棒磨機自動給礦控制系統應用研究

江西環境工程職業學院汽車機電學院 江西贛州 341000

棒磨機磨礦控制是選礦廠生產過程中至關重要的部分，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]。由于我國選礦自動化起步較晚，磨礦自動化控制基本處于初級階段，磨礦控制環節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自動控制技術認可度不同，以及現場操作工技術水平相差較大，導致各選廠自動化水平參差不齊，這些都制約著磨礦自動化水平的提高和磨礦效益的改善。因此，改善棒磨機自動化水平是實現磨礦節能降耗、提升效益的重要手段。

1 磨礦控制技術現狀

目前，我國大多鎢選礦廠棒磨機自動控制水平相對落后，磨礦生產過程中存在環境惡劣、勞動強度大、能耗高、效率低且很不穩定等突出問題。經調研，磨礦操作還處在純手動控制階段，這種控制方式由于受操作人員經驗和責任心等因素影響，造成給礦波動大，難以保證磨礦的穩定，棒磨機生產過程中常出現“脹肚”或“不飽”現象[3]。磨礦過程如果不斷增加棒磨機的給礦量，很容易造成棒磨機過負荷工作，使磨礦產品不達標，影響后續選礦工藝的選出效率，情況嚴重時可能還會損壞設備；相反，為了防止棒磨機過負荷，將磨機給礦量一味降低，又容易造成磨礦工段生產效率過低，導致棒磨機耗電量增加，企業用電成本升高，影響整個選礦廠的處理量[4]；如果磨礦現場操作工長期在高勞動強度和噪聲下工作，還會對工人身體健康造成較大影響。針對以上情況，急需引入先進控制理論和控制方法來改善棒磨機自動控制水平，使磨礦工段能長期、穩定地運行，保證礦山生產效率最大化，提高礦山企業的經濟效益。

2 棒磨機監控形式

本控制系統根據棒磨機流程分布情況，結合選礦工藝的監測控制需求，確定系統監測的主要對象有擺式給料機給礦量，棒磨機供水流量，棒磨機工作時的磨音、功率和礦漿質量分數，以及部分相關泵池的液位等。系統控制的主要對象有擺式給料機驅動電動機轉速，棒磨機給水控制閥開度，部分礦用水泵的開關，螺旋分級機補加水閥門開度等[5]。結合選礦廠生產管理實際情況，形成智能控制、遠程人工控制及本地人工控制 3 種工作形式。根據磨礦工段工藝流程，首先對設備的啟停控制進行必要的設備自鎖及設備間互鎖。建成后的系統默認運行在智能控制狀態，為了應對生產過程中的突發情況，系統亦可采取遠程人工控制以及本地人工控制等形式。

磨礦自動控制系統硬件組成如圖 1 所示，整個硬件系統主要由 3 級組成：一級為遠程工業控制計算機 (或稱上位計算機)，一級為現場 PLC 控制系統，另一級為手機小程序。PLC 采集棒磨機數據并進行運算，遠程工控機主要將 PLC 數據顯示出來并存入數據庫，手機小程序則通過移動端可方便查詢到工控機數據庫的數據。

圖1 磨礦自動控制系統硬件組成Fig.1 Hardware composition of grinding automatic control system

3 磨礦控制系統結構組成

棒磨機控制系統采用可編程控制器 (PLC)、工控機、威綸通 TK6070 系列觸摸屏為核心控制單元，包括時序控制系統、擺式給料機變頻器控制系統、通信系統和手機端顯示系統等[6]。系統結構組成如圖 2 所示。

圖2 磨礦控制系統結構Fig.2 Structure of grinding control system

為保證整個棒磨機控制系統供電穩定，平常采用市電為磨礦控制系統供電，如出現停電或供電系統不穩定，控制系統自動切換成不間斷電源 (UPS)，防止生產過程中系統數據丟失和棒磨機控制系統癱瘓等危險事故發生。整個供電系統由空氣開關、穩壓器、UPS 和電源防雷保護器等電氣元件組成，如圖 3 所示。

本項目主要控制對象是擺式給料機給礦量，圖 4所示為變頻器控制擺式給料機電氣圖，整個回路主要由斷路器、變頻器、交流接觸器等組成，采用 1 臺功率為 3.7 kW 的臺達變頻器通過切換互鎖控制 2 臺 2.2 kW 的擺式給料機，擺式給料機給礦量通過變頻器控制電動機的轉速實現調節，圖 5 所示為擺式給料機控制線路圖。

