锡铁山选矿厂SAB磨矿电气及控制系统设计

樊双雁

摘 要：本文从工艺、电气、控制三个方面论述了锡铁山选矿厂SAB磨矿工序的电气及控制系统的设计思想。在工艺方面，研讨了SAB（半自磨机闭路+球磨机闭路）的设备机理和工艺原理，探索了对过程控制的影响；在电气系统方面，论述了电气设计的总体思路、设备特点和电气控制的安全设计；在控制系统方面，阐述了基础控制、回路控制和调度控制的设计要点。

关键词：磨矿；半自磨机；过程控制；电气控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.091

0 引言

半自磨磨矿工艺因流程简洁、设备数量少和分布集中、易于维护管理的优点，在我国矿山得到推广应用。锡铁山选矿厂技改工程采用了SAB（半自磨机闭路+球磨机闭路）工艺，相对于传统的三段一闭路破碎和球磨工艺流程，改造完毕后势必在选厂运行和管理方面得到提升。锡铁山选矿厂电气和控制系统的设计需要与磨浮工艺相结合，满足工艺流程改进和设备大型化的要求。通过电气设计和自动控制系统相配合，实现设备间的连锁保护和控制回路的串级级联控制，以达到经济、高效、安全、稳定的控制目的。本文针对锡铁山选矿厂的工艺特点、结合国内外半自磨工艺生产特点和主要存在的问题，提出精细化设计理念，为未来生产操作的可靠性和安全性提供保障。

1 总体概述

1.1 SAB磨矿工艺流程

锡铁山选矿厂的SAB磨矿工艺分为两段，第一段为半自磨直接闭路的粗碎工艺，即顽石产品直接返回到半自磨机的给矿入料口、进行闭路再磨；第二段为球磨机+旋流器的细磨工艺，旋流器的沉砂直接返回到球磨机形成闭路再磨。

如图1所示，粗碎工艺包括矿石堆场、4台重板给料机、3#/4#/5#皮带运输机，半自磨机规格为φ5.02.5m，其排矿产品的分级设备为圆筒筛，筛上顽石由5#皮带运输到3#皮带、3#皮带倒运到4#皮带并输送半自磨机，从而形成闭路磨矿。

细磨工艺闭路流程由渣浆泵池、渣浆泵、旋流器、球磨机构成，球磨机规格为φ3.85.2m，旋流器一组四台、两用两备，渣浆泵一用一备。

1.2 过程检测与控制

SAB磨矿工艺的工艺参数检测包括：原矿堆场料位、半自磨机给矿流量、半自磨机顽石返回流量、磨矿给水流量检测、渣浆泵泵池液位、旋流器给矿流量/浓度、旋流器溢流矿浆流量/浓度/粒度、旋流器工作压力等；执行机构包括变频驱动重板给料机、变频驱动渣浆泵和磨矿给水流量调节阀；控制回路包括：半自磨机给矿量控制回路、半自磨机前给水控制回路、圆筒筛冲洗水控制回路、泵池补加水控制回路、球磨机前给水控制回路、旋流器给矿分级控制回路。

SAB磨矿工艺的设备参数检测包括：重板给料机、皮带运输机、半自磨机、球磨机、圆筒筛、渣浆泵、球磨机等设备的功率和电流检测，半自磨机和球磨机的轴温、轴压等负荷参数；旋流器的开停状态及远程控制信号等。

SAB磨矿工艺的主要操作包括：生产开停车联锁，给矿量调整、给水量调整、磨机钢球添加、渣浆泵转速调整；渣浆泵用备切换、旋流器用备切换等。

1.3 总体设计目标

SAB磨矿控制系统设计的总体目标是：通过粗碎和细磨工艺的自动控制，提高生产安全可靠性、减少生产过程的人工干预，从而在实现过程稳定的基础上，保证磨矿溢流产品达到工艺要求，即经济、高效、安全、稳定的总体目标。

2 设计基础

控制系统的设计基础来源于设备工作机理和工艺的工作原理，工艺的工作原理实际上是原料特性与设备机理相互作用的结果。选矿厂的设备一旦选定很难更改，了解设备机理及设备之间的匹配关系，对于指导控制系统的设计十分重要。

