自動化控制系統(tǒng)在破碎工藝流程的應(yīng)用實踐

鄢新忠

（攀鋼集團礦業(yè)有限公司選礦廠，四川攀枝花 617000）

0 引言

選礦過程自動化控制技術(shù)的發(fā)展始于20 世紀(jì)40 年代末，至今已有70 多年的歷史[1-3]。由于選礦生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和特殊性，如性質(zhì)多變的物料流以及復(fù)雜礦物加工工藝流程導(dǎo)致選礦自動化過程發(fā)展進程較慢[4]。隨著感器技術(shù)、計算機技術(shù)、儀表技術(shù)的發(fā)展，全國多家企業(yè)如鞍鋼礦業(yè)、首鋼礦業(yè)與云錫集團的破碎系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了無人值守，并取得了良好的效果[5-7]。

攀鋼礦業(yè)有限公司選礦廠是20 世紀(jì)70 年代初建成的鐵礦選礦廠，其中破碎工藝流程先后經(jīng)過破碎閉路改造（2003 年）、中破磁滑輪拋尾系統(tǒng)改造（2009 年）以及工藝設(shè)備升級改造（2012 年）。期間設(shè)備控制系統(tǒng)雖然經(jīng)歷多次高壓室、電磁站改造，但電氣設(shè)備控制系統(tǒng)基本沿用建廠初期的以繼電—接觸方式實現(xiàn)設(shè)備間聯(lián)鎖、現(xiàn)場崗位分散控制，整個選礦廠設(shè)備自動控制系統(tǒng)裝備水平幾乎為零。

隨著社會的發(fā)展，推進數(shù)字礦山、綠色礦山、和諧礦山的“三個礦山”迫在眉睫。此外，在礦業(yè)的寒冬期，攀鋼集團公司為了應(yīng)對全球市場的變化，先后進行了人力資源優(yōu)化（裁員及降低生產(chǎn)成本）。為了使全廠在現(xiàn)有人員配置基礎(chǔ)上，生產(chǎn)系統(tǒng)能得到及時的監(jiān)測控制，降低崗位勞動強度以及粉塵、噪聲等職業(yè)病危害，避免因人為疏忽而引發(fā)故障，進一步促使選礦廠建立全流程的自動監(jiān)測控制系統(tǒng)。

綜上所述，攀鋼礦業(yè)有限公司選礦廠破碎工藝全自動化流程改造迫在眉睫。于是在多方考察的基礎(chǔ)上，啟動了選礦廠破碎階段的全自動化流程改造。

1 破碎工藝流程及運輸系統(tǒng)改造

1.1 破碎工藝流程

礦石經(jīng)火車托運至粗破并送入旋回破碎機，破碎后由2 臺重板給礦機分給到1#、2#皮帶并通過3#、4#皮帶送至中破緩沖倉，經(jīng)5#～10#皮帶分別送至圓錐破碎機。破碎后的礦石經(jīng)11#～14#、干1#～干4#皮帶運至干選緩沖倉，經(jīng)電振給料機送至干選機，尾礦經(jīng)干9#～干11#送至廢料倉，精礦經(jīng)干7#、干8#、15#、16#、新13#、新14#皮帶送至篩分礦倉。篩分礦倉礦石經(jīng)電動給礦機以及皮帶變頻給礦機送至振動篩進行篩分，篩下合格產(chǎn)品經(jīng)新15#、新16#、21#～24#皮帶送至粉礦倉，篩上礦石經(jīng)新7#～新12#、17#、18#皮帶送至細(xì)破緩沖倉。細(xì)破緩沖倉礦石經(jīng)皮帶變頻給礦機送至破碎機，破碎后的礦石經(jīng)19#、20#、新1#～新6#皮帶送至篩分礦倉，形成閉路循環(huán)（圖1）。

