全自動智能配礦系統的研究

王昊丹

（湛江港（集團）股份有限公司，廣東 湛江 524000）

1 全自動智能配礦系統研究的背景及意義

配礦是礦產相關企業生產過程中必經的過程之一，它將品位不同的礦石按照一定的比例進行搭配，混勻并使之達到礦石品質指標的要求。配礦的意義在于可以有效保證礦石達到某種品質指標的要求，而且使低品位礦石獲得應用。這樣不僅提高了礦產資源的綜合利用率，還提高了相關企業的經濟效益。精準配礦業務對礦石的精準配礦精度、精準配礦勻度和精準配礦效率都有非常嚴格的要求，控制精準配礦的精度和勻度有多種工藝方法。

現有礦場中，已有堆取料機能夠實現自動堆料、取料作業，但配礦作業仍多為人工操作堆取料機進行，存在諸多弊端。譬如，作業效率受人工操作熟練程度，操作人員精神狀態以及現場環境因素（包括雨霧天氣、夜間作業等等）的影響；人工操作存在很大的作業誤差，導致混礦的精度、勻度不穩定，出現低于或者高于預期的情況；作業量較大時作業時長較長，工作強度增加，對操作人員的身心負擔較大，長此以往會對操作人員身心健康造成影響。

本研究提供了一種自動配礦系統和相關設備，用于實現堆取料機的自動配礦，提高配礦的精度與勻度，減少人工作業量，為礦場配礦設計提供一個可供參考的新方案。

1.1 配礦方式發展現狀及發展趨勢

配礦工作是礦場必須經歷的過程之一，主要有3種形式：采場配礦、礦倉配礦、儲礦場配礦。由于我國當前鐵礦、銅礦等礦產可采儲量較少，導致產能與需求不對等，需要從國外進口大量礦產。因此，配礦主要采用儲礦場配礦。

由于不同礦山來的礦石（或外購礦）種類較多，質量指標差異較大，礦石運到選礦廠礦石料場后要分別貯存。儲礦場配礦按各種礦石基本特性和可選性試驗結果進行配礦，一定周期內選配某幾種礦石，過期再另行選配，使配礦后的礦石質量均衡穩定，滿足選礦廠工藝要求。

以往主要是采用人工操作堆取料機進行配礦作業，配礦效率、配礦品質等易受到影響。為了提高選礦效率和選礦質量，降低高品位礦的生產成本，為企業創造更多的經濟效益，進而出現了全自動智能配礦系統。由于企業需求不同，目前已出現多種全自動智能配礦系統，用于滿足各種不同的生產環境需求。隨著設備推陳出新以及自動控制等技術的發展及運用，未來的全自動智能配礦系統將向無人值守、遠程控制、使用維護簡單、功能多樣、客戶定制等方向發展。

1.2 本研究主要內容

為解決礦場相關企業配礦的效率、勻度等問題，本研究提供了一種自動配礦系統和相關設備，用于實現堆取料機的自動配礦，提高配礦的精度與勻度，減少人工作業量，為企業提高經濟效益。本研究提供的全自動礦場配礦系統，包括全自動堆取料機控制系統與實時流量檢測控制系統。

1.3 解決的主要問題和使用的裝置

（1）通過全自動配礦作業方式，改善堆取料機操作人員的工作環境，降低人力成本，提高生產效率。

（2）本研究有助于規范堆取料機作業流程和操作，延長取料機的使用壽命。

（3）本研究應用的激光流量檢測裝置采用三維激光掃描儀作為核心，具有精準度高、響應速度快、實時性好的優點，保障了自動配礦的可靠性與穩定性。

2 系統研究方案

本發明提供了一種全自動智能配礦系統，包括全自動堆取料機控制系統與實時流量檢測控制系統。全自動堆取料機控制系統包含堆取料機數據采集設備、堆取料機PLC 控制系統、控制中心數據處理服務器和控制中心PLC 控制系統；實時流量檢測控制系統包含激光流量掃描裝置、流量檢測數據采集器及配礦流量控制服務器。

2.1 全自動智能配礦系統設計

2.1.1 全自動堆取料機控制系統設計

全自動堆取料機控制系統，包含堆取料機數據采集設備、堆取料機PLC 控制系統、控制中心數據處理服務器和控制中心PLC 控制系統；所述數據采集設備安裝在堆取料機外部，用于采集礦堆的表面數據信息及堆取料機的位置、運行狀態等數據信息；所述堆取料機PLC 控制系統安裝于堆取料機電氣房內，用于接收數據采集設備獲取的各項數據信息，并與控制中心PLC 控制系統進行數據信息與運行指令傳輸，控制堆取料機各運行機構進行自動化作業；所述控制中心數據處理服務器放置于遠程控制室內，用于接收堆取料機數據采集設備獲取的各項數據信息，通過程序算法得到堆取料機自動化作業運行流程指令，并將指令發送至控制中心PLC 控制系統；所述控制中心PLC 控制系統放置于遠程控制室內，用于接收來自控制中心數據處理服務器下發的堆取料機自動化作業運行流程指令，將運行指令發送至堆取料機PLC 控制系統，并與堆取料機PLC 控制系統進行數據信息傳輸。全自動堆取料機控制系統功能框圖如圖1 所示。

