 結(jié)語

通過該棒磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行，大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了磨礦生產(chǎn)的科學(xué)管理，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，并且該控制系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展空間，適用于將來的升級(jí)優(yōu)化。