2.1 磨机与磨矿

半自磨机、球磨机是有色金属矿山最常用的两种湿式磨矿设备，均需要通过钢球介质达到破碎效果，主体部分均由圆柱形筒体、端盖、中空轴颈、轴承和传动大齿圈组成。如图2所示，筒体内装有钢球，当筒体转动时，在摩擦力、离心力和重力的作用下，钢球被提升到一定高度后，在本身重力作用下，产生自由泻落和抛落，从而对筒体内固体产生冲击和研磨作用，使固体粉碎。钢球的运动轨迹对破碎作用的影响非常重要。影响钢球运动轨迹有四个主要因素：①磨机筒体的运转速度；②介质充填率；③磨机衬板的形状；④磨机内浆体的浓度。图3所示为主要的三类钢球运动方式：泻落运动、抛落运动、离心运动。泻落运动的磨矿作用以研磨为主，冲击为辅；抛落运动时磨矿作用以冲击为主，研磨为辅；离心运动钢球与衬板之间及钢球与钢球之间没有相对运动，也就不对矿粒产生磨矿作用。离心运动是磨机必须避免发生的状态。

功耗是磨机操作与控制的风向指标。相对于磨机设备的装机功率来讲，功耗过低、设备投资浪费；功耗过高、增加生产成本。在达到磨机设备满负荷率的前提下实现磨矿产量最大，是磨机和磨矿操作的终极目标。

卡尔马金经验公式[1]是常用的计算湿式磨机有效功率的公式，见公式1。在实际生产过程中，采用经验公式和实时生产数据进行对比分析以寻求最佳的操作方法、达到节能效果，是一条行之有效的道路。

（1）

其中：

N有：磨矿有用功耗，单位：KW；

ρ：矿石堆比重，单位：t/m3；

D：磨机有效直径，单位：mm；

L：磨机有效长度，单位：mm；

φ：矿石充填率，取值范围：0～100%；

ψ：磨机转速率，取值范围：0～100%；

Kc：磨矿方式系数，无量纲，通常取1.1～1.2；

KB：自磨機磨矿浓度系数，其取值方法可以参考相关材料。

在碎磨过程中，半自磨机是通过冲击力达到破碎的效果，冲击力由下落物料的动能来确定。不同直径的自磨机，若下落物料的质量相同，冲击力与自磨机筒体有效直径成正比。球磨机是通过磨剥力达到研磨矿石的作用，由磨矿机筒体的圆周速度来决定，不同直径的球磨机，其磨剥力与筒体有效直径的平方根成正比。因此磨机的长径比往往决定了磨机作用矿石的受力机制。

为了确定自磨机简体长度和筒体直径的合理比值，国外作了许多试验研究。R.C.Meaders的试验说明，当L/D=0.3时，生产率最高。芬兰R.T. Hukki从生产率最大而衬板磨损最小的观点出发，求得的合理比值L/D=0.25～0.62。锡铁山选矿厂半自磨机的长径比为0.5，球磨机的长径比为1.36。

矿石在半自磨机的充填率和球料比要有较好的控制，充填率过低，容易造成磨机空载、缩短衬板寿命；充填率过高，容易导致磨矿介质运动空间不足、产生不了足够的冲击力。半自磨机内应有足够的介质负荷保证充分破碎物料。因此，对于本项目半自磨机的操作来讲，给矿和补球的控制同样重要。

对于本项目的球磨机来讲，由于球磨机内物料纵向运动路径较长，要防止在运动过程中沉降等因素导致矿石沉积、引起球磨机涨肚，因球磨机的磨矿浓度控制非常重要。

2.2 水力旋流器与分级控制

水力旋流器可以用于分级、浓缩、脱泥等多种工艺，任务是按照颗粒粒度差进行物料分离。水力旋流器是磨矿工艺的出口，合格产品如果不能及时从水力旋流器分离出去，就会返回到磨矿流程内部再磨，不仅浪费能源，而且会导致产品粒级过细，影响浮选回收率、增加浮选药剂成本。如图4所示，矿浆通过渣浆泵加压后给入水力旋流器，固体颗粒呈悬浮状态随料浆一起沿切线方向进入旋流器内，料浆液体遇到器壁后被迫作回转运动，而固体颗粒则依原有的直线运动的惯性继续向前运动。粗颗粒惯性力大，能够克服水力阻力靠近器壁，而细小颗粒惯性力较小，未及靠近器壁即随料浆作回转运行。在后续给料的推动下，料浆继续向下和回转运动，固体颗粒相应产生惯性离心力。于是粗颗粒继续向周边浓集，而细小颗粒则停留在中心区域。这样就发生了粗细颗粒由器壁向中心的分层排列[2]。

从水力旋流器的工作原理可以看出，旋流器的分级效果与给入物料的流速、粒度组成、浓度均有很大的关系。特别给入浓度，如果浓度过高，矿浆颗粒的粘滞系数过大、不利于细颗粒的分离。

