基于礦石流的選礦生產(chǎn)過程跟蹤與監(jiān)控方法研究

侯衛(wèi)鋼，張曉淼

（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 鞍山 114004）

在礦山企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)過程中，經(jīng)過圓筒倉、U型倉等儲料倉后，各批次的物料混在一起?；谄髽I(yè)自身管理需求,為了進(jìn)行質(zhì)量配礦，提供選礦工藝流程易選礦石，需對各批次的物料從投料到產(chǎn)出進(jìn)行批次追蹤［1］。選礦生產(chǎn)過程是以礦石作為原料，經(jīng)過破碎、磨磁、浮選、壓濾和精尾等工序，生產(chǎn)出精礦。礦石投料經(jīng)過破碎后一般需要進(jìn)入圓筒倉或U型倉緩存，然后通過給礦皮帶傳輸給球磨機(jī)。在礦山企業(yè)，一般是以班次為單位進(jìn)行投料和化驗(yàn)，即每班次的原礦石有化驗(yàn)過的原礦品位指標(biāo)。由于圓筒倉或U型倉存儲的是多個(gè)班次的投料礦石，不同班次的原礦石在倉內(nèi)緩存，生產(chǎn)調(diào)度需要掌握各個(gè)倉內(nèi)的原礦分布（包括班次、品位），只能憑借經(jīng)驗(yàn)預(yù)估出班次礦石分布。原礦品位是影響后續(xù)精礦生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，掌握各倉內(nèi)的礦石分布，精準(zhǔn)配礦輸送給后續(xù)工序，是選礦生產(chǎn)的迫切需求［2-3］。為此，對基于礦石流的選礦生產(chǎn)過程跟蹤與監(jiān)控方法進(jìn)行了研究，本文對此做一介紹。

1 方法總述

由于原生產(chǎn)管理系統(tǒng)沒有對礦石流進(jìn)行跟蹤的方法，因此以鐵礦石選礦生產(chǎn)為例，提出了一種面向連續(xù)生產(chǎn)的物料流跟蹤方法并通過系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)?？傮w流程包括：

（1）根據(jù)選礦生產(chǎn)流程建立排班計(jì)劃信息；

（2）通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對選礦生產(chǎn)流程狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并配置每班次的配礦信息；

（3）計(jì)算圓筒倉的物料分布；

（4）計(jì)算U型倉的物料分布；

（5）對圓筒倉的物料分布和U型倉物料分布進(jìn)行可視化。

2 方法研究

2.1 生產(chǎn)過程跟蹤

2.1.1 建立排班計(jì)劃信息

排班計(jì)劃信息為根據(jù)時(shí)間設(shè)置的班次序列，根據(jù)時(shí)間的先后順序，設(shè)置時(shí)間最先的班次為底層、時(shí)間最末的班次為頂層。排班計(jì)劃是工廠各班次每天的工作時(shí)間，系統(tǒng)存儲業(yè)務(wù)日期、班次、開始工作時(shí)間、結(jié)束工作時(shí)間。如2021年12月24日、白班、8:00、16:00；2021 年 12 月 24 日、晚班、16:00、8:00。排班計(jì)劃可為其他模塊提供當(dāng)前班次信息。

2.1.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

實(shí)時(shí)采集選礦生產(chǎn)流程狀態(tài)數(shù)據(jù)的方式有以下兩種：

（1）通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫通過OPC協(xié)議采集PLC、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)采集模塊再從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)采集并保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫。為計(jì)算圓筒倉物料分布，通過OPC協(xié)議采集的數(shù)據(jù)包括圓筒倉內(nèi)四個(gè)點(diǎn)位的料位高度、給礦皮帶的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量。為計(jì)算U型倉物料分布，通過OPC協(xié)議采集的數(shù)據(jù)包括布料皮帶的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、料倉號、各個(gè)U型倉內(nèi)的料位高度、給料器開啟狀態(tài)、給料器報(bào)警狀態(tài)、集礦皮帶頻率、集礦皮帶電流、給礦皮帶的瞬時(shí)流量、給礦皮帶的累計(jì)流量。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫每1 s采集一次控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如果采集失敗，數(shù)據(jù)采集模塊以上一次的采集結(jié)果作為本次的采集結(jié)果。

（2）通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)錄入數(shù)據(jù)

