高海拔条件下的甲玛二期选矿厂自动化设计与应用探究

崔宝 刘子龙

摘要：中国黄金集团甲玛二期选矿厂的高海拔、先进设备、复杂工艺、人员紧缺及其生产控制特点而实施的选矿全流程自动化项目。该项目将大型的DCS系统与先进的生产过程优化控制软件相结合，采用先进的网络结构、先进的选矿智能仪表、可靠的执行机构，引入模糊控制、神经元网络控制等先进控制方式，将原矿破碎-SABC碎磨系统-浮选系统-精矿脱水系统-尾矿膏体输送系统-加药系统等集成在一个大控制系统中，并运用现场总线技术，实时采集工业控制现场数据，实现选矿过程中的破碎、磨矿、浮选、再磨、精矿脱水、加药、深锥浓密、尾矿输送等选矿各个环节优化控制。该系统从根本上解决了甲玛选矿生产的各项问题，达到提高生产效率和工艺指标、降低生产成本、稳定工艺流程、保护设备、减少资源消耗的目的。

關键词：高海拔条件下；甲玛二期选矿厂；自动化设计与应用

“企业两化融合管理体系标准建设和推广行动”是工业和信息化部《信息化和工业化深度融合专项行动计划（2013-2018）》的首要行动。该行动将通过制定和推广两化融合管理体系国家标准，引导企业建立和规范两化融合管理机制，确保企业稳定获取预期的两化融合成效，打造信息化环境下的新型能力，获取可持续竞争优势。2014年将试点推动500家企业两化融合管理体系贯标达标工作，同时培育形成覆盖全国的第三方专业咨询和认定服务体系，并于2015年开始全面推广。西藏华泰龙矿业开发有限公司申报成为首批两化融合试点贯标企业，积极开展两化融合建设任务，建设4600米高海拔选矿全流程自动化控制系统。为以后高海拔地区自动化建设提供建设依据。

选矿工业是我国传统流程工业，发展至今已具备相当规模。但由于我国选厂自动化技术水平低下，而矿产资源存在品位低、嵌布粒度细、矿物组成复杂难选的特点，仅凭传统的人工操作方式无法获得理想的技术指标。高能耗、低效率、高成本等问题长期困扰着选矿企业。

近年来，随着冶金、钢铁等行业对选矿质量要求的逐渐提高，以及环境保护、经济效益等方面压力的日渐突出，选矿企业也逐渐意识到提高选矿自动化水平的重要性。但国内选矿全流程控制技术发展缓慢，至今没有形成产品，而国外同类产品又无法适应我国选矿现场恶劣环境，导致选矿全流程控制系统十分缺乏。

选矿二厂与东方测控长期致力于开发选矿自动化控制系统，在实施局部选矿控制工程中积累了丰富经验，具备开发选矿全流程控制系统的实力。为此，中国黄金集团华泰龙矿业公司为提高甲玛二期选矿厂生产质量，委托东方测控实施该项目。

项目采用先进的DCS大型冗余集散控制系统、先进的通讯环网、先进的在线检测分析仪表及执行机构等，引入模糊控制、神经网络控制、选矿专家系统等先进控制方式，对粗破碎、SABC到浮选、精矿脱水、深锥浓密及隔膜泵站等重要工艺点实施在线检测；针对重要的监测环节，例如旋流器溢流粒度、磨机负荷、浮选泡沫品位等，采用神经网络、支持向量机等机器学习算法建立软测量模型，辅助仪表监测值为控制环节提供数据支持；利用大数据技术建立软测量模型对无法在线检测的关键工艺变量进行推算，实现了甲玛选矿生产全流程自动化控制。

一、圆锥破碎机工作状态监控

圆锥破碎机自身设备的保护多由其自身自带的PLC控制系统完成，而它所自带的PLC系统放置在现场设备附近，设备参数信号经过网络通信、接线方式进入中央DCS控制系统，DCS系统根据接受的数据情况，综合判断，在中央控制室及时报警，可以远程实现对设备状态的显示监控和整个系统连锁控制。

破碎机是破碎生产中最重要的大型设备。破碎机润滑系统的油温、油压及液压也直接影响着破碎机的正常工作。控制系统通过与破碎机自带的PLC通信，读取油温、油压信号，并根据监测到的数据判断破碎机的设备情况，及时报警并作出保护处理。这样可以更大限度的保证破碎机以及整个生产流程的顺利进行。

二、金属探测与报警控制

在破碎机正常生产过程中，当不能被破碎的金属块进入破碎腔时，假如不及时采取措施就会导致破碎机设备出现损坏，影响破碎机的正常运转。矿石进入破碎机前，在除铁装置前后安装金属探测仪，实现自动除铁和二次探测到金属停车报警功能，防止破碎给矿中的金属物对破碎腔的损坏。

三、破碎机给矿自动控制

针对选矿厂破碎工艺流程的特点，破碎生产自动控制的关键在于如何充分发挥破碎机的生产效率，实现破碎设备的高效率运行。

破碎机的工作负荷情况直接影响着破碎的生产效率指标。对圆锥破碎机实施挤满式给矿和恒功率控制能够充分发挥破碎机的破碎效率。系统检测破碎机的破碎腔料位以及功率，判断目前破碎机的负荷，然后变频调节给料皮带的给矿量，实现破碎机的恒功率控制与挤满式给矿。

1、磨机负荷判断

磨机的负荷状况即充填率，即指磨机中物料容积占磨机有效容积百分数。在实践中我们发现有两个信号与充填率的变化存在一定变化规律。这两个信号是功率和磨音频谱。

2、磨音频谱分析仪检测磨机的工作状态

由于磨机在工作过程中，其声音的强弱，频率的高低，与矿物的充填量和矿石性质有着密切关系。当矿物充填少时，其声音强，频率高，人耳感觉清脆；当矿物充填多时，其声音弱，频率低，人耳感觉沉闷。具体过程详见磨音、功率与磨机充填率之间的关系图。

但人耳只能分辨出其空肚或涨肚两个极端的效果，不能分辨出其变化的过程，而智能磨音频谱仪就能准确判断出其声强和频率的变化，分析出矿物的充填情况和矿石性质的变化，从而实现增矿或减矿的控制过程。

3、功率检测磨机负荷

功率信号高低与磨机内负荷的高低相关，装载量越多，功率越高，但在发生“胀肚”情况下，功率信号反而降低，具体过程详见磨音、功率与磨机充填率之间的关系图。

可通过实物标定将磨机“胀肚”趋势点的功率信号作为“胀肚”信号比较值，即临界点，当功率大于临界点时，磨机按原定控制过程工作。当功率信号接近或小于临界点时，说明磨机具有“胀肚”趋势，控制过程进入“胀肚”保护部分。功率信号高于临界点后又减小，表明磨机内存矿过多、给矿粒度变粗或矿石硬度升高，可控制输出给矿信号减小或停止给矿一段时间，直到功率信号回升，接近某个定值后再恢复原给