4 棒磨機控制系統的應用

鎢礦棒磨機自動控制系統的主要控制單元分為兩大部分：一部分是給礦量的控制，另一部分是排礦質量分數的控制。棒磨機給礦量的控制主要通過采集棒磨機的磨音和功率，經過系統的數據分析來判斷棒磨機負荷，同時采集螺旋分級機的電流，據此形成返砂比參數[7]。核心控制系統根據當前棒磨機采集的磨音信號、磨機的功率值以及螺旋分級機電流值來判斷棒磨機當前的運轉狀態，并進行動態實時計算，得出當前給礦量值。通過對該值和皮帶稱檢測的給礦量進行數據運算對比，可編程控制器將運算控制信號輸出至變頻調節單元，調節變頻器的輸出頻率，進而通過改變三相異步電動機的轉速來改變擺式給料機的擺動速度，從而將給礦量控制在最佳范圍內。系統亦可通過采集的數據進行磨機過負荷保護的判斷，在過負荷狀態下適時停止對系統給礦。給礦量控制單元結構框圖如圖 6 所示。

圖3 供電系統組成Fig.3 Composition of power supply system

圖4 擺式給料機電氣圖Fig.4 Electrical diagram of pendulum feeder

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

圖6 給礦量控制單元結構框圖Fig.6 Block diagram of feeding amount control unit

系統智能控制狀態是由其核心控制部件可編程控制器來實現的，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備后，只需將系統設置成智能控制并開啟系統，系統即可依據采集的各設備及流程參數，智能控制各個可調控裝置的頻率、開度和開關等參數，使磨礦工段的各設備運行在最佳工作狀態。操作人員可通過現場觸摸屏或上位計算機觀測系統運行狀態，當納入本系統監測范圍內的設備發生故障，或其他設備運行參數超出預設生產閾值時，系統將發出聲光報警，提示操作人員及時進行設備檢修與系統維護[8]。

遠程人工控制狀態，主要是通過上位機來實現人工控制，操作人員根據現場實時圖像在確保安全的情況下，實現已接入系統的可控制設備的啟動與停止。該控制方式主要用于特殊生產工藝條件下，對智能控制過程進行人為干預，以保證生產效率最大化與產品質量最優。

本地人工控制狀態，主要是由操作人員在設備安裝現場對緊急情況的應急控制。操作人員首先通過切換系統主控制柜的遠程/本地切換開關，將設備默認的遠程工作狀態切換為本地工作狀態，再通過設備的啟停按鈕對設備進行人工控制。該控制方式主要用于出現緊急情況時的應急控制，或者在設備檢修期間的按需控制。當系統工作狀態切換為本地工作狀態時，現場的人工手動操作方式具有最高的系統操作等級權限，為確保安全，此時系統無法進行遠程自動與人工控制，只能查看設備的工作狀態信息。

根據選廠棒磨機工藝流程，通過組態王監控軟件在上位機上以動畫、圖片、聲音等形式動態模擬監控各設備的生產運行狀況，主要界面包括登錄、用戶管理、參數設定、報警、實時數據報表、歷史數據報表、退出系統等。棒磨機磨礦生產工藝流程監控主畫面如圖 7 所示，畫面實時顯示棒磨機整個工藝設備的工作狀態和主要參數，包括給礦量、給水量、磨音、棒磨機功率、閥門開度、擺式給料機給礦頻率、棒磨機運行狀態等[9]。

圖8 所示為棒磨機控制系統的實時數據報表，實時顯示棒磨機磨礦生產過程中的給礦量、給水量、棒磨機電耗等數據，以及整個磨礦生產系統的運行狀態，可以方便用戶整體查看與控制。

圖7 棒磨機磨礦生產工藝流程監控主畫面Fig.7 Main monitoring interface of grinding process with rod mill

圖8 棒磨機控制系統實時數據報表Fig.8 Real-time data report of control system for rod mill

5 結語

通過該棒磨機自動控制系統的生產運行，大大減輕了操作人員的勞動強度，實現了磨礦生產的科學管理，提高了企業經濟效益，并且該控制系統具有一定的擴展空間，適用于將來的升級優化。