通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)錄入每個(gè)班次的配礦信息，系統(tǒng)存儲班次、采出量、車數(shù)、地質(zhì)品位、亞鐵品位、采出品位、碳酸鐵品位、比例、產(chǎn)率、管精（磁選管精礦品位）、磨礦時(shí)間、班組、計(jì)劃時(shí)間、創(chuàng)建人、備注等信息。

2.2 監(jiān)控方法

2.2.1 計(jì)算圓筒倉物料分布

一般情況下，圓筒倉底部為多開孔下料，上部安裝多臺雷達(dá)料位計(jì)，分別分布在不同位置。可通過雷達(dá)料位計(jì)平均值估算圓筒倉料位。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常會開啟對稱位置的2個(gè)下料口以保證下料均勻，且由于圓筒倉一般體積較小，中破機(jī)產(chǎn)能較大，圓筒倉內(nèi)的礦石消耗較快。按照班組進(jìn)行礦石跟蹤，一般只能儲存1～2個(gè)班的礦石。因此，可通過從底至上的順序計(jì)算礦石消耗量，出現(xiàn)的計(jì)算誤差在可接受范圍內(nèi)。

圓筒倉的物料分布計(jì)算包括以下流程：

（1）查詢系統(tǒng)存儲的最新每一層班次礦石量信息，包括順序號、班次、業(yè)務(wù)日期、礦石量，即上一時(shí)刻的圓筒倉礦石分布。

（2）根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻采集的給礦皮帶累計(jì)流量，得到當(dāng)前時(shí)刻的礦石輸出量，即每次圓筒倉底部給予給礦皮帶的礦量，礦石輸出量=采集的給礦皮帶累計(jì)流量-上一次采集的給礦皮帶累計(jì)流量。

（3）從底層班次至頂層班次，將礦石輸出量依次從每層減掉，得到更新后的每層礦石量。在圓筒倉底部的礦石會先被用掉，如果某一層的礦石量為0，則表示此層礦石量已用盡，系統(tǒng)不再進(jìn)行存儲。從底層至頂層，如果本層礦石量大于礦石輸出量，表明本層礦石量足夠礦石輸出，則用本層礦石量減去礦石輸出量作為本層新的礦石量，即新的本層礦石量=本層礦石量-礦石輸出量。如果本層礦石量小于礦石輸出量，則本層礦石量全部輸入，剩余為0，礦石輸出量減去本層礦石量作為新的礦石輸出量，新的礦石輸出量繼續(xù)和上一層的礦石量比較，直到新的礦石輸出量在某一層被減掉。圓筒倉倉位計(jì)算流程示例如圖1所示。

圖1 圓筒倉倉位計(jì)算流程示例圖Fig.1 Example Diagram for Calculation Flow Procedures for Cylinder Bin Space

以圖1為例，上一時(shí)刻的圓筒倉礦石分布從底層至頂層分別為，白班20211223的礦量200 t，晚班20211223的礦量900 t，白班20211224的礦量500 t，本次礦石輸出量為1 000 t。若先從底層開始處理，白班20211223上次剩余的200 t，則白班20211223本次剩余為0，還有1 000-200=800 t未分配。再向上處理，晚班20211223上次剩余的礦量900 t，則本次剩余900-800=100 t。處理完畢后，原來的底層白班20211223的礦量已用完，晚班20211223的礦量剩余100 t，白班20211224的礦量未變化仍是500 t。

（4）計(jì)算采集的料位高度的平均值，用最新料位修正最頂層礦石量。在礦石生產(chǎn)過程中，會有投料礦石跌落、礦石間隙壓實(shí)等實(shí)際情況，因此計(jì)算后，仍要以采集的料位高度作為最新的圓筒倉總礦量，即圓筒倉總礦量=采集料位高度的平均值×圓筒倉截面積×比重。從底層至頂層，圓筒倉總礦量減去每層礦量，當(dāng)計(jì)算到最頂層時(shí)，用剩余礦量作為最頂層礦量。

（5）根據(jù)排班計(jì)劃信息，判斷當(dāng)前時(shí)間所屬班次。如果發(fā)生換班即當(dāng)前時(shí)間的班次不等于最頂層礦石的班次，則生成一條新班次的數(shù)據(jù)，以第三步中結(jié)果作為晚班班次新數(shù)據(jù)。