圖1 全自動堆取料機控制系統功能框圖

2.1.2 實時流量檢測控制系統設計

實時流量檢測控制系統包含激光流量掃描裝置、流量檢測數據采集器及配礦流量控制服務器；所述激光流量掃描裝置，安裝于斗輪導料槽后部，輸料皮帶上方，通過激光掃描的方式，檢測獲取堆取料皮帶上的瞬時流量；所述實時流量檢測箱安裝于堆取料機電氣房內，用于接收激光流量掃描裝置獲取的皮帶瞬時流量數據，并將數據傳輸至配礦流量控制服務器；所述配礦流量控制服務器放置于遠程控制室內，用于接收激光流量掃描裝置獲取的數據信息，并與控制中心數據處理服務器進行數據信息交互，通過程序算法得到瞬時最佳配礦流程控制指令，并通過控制中心數據處理服務器將指令發送至控制中心PLC 控制系統。實時流量檢查控制系統功能框圖如圖2 所示。

圖2 實時流量監測控制系統功能框圖

2.2 控制系統總體方案

本研究提供的全自動智能配礦系統由全自動堆取料機控制系統以及實時流量監測控制系統構成，如圖3 所示。

圖3 全自動智能配礦系統功能框圖

在本研究提供的全自動智能配礦系統中，堆取料機數據采集設備采集礦堆各項數據信息后傳輸到控制中心數據處理服務器中；控制中心數據處理服務器接收到礦場數據后進行處理，生成智能化作業指令；控制中心PLC 控制系統接收下發的指令，并將運行指令發送至堆取料機PLC 控制系統；最后通過堆取料機PLC控制系統控制堆取料機各運行機構進行自動化作業。激光流量掃描裝置通過掃描儀掃描皮帶，并將掃描數據發送至流量檢測數據采集器。流量監測數據采集器進行處理之后將數據發送至配礦流量控制服務器。配礦流量監測服務器接收數據之后，再結合控制中心數據處理服務器交互所得的數據信息，通過分析處理得到完成目標配礦所需的作業流程控制指令，并發送至堆取料機PLC 控制系統，最終實現自動配礦流程。

3 本研究實施方式

3.1 全自動智能配礦系統

3.1.1 全自動堆取料機控制系統

本研究提供的全自動堆取料機控制系統包含堆取料機數據采集設備、堆取料機PLC 控制系統、控制中心數據處理服務器和控制中心PLC 控制系統；所述數據采集設備安裝在堆取料機外部，用于采集礦場礦堆的表面數據信息及堆取料機的位置、運行狀態等數據信息；所述堆取料機PLC 控制系統安裝于堆取料機電氣房內，用于接收數據采集設備獲取的各項數據信息，并與控制中心PLC 控制系統進行數據信息與運行指令傳輸，控制堆取料機各運行機構進行自動化作業；所述控制中心數據處理服務器放置于遠程控制室內，用于接收堆取料機數據采集設備獲取的各項數據信息，通過程序算法得到堆取料機自動化作業運行流程指令，并將指令發送至控制中心PLC 控制系統；所述控制中心PLC 控制系統放置于遠程控制室內，用于接收來自控制中心數據處理服務器下發的堆取料機自動化作業運行流程指令，將運行指令發送至堆取料機PLC控制系統，并與堆取料機PLC 控制系統進行數據信息傳輸。

具體來說，堆取料機數據采集設備采用的設備包括北斗/GPS 定位系統、傾角儀、三維激光掃描儀、料高檢測雷達等。該設備用于采集礦堆的表面數據信息及堆取料機的位置、運行狀態等數據信息，通過堆取料機PLC 控制系統傳輸到控制中心數據處理服務器中。堆取料機PLC 控制系統，主要用于接收數據采集設備獲取的各項數據信息，并與控制中心PLC 控制系統進行數據信息與運行指令傳輸，控制堆取料機各運行機構進行自動化作業。控制中心數據處理服務器，主要用于接收堆取料機數據采集設備獲取的礦場數據，進行礦場模型的計算以及堆取料模型計算，進而自動生成智能化作業指令、與控制中心PLC 控制系統進行實時通訊。控制中心PLC 控制系統，主要用于接收來自控制中心數據處理服務器下發的堆取料機自動化作業運行流程指令，將運行指令發送至堆取料機PLC 控制系統，并與堆取料機PLC 控制系統進行數據信息傳輸。

3.1.2 實時流量監測控制系統

本研究提供的實時流量檢測控制系統包含激光流量掃描裝置、流量檢測數據采集器及配礦流量控制服務器；所述激光流量掃描裝置，安裝于斗輪導料槽后部，輸料皮帶上方，用于通過激光掃描的方式，檢測獲取堆取料皮帶上的瞬時流量，激光流量檢測裝置的安裝位置示意圖如圖4 所示；所述實時流量檢測箱安裝于全自動堆取料機電氣房內，用于接收激光流量掃描裝置獲取的皮帶瞬時流量數據，并將數據傳輸至配礦流量控制服務器；所述配礦流量控制服務器放置于遠程控制室內，用于接收激光流量掃描裝置獲取的數據信息，并與控制中心數據處理服務器進行數據信息交互，通過程序算法得到瞬時最佳配礦流程控制指令，并通過控制中心數據處理服務器將指令發送至控制中心PLC 控制系統。