2.3 工艺原理分析

锡铁山选矿厂的半自磨机入料粒度较国内多数半自磨磨矿工艺的入料粒度小，这给半自磨的操作和控制带来较多的可能性和变数：

（1）给入粒度小（<100mm），则矿石充当磨矿介质的能力减弱，因此钢球的补给非常关键。补给过量，容易导致衬板磨损和钢球消耗大，生产成本增加、有效作业时间缩短。补给不足，矿石破碎不充分、增加球磨负荷，有可能造成球磨机涨肚。

（2）给入粒度小（<100mm），另一方面说明矿石硬度或者可磨性比较好，那么矿石在半自磨机内的停留时间需要把控，停留时间过长、可能导致过磨和半自磨机涨肚，停留时间过短，粗粒级比例增加，可能造成半自磨机和球磨机负荷匹配失衡。

3 电气控制系统设计要点

3.1 基础设计

锡铁山电气系统包括粗碎车间、中间堆场、磨浮车间3个动力配电间。电气系统以动力中心变压器低压出线侧为上界，包括3个动力配电间的电气柜、现场操作箱及电气设备配线。动力配电间低压柜体采用MCC框架结构，分为进线柜、电容柜和馈电柜。进线柜使用带智能电子脱扣单元的空气断路器，在线路出现短路、接地等故障时对其站内设备提供保护功能。电容柜设有功率因数检测和控制装置，能够实时监测负载的功率因数，采用自动或手动改变投入电容数量的方式补偿系统功率因数，确保电网质量。

为了节能降耗，根据电气设备的用途和功率，电机控制方式分为变频控制回路、软启控制回路、电动机智能监控器保护回路和热继电器保护回路4种。变频器回路用于有調速要求的场合。变频器采用西门子SINAMICSG120变频器和SINAMICSG130变频器，具有Profibus-DP远程通信接口，可以通过DP总线实现与现场DCS系统的连接。软启动器用于大于30kW的电机控制回路，软启动器则采用雷诺尔品牌的软启动器。电动机智能监控器用于大于20kW的电机控制回路。热继电器则用于小于20kW的电机控制回路。所有电机控制回路均带有现场操作箱，现场操作箱实现就地控制功能并具备远程/就地切换权限。

电气控制回路切换到远程操作后，DCS系统可以实现对电气设备的远程控制；切换到就地操作后，DCS可以获取设备运行状态及故障信息，但无法对设备进行控制。各控制回路的远程就地控制权唯一，即现场操作箱上的远程/就地选择开关在就地状态时，只可由现场操作箱控制设备的启停；远程/就地开关在远程状态时，只可由DCS控制设备的启停。在现场操作箱上设置有检修开关，当检修开关处于检修状态时，现场操作箱和DCS系统均不可对设备进行启停操作。

3.2 变频设备电气控制系统设计

变频器的作用是通过改变电机电源频率，来调整电机转速。锡铁山项目的重板给矿机、矿浆泵池渣浆泵等需要调速的设备全部使用变频器调速。其中，磨矿矿浆泵池使用2台西门子SINAMICSG130高性能单机传动变频调速器（一用一备），其他渣浆泵和重板给矿机则使用SINAMICSG120高性能单机传动变频调速器。G120变频器适用于0.37～90kW的泵和传送带等设备，G130变频器则适用于75～1500kW的泵、传送带、风机、压缩机等设备。

SINAMICSG130作为西门子公司的新一代变频装置，适用于大功率，高性能，而无需再生反馈的单机驱动的场合。它既适用于恒转矩负载，如挤出机、搅拌机或输送机等，也可用于具有平方转矩负载，如泵、风机和压缩机等。由于采用了全新设计理念：模块化的机械设计，损耗极低的半导体器件IGBT以及革新的冷却系统，SINAMICSG130成为一款性能非常优良，运行异常安静、结构极为紧凑的变频器。

到目前为止，电压源型变频器主要使用两种技术来调制可变的输出电压。每种技术都有其自身的优缺点：空间矢量技术可将电机电流中的谐波降到最低程度，从而降低了电机的附加损耗。但是输出电压最多能达到输入电压的 90%，这样可能会达不到驱动电机所需的额定工作电压。而采用方块脉冲调制技术可获得高达输入电压 105% 的输出电压，但在电机中会产生极高的谐波成分。电机将会有很高的谐波损耗。这样会使电机效率明显变差。SINAMICSG130变频器则将这两种调制技术的优点完美融合在一起。这种优化的脉冲调制就称为脉冲边沿调制技术，可实现即使在 100% 负载时，也能在电机端获得 100% 输入电源电压而无任何副作用（如电机中的谐波和附加损耗），变频器损耗同时也会降低。