以圖1為例，如果發(fā)生換班，當(dāng)前班次為晚班20211224。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果采集料位高度的平均值轉(zhuǎn)換的U型倉總礦量為700 t，底層晚班20211223礦量剩余100 t，頂層白班20211224剩余 500t，則 700-100-500=100 t數(shù)據(jù)作為晚班20211224的礦石量，系統(tǒng)存儲晚班20211224的礦量100 t作為新數(shù)據(jù)。

（6）系統(tǒng)存儲每一層的班次、業(yè)務(wù)日期、礦石量、順序號作為本次的計(jì)算結(jié)果。

2.2.2 計(jì)算U型倉物料分布

U型倉的物料分布計(jì)算包括以下流程：

（1）根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻采集的給礦皮帶累計(jì)流量，得到當(dāng)前給礦皮帶礦石輸出量，即給礦皮帶礦石輸出量=采集給礦皮帶累計(jì)流量-上一次采集給礦皮帶累計(jì)流量，進(jìn)而得到集礦皮帶礦石輸出量、U型倉皮帶礦石輸出量。

①向上反推集礦皮帶礦石輸出量。因?yàn)槎鄺l集礦皮帶給一條給礦皮帶供礦，在自動化應(yīng)用層集礦皮帶速度與給礦皮帶瞬時(shí)流量 （t/h）聯(lián)動控制，當(dāng)給礦皮帶瞬時(shí)流量升高時(shí)，集礦皮帶速度提高，反之亦然。由于皮帶頻率與皮帶速度成正比，因此可以認(rèn)為給礦皮帶瞬時(shí)流量與集礦皮帶頻率成正比，通過不同集礦皮帶之間的頻率比例，計(jì)算每條集礦皮帶的礦石輸出量。例如，給礦皮帶礦石輸出量 1 000 t，1#集礦皮帶頻率為 10 Hz，2#集礦皮帶頻率為15 Hz，則按2:3的比例，1#集礦皮帶礦石輸出量為400 t，2#集礦皮帶礦石輸出量為600 t。

②向上反推U型倉皮帶礦石輸出量。因?yàn)槎鄠€(gè)U型倉可以給一條集礦皮帶供礦，但多個(gè)U型倉只能同時(shí)開啟一個(gè)，因此按照采集U型倉給料器開關(guān)狀態(tài)判斷是哪一個(gè)U型倉的輸出礦量。例如，1#集礦皮帶礦石輸出量為400 t，如果1#U型倉的給料器開關(guān)狀態(tài)為開啟，那么1#U型倉的礦石輸出量為400 t。

（2）按照從底層至頂層，將礦石輸出量依次從每層減掉，得到更新后的每層礦石量。在U型倉底部的礦石會先被用掉，如果某一層的礦石量為0，那么表示此層礦石量已用盡，系統(tǒng)不再進(jìn)行存儲。從底層至頂層遍歷每一個(gè)班次，如果本層礦石量大于礦石輸出量，表明本層礦石量足夠礦石輸出，則用本層礦石量減去礦石輸出量作為本層新的礦石量，即新的本層礦石量=本層礦石量-礦石輸出量；如果本層礦石量小于礦石輸出量，表明本層礦石量不足夠礦石輸入，那么本層礦石量全部輸入，剩余為0，礦石輸出量減去本層礦石量作為新的礦石輸出量，新的礦石輸出量繼續(xù)和上一層的礦石量比較，直到新的礦石輸出量在某一層被減掉。U型倉倉位計(jì)算流程示例如圖2所示。

圖2 U型倉倉位計(jì)算流程示例圖Fig.2 Example Diagram for Calculation Flow Procedures for U-shaped Warehouse Space

以圖2為例，左側(cè)U型倉礦石分布從底層至頂層分別為，白班20211223的礦量 200 t，晚班20211223的礦量900 t，白班 20211224的礦量500 t。如果礦石輸出量為1 000 t，那么先從底層白班20211223開始處理，處理完畢后，原來的底層白班20211223的礦量已耗盡，晚班20211223的礦量剩余100 t，白班20211224的礦量未變化仍是 500 t。