圖4 激光流量檢測裝置的安裝位置示意圖

其中激光流量掃描裝置，主要通過三維激光掃描儀掃描皮帶，并將得到的掃描點云結果發送至流量檢測數據采集器，激光流量檢測裝置的運作示意圖如圖5 所示。流量檢測數據采集器，主要用于接收激光流量掃描裝置采集的點云數據并進行分析、濾波處理，將有效的建模數據信息發送至配礦流量控制服務器。配礦流量控制服務器，主要用于接收流量檢測數據采集器發送的建模數據信息以及接收上層管理系統下發的配礦指令，結合與控制中心數據處理服務器交互所得到的數據信息，通過配礦流量控制服務器搭載的分析處理軟件，得到完成目標配礦結果所需的作業流程控制指令，并將指令通過控制中心數據處理服務器與控制中心PLC 控制系統發送至堆取料機PLC 控制系統，最終實現自動配礦流程。

圖5 激光流量檢測裝置的運作示意圖

3.2 全自動智能配礦系統進行全自動配礦作業流程（圖6）

圖6 全自動配礦作業流程示意圖

步驟1：遠程控制室1 中，上層管理系統對配礦流量控制服務器下發目標配礦調度流程，堆取料機A 取A 礦，堆取料機B 取B 礦，堆取料機C 堆配礦目標C礦，其中A 礦與B 礦的混合比例為γ：β。

步驟2：配礦流量控制服務器根據配礦比，通過搭載軟件計算得到數值對應的堆取料機啟動初始參數，根據參數將作業流程控制指令發送至控制中心數據處理服務器。

步驟3：控制中心數據處理服務器根據從堆取料機A 2 上堆取料機數據采集設備A 與堆取料機B 3 上堆取料機數據采集設備B 獲取的堆取料機信息數據，對作業流程控制指令進行校驗，校驗無誤后，將指令發送至控制中心PLC 控制系統。

步驟4：控制中心PLC 控制系統通過通訊模塊，將指令分別發送至堆取料機A 2 上的堆取料機PLC 控制系統A 與堆取料機B 3 上的堆取料機PLC 控制系統B。

步驟5：堆取料機PLC 控制系統A 與堆取料機PLC 控制系統B 分別控制堆取料機A 2 與堆取料機B 3 進行設定取料作業。

步驟6：取料過程中，激光流量掃描裝置A 與激光流量掃描裝置B 掃描得到堆取料機A 2 與堆取料機B 3 的礦流點云數據。

步驟7：激光流量掃描裝置A 與激光流量掃描裝置B 將兩組點云數據分別發送至流量檢測數據采集器A 與流量檢測數據采集器B，對點云數據分析得到礦流的瞬時速度與瞬時截面積，數據融合得到三維點云數據，并將三維點云數據發送至配礦流量控制服務器。

步驟8：配礦流量控制服務器根據三維點云數據進行建模，進一步計算得到A 礦與B 礦混合后的模型數據，與目標配礦結果進行比對，為修正與目標配礦結果存在的誤差，軟件計算得到新的作業流程控制指令，增加或減少堆取料機A 2 與堆取料機B 3 的實時取料量，并重復上述步驟。

步驟9：模型數據總配礦量達到目標值后，配礦流量控制服務器向控制中心數據處理服務器發送作業流程停止指令。

步驟10：控制中心數據處理服務器根據從堆取料機A 2 上堆取料機數據采集設備A 與堆取料機B 3上堆取料機數據采集設備B 獲取的堆取料機信息數據，對作業流程停止指令進行校驗，校驗無誤后，將指令發送至控制中心PLC 控制系統。

步驟11：控制中心PLC 控制系統通過通訊模塊，將指令分別發送至堆取料機A 2 上的堆取料機PLC控制系統A 與堆取料機B 3 上的堆取料機PLC 控制系統B。

步驟12：堆取料機PLC 控制系統A 與堆取料機PLC 控制系統B 分別控制堆取料機A 2 與堆取料機B 3 停止取料作業。

步驟13：堆取料機4 完成目標C 礦堆料并停止堆礦作業。

4 結束語

本發明提供的全自動礦場配礦系統，通過全自動配礦作業方式，實現了堆取料機的自動配礦，提高配礦的精度與勻度，減少人工作業量，改善了堆取料機操作人員的工作環境，同時降低了人力成本，提高了生產效率；應用本發明方案，有助于規范堆取料機作業流程和操作，延長取料機的使用壽命；本發明中激光流量檢測裝置采用三維激光掃描儀作為核心，具有精準度高、響應速度快，實時性好的優點，保障了自動配礦的可靠性與穩定性。

基于本發明的全自動礦場配礦系統可以提高礦場配礦的作業效率，在堆取料機系統中可以進行廣泛推廣。