1.2 運輸系統(tǒng)流程改造

圖1 破碎車間生產(chǎn)工藝流程

皮帶系統(tǒng)對整個破碎車間的重要性，就好比血管對人體的重要性。它運行的好壞直接關(guān)系到生產(chǎn)是否正常進行，通過對皮帶運輸機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控及調(diào)節(jié)，保證選礦廠礦料的物流正常，為破碎工藝設(shè)備的高效運行提供可靠保障。本次不但對全流程的皮帶運輸系統(tǒng)進行了改造，同時也將破碎機電流、溫度、壓力、破碎腔料位等參數(shù)接入新系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制室可以調(diào)節(jié)設(shè)備排礦口大小等參數(shù)但不能啟停，而干選機、篩分機則通過總控制系統(tǒng)能夠全盤控制。由控制系統(tǒng)邏輯通過警示或停機等自動或遠(yuǎn)程手動完成操作，視頻監(jiān)控系統(tǒng)是對自動控制系統(tǒng)功能的補充，以實現(xiàn)安全、可靠的操作，從而達(dá)到減輕崗位勞動強度、減少耗電成本、降低設(shè)備故障率、保護重要設(shè)備安全運行的目的。

1.2.1 皮帶智能運行控制

對于皮帶而言長期運行可能會出現(xiàn)的跑偏、打滑、縱向撕裂、下料斗堵料等現(xiàn)象，因此只要能夠?qū)崟r監(jiān)測并調(diào)整跑偏、打滑就能保證皮帶良好的運行。

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測每一條皮帶運行情況，于是對皮帶的皮帶機電流、堵漏、打滑、跑偏、電流等情況進行了檢測，上面皮帶每間隔5 m 設(shè)置一個糾偏裝置，下面皮帶每間隔10 m 設(shè)置一個糾偏裝置。

此外，皮帶連接處的灰塵較大，于是在老系統(tǒng)袋式除塵基礎(chǔ)上，增加了噴霧除塵。噴霧除塵裝置采用聯(lián)鎖運行方式，當(dāng)然也可通過手動調(diào)節(jié)。聯(lián)鎖運行時的聯(lián)鎖設(shè)備為下一階段的皮帶機，根據(jù)皮帶機的空載與負(fù)載時電流的差異，噴霧裝置自動運行。此外，現(xiàn)場操作人員可根據(jù)礦石濕度及粉塵情況調(diào)節(jié)噴霧的大小，以避免噴霧過小時，粉塵過重；噴霧過大時，降低篩分效率、皮帶壽命等情況。

1.2.2 礦倉跑車智能布料

整個破碎車間總共包含中破6 料倉、干選12 料倉、篩分10 料倉、細(xì)破10 料倉4 個部分。其中，中破料倉由老3#、4#跑車進行布料，干選料倉由干3#、4#跑車進行布料，篩分礦倉由新13#、14#和5#、6#跑車進行布料、細(xì)破料倉由老17#、18#跑車進行布料，廢倉4 料倉由11#跑車進行布料。為了實現(xiàn)跑車像人一樣擁有“眼睛”“腳”“智慧”，需要引入監(jiān)測探頭來充當(dāng)著智能設(shè)備的“眼”“腳”等器官。在綜合考慮下，將雷達(dá)料位計、激光測距儀料位倉和跑車上，并加入綜合分析系統(tǒng)的智慧大腦。

為了讓跑車，在各個料場的頂部（無論在料倉還是在跑車）分別安裝有HAWK、HAWK、VEGA 等型號的雷達(dá)料位計，該雷達(dá)屬于79 GHz 的高頻雷達(dá)并具有一定的抗粉塵、抗粉塵的特性，進而實現(xiàn)了料位的自動監(jiān)控（可移動式的攝像頭進行觀看）。

除了擁有一雙“眼睛”之外，要實現(xiàn)跑車布料的智能化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要擁有一雙“測距的腳”。為了能夠精確的測定布料車的位置，在跑車上安裝有DIMETIX、KEYENCE 等型號的激光測距儀，改激光測距儀的量程不小于100 m 且誤差小于3 mm，此外，有一定的抗粉塵的特性。