在锡铁山项目中，现场产生的各种开关信号通过变频器控制单元（CU320-2DP或者CU240-DP）的IO接点传送给变频器，并控制变频器的启停。DCS则通过Profibus-DP通讯接口与变频器控制单元通讯，读取变频器的状态和控制变频器的启停，同时对变频器进行调速。就地IO信号控制和远程DCS控制方式则可以通过现场控制箱上的远程/就地选择开关进行切换。

3.3 软启动器电气控制系统设计

软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定電压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

在本项目中功率>30kW的浮选机以及皮带运输机全部采用软启动器控制。

3.4 对于皮带运输机以及重板给料机的响铃保护

对于皮带运输机以及重板给料机等具有裸露运动部件的设备，必须在开机运行之前让人员远离运动部件，以保护人员不受伤害。因此对于这些设备都设计有发讯警示信号。当需要对设备进行开机操作时，首先发出发警示信号，警示信号接安装于现场的声光报警器，声光报警器动作至少15秒之后，才允许对设备进行开机操作。

4 控制系统设计要点

4.1 基础设计

根据锡铁山选矿厂技改工程的SAB磨矿工艺流程，DCS系统的功能设计包括以下几个方面：

（1）实现整个流程工艺参数、设备参数的实时采集、归档和显示；

（2）实现整个流程开车、停车的自动操作；

（3）实现整个流程中各个控制回路的闭环调节；

（4）实现生产过程中报警信息的存储和归档。

4.2 回路设计

控制回路是稳定磨矿流程、减少劳动强度、提高生产可靠性的关键，回路控制器的设计至关重要。PID控制器问世至今已有70 多年的历史，尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、易实现、鲁棒性强等优点一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器，即便是在美国、日本等工业发达国家，PID控制仍达90%以上[3-4]。国内选矿厂的实践也证明，选矿工艺流程多数回路采用PID控制器是有效的。

SAB磨矿过程的控制回路包括半自磨机给矿量控制回路、半自磨机前给水控制回路、圆筒筛冲洗水控制回路、泵池补加水控制回路、球磨机前给水控制回路、旋流器给矿分级控制回路。半自磨机给矿控制回路因为存在大滞后的特点，因此在给矿PID控制器设计时要注意PID参数的整定，特别是5#皮带上顽石返回流量会成为4#皮带给入半自磨机矿石流量控制的扰动，因此需要在PID参数整定过程加以注意。给水控制因被控对象相对灵敏、只要调节阀选型得当，控制效果均能得当保证。旋流器给矿分级控制的难点在于渣浆泵转速的工作区间的标定。如果渣浆泵流量的选型过大或者过小，则有可能影响渣浆泵作为执行机构的有效调节范围。因此，为了达到合理的控制效果，在PID控制器投运前，应先进行回路的开环试验，确定被控对象的过程特性后再优化PID参数，从而提高PID控制器适应工艺调整的能力。

4.3 调度设计

先进的DCS系统在选矿生产过程中的应用，使得生产过程数据的采集、存储、传输、应用更为可靠和便利。DCS系统的流程画面及生产数据通过WEB发布可以在矿山的相关部门和生产单位进行投放，从而可以提高各个部门相互配合的能力和水平。

水、电、球是磨矿生产的基本条件，其保障程度决定了生产操作和过程控制的效果。此次DCS系统设计中考虑了关于生产用水资源的调度，特别是生产回水和生产新水利用的协调功能。如果有条件的话，亦可接入选厂变配电系统的数据实现供电调度。由于钢球添加采用批次补加方式，可以利用DCS系统开发相应的录入界面，实现对钢球补加数据的存储，作为生产调度数据和生产优化控制时的诊断数据使用。

5 结束语

SAB磨矿工艺过程控制是生产实践的难题之一，其本质一是生产条件对控制系统的满足，二是对生产操作边界和生产异常的识别和适应。在系统设计阶段，应充分考虑原料性质、设备机理和工艺特征，细化控制逻辑和控制参数的设计，为系统的可靠投运奠定良好的基础。

参考文献：

[1]关雅梅，刘万年.自磨半自磨磨机的参数确定[J].中国矿业，2008

，17（03）：47-50.

[2]孙玉波.浅谈水力旋流器的工作原理和影响参数[J].矿业快报，2003（403）：5-8.

[3]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003.

[4]黄友锐，曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京：科学出版社，2010.