（3）計(jì)算采集的料位高度的平均值，用最新料位修正最頂層礦石量。在礦石生產(chǎn)過程中，會有投料礦石跌落、礦石間隙壓實(shí)等實(shí)際情況，因此第二步計(jì)算后，仍要以采集的料位高度作為最新的U型倉總礦量。U型倉總礦量=采集料位高度的平均值×U型倉截面積×比重。從底層至頂層，U型倉總礦量減去每層礦量，當(dāng)計(jì)算到最頂層時(shí)，用剩余礦量作為最頂層礦量。

以圖2為例，根據(jù)第二步的計(jì)算結(jié)果，左邊的U型倉礦石分布從底層至頂層分別為白班20211223礦量剩余100 t，白班20211224的礦量未變化仍是500 t。采集料位高度的平均值轉(zhuǎn)換的U型倉總礦量為590 t，底層晚班20211223礦量剩余 100 t，則 590-100=490 t為最頂層白班20211224的礦量。

（4）因?yàn)閳A筒倉的礦石流到U型倉需要30 min時(shí)間，則將計(jì)算后最頂層的數(shù)據(jù)班次與當(dāng)前時(shí)間30 min以前的圓筒倉最底層班次進(jìn)行比較，如果不相等，說明發(fā)生了換班，則用當(dāng)前時(shí)間30 min以前的圓筒倉最底層班次作為U型倉最頂層的班次。

以圖2為例，經(jīng)過第三步計(jì)算，U型倉最頂層為白班20211224，再用當(dāng)前時(shí)間減去30 min，查詢圓筒倉最底層數(shù)據(jù)為晚班20211225，說明發(fā)生了換班，用晚班20211225更新白班20211224作為U型倉最頂層數(shù)據(jù)。

（5）系統(tǒng)存儲每一層的班次、業(yè)務(wù)日期、礦石量、順序號作為本次的計(jì)算結(jié)果。

2.3 分布可視化

通過JAVA語言開發(fā)系統(tǒng)服務(wù)端，使用ECHARTS作為前端HTML5組件，圖形化顯示倉位不同層的礦石班次、業(yè)務(wù)日期、礦石量。U型倉礦石流跟蹤如圖3所示。

圖3 U型倉礦石流跟蹤Fig.3 Ore Flow Tracking for U-shaped Warehouse

使用E-CHARTS中的柱狀圖作為圖形化倉位的控件，橫坐標(biāo)為不同倉的倉號，縱坐標(biāo)為不同層的礦量，給E-CHARTS中的柱狀圖賦值后，柱狀圖顯示的不同顏色階段即代表不同層的礦量。可在系統(tǒng)中進(jìn)行靈活配置礦倉數(shù)量、集礦皮帶和給礦皮帶數(shù)量和關(guān)系以及不同礦倉與給料器的對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)緊密集成，可實(shí)時(shí)顯示每個(gè)料倉料位、集礦皮帶頻率、電流、給礦皮帶瞬時(shí)流量、累計(jì)流量以及31個(gè)給料器的開關(guān)狀態(tài)，并且針對礦倉堵料、斷料、異常等情況進(jìn)行報(bào)警和自動消除報(bào)警。另外，可根據(jù)不同系列的料倉料位和礦石消耗量估算預(yù)計(jì)礦石耗盡時(shí)間并給出提醒，為生產(chǎn)調(diào)度人員提供決策支持。

3 結(jié)語

基于礦石流的選礦生產(chǎn)過程跟蹤與監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)了在礦石連續(xù)投料情況下實(shí)時(shí)計(jì)算礦石分布并可視化展示，以入選礦石性質(zhì)為依據(jù)，從鐵礦石原料進(jìn)入選礦流程開始，對生產(chǎn)工藝流程中“圓筒倉-破碎機(jī)-U型倉（或粉礦倉）-球磨機(jī)”等關(guān)鍵儲料倉和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息進(jìn)行采集，把礦石的品位、碳酸鐵含量、運(yùn)輸量、破礦量、料倉儲量等數(shù)據(jù)以可視化的方式進(jìn)行展示，有效支撐選礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)對鐵礦石原料綜合信息的掌控，提高生產(chǎn)實(shí)時(shí)跟蹤透明度。輔助生產(chǎn)管理人員進(jìn)行配礦決策，為穩(wěn)質(zhì)、提效創(chuàng)造了有效抓手，創(chuàng)新選礦生產(chǎn)智慧化新模式。