1.2.3 智能給料機

整個破碎間包含了振動給料機和變頻給料機兩種給料設(shè)備。就破碎間的圓錐破碎機而言，只有采用擠滿式給料才能實現(xiàn)礦石間的互相擠壓，從而最大限度的發(fā)揮出破碎效率。

系統(tǒng)設(shè)定破碎機的破碎腔的料位高度為85%，并通過實時監(jiān)測圓錐破碎機破碎腔內(nèi)料位高度，將監(jiān)測數(shù)據(jù)送入到PLC中，PLC 進行A/D 轉(zhuǎn)換后，經(jīng)監(jiān)測值與設(shè)定值進行比較，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)皮帶式給礦機或振動給料機的頻率，從而達(dá)到破碎腔內(nèi)料位穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。

1.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)

自動化系統(tǒng)主要由PLC 控制系統(tǒng)構(gòu)成，且第三方的PLC 系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP 或MODBUS 協(xié)議與PLC 控制系統(tǒng)通信。有程序聯(lián)鎖控制的電氣設(shè)備設(shè)PLC 系統(tǒng)，單體的電氣設(shè)備直接引入相應(yīng)的PLC 控制系統(tǒng)。

丹東系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備的集中控制，提高了設(shè)備連鎖開、停的及時性和有效性，把無功消耗降到最低限度；此外，無論是設(shè)備處于自動和手動運行中均能實時采集設(shè)備運行參數(shù)，該軟件操作界面簡單且功能強大。該系統(tǒng)顯示了全廠的工藝流程，并在相應(yīng)的位置實時動態(tài)地顯示了破碎機、篩分機、干選機電機電流、運行頻率、運行狀態(tài)、（破碎機腔內(nèi)料位）、排礦口寬度等情況。此外，還實時的顯示了跑車的送礦位置、料倉的儲量、設(shè)備給礦皮帶的速率、傳輸皮帶的速率以及它們的運行情況。當(dāng)設(shè)備運行參數(shù)超出系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)時，系統(tǒng)及時彈出報警信息并發(fā)出報警聲音，實現(xiàn)了問題早發(fā)現(xiàn)、早解決的功能，為實施點檢預(yù)修創(chuàng)造了良好條件。當(dāng)運行設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重異常時，系統(tǒng)及時指令故障設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備依次停止運行，避免事故的擴大。該系統(tǒng)還能根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動生成報表，并通過公司內(nèi)部局域網(wǎng)共享報表信息，同時還具有歷史查詢功能。

另外，在破碎車間重要的位置如皮帶連接處、跑車上等均安裝監(jiān)控攝像頭，方便操作人員監(jiān)控實際運行情況，并與系統(tǒng)采集的信號做出對比，以便對自動控制系統(tǒng)功能的補充，以實現(xiàn)破碎流程運行的雙重保障。

2 優(yōu)異性及經(jīng)濟效益

2.1 改善員工工作情況，提高設(shè)備保護能力

通過運輸系統(tǒng)智能化改造后，原本破碎車間復(fù)雜的皮帶運行系統(tǒng)更加智能化，從而減少了大量的操作人員及巡檢人員，同時也減輕了他們的勞動強度。運輸系統(tǒng)的自動化改造，當(dāng)然不僅局限于降低了員工的勞動強度，而且也對生產(chǎn)設(shè)備有直接或間接的保護作用，具體表現(xiàn)為以下3 個方面。

（1）運輸系統(tǒng)配備了完善的保護及設(shè)備聯(lián)鎖功能，使得原本復(fù)雜的運行系統(tǒng)需要逐級啟動且需要人員較多，現(xiàn)在僅需一鍵就可完成，這不但減少了操作人員的勞動強度，而且避免了人員過多參與操作時造成的誤操作。此外，也實現(xiàn)設(shè)備故障及時反應(yīng)并報警，同時也能及時井然有序的停機，避免了設(shè)備損壞和故障范圍的擴大。

（2）原本需要人工進行操作的跑車，經(jīng)自動化改造后，使得小車能夠根據(jù)礦倉的倉位及破碎設(shè)備、篩分設(shè)備、干選設(shè)備的需求自動布料，這不但減少了人工操作，降低了員工勞動強度，并且也近一步提高工作效率。

（3）皮帶給礦機的智能改造，實現(xiàn)了按破碎機的需求自動給料。由于破碎設(shè)備眾多難以兼顧所有的破碎設(shè)備擠滿給礦，通過這項改造減輕了員工的操作，降低了員工的勞動強度，此外也保護了設(shè)備，并提高了設(shè)備的效率。

由于破碎崗位的特殊性，存在著粉塵噪聲兩種主要職業(yè)病危害因素。通過智能化水霧除塵的改造，使得整個破碎車間的分寸得到進一步降低；此外，這樣智能化的流程改造也減少了員工進入現(xiàn)場的時間；再加上原來的防塵、防噪措施，大大降低了員工患職業(yè)病的概率。

2.2 經(jīng)濟效益

2.2.1 人員優(yōu)化

自動化控制管理系統(tǒng)運行可靠，得到一線職工的認(rèn)可，操作方便，達(dá)到了本應(yīng)由現(xiàn)場崗位工人做的工作改為由設(shè)備來完成，減少工人的勞動強度和對工人操作崗位的依賴，為了避免人力資源的浪費，進行優(yōu)化，自動控制管理系統(tǒng)實施前，生產(chǎn)每班人數(shù)定員30 人，實施后生產(chǎn)每班18 人，每年節(jié)約人工成本為108 萬元。自動控制系統(tǒng)實施前后崗位人員配置情況如表1 所示。

表1 自動控制系統(tǒng)實施前后崗位人員配置情況

優(yōu)化后的人員通過管理手段消化，一部分人員去檢修，一部分通過退休自然減員，還有一部分成立生產(chǎn)白班。

2.2.2 設(shè)備優(yōu)化

自動控制管理系統(tǒng)實施后，提高了粗破機破礦效率，減少空轉(zhuǎn)時間，為避峰生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件，通過“移峰填谷”措施降低電費。自動控制系統(tǒng)對設(shè)備有保護檢測作用，能做到事前發(fā)現(xiàn)隱患，降低了設(shè)備事故，保證了生產(chǎn)流程順利進行。自動控制管理系統(tǒng)實施前后的數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 2017 年和2018 年自動控制管理系統(tǒng)實施前后的數(shù)據(jù)h

由表2 可知，自動控制管理系統(tǒng)實施后，每年能節(jié)約1232.67 h。通過避峰和提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)事故，縮短設(shè)備事故處理時間能創(chuàng)造效益600 萬元左右。

3 結(jié)論

（1）通過對選礦廠破碎車間運輸系統(tǒng)自動化的智能布料、智能給料、智能水霧除塵等方面的改造，不但精簡了人員，而且降低了勞動強度、職業(yè)病危害、事故率；此外，也實現(xiàn)了整個破碎設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控，并對各個設(shè)備具有直接或間接的保護作用。基于此，自動控制系統(tǒng)實施不但提高了企業(yè)的社會形象，同時每年可創(chuàng)效700 萬元左右。

（2）自動控制系統(tǒng)改造為工業(yè)數(shù)字化礦山提供技術(shù)支撐，實現(xiàn)破碎工藝自動控制，為整個選礦廠以及攀西地區(qū)選礦廠推行自動化積累經(jīng)驗。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)是對自動控制系統(tǒng)功能的補充，但現(xiàn)如今選礦廠的攝像頭均為固定式，這導(dǎo)致攝像頭只能監(jiān)測固定的區(qū)域產(chǎn)生了視覺盲區(qū)。因此為了使監(jiān)測更加全面，建議安裝移動式360°無死角，同時能夠沿著皮帶的運動方向進行移動，此外還應(yīng)具有人像識別的功能的攝像頭。該攝像頭不但能全方位地監(jiān)測現(xiàn)場，而且還能在設(shè)備開啟前自動監(jiān)測是否有人員在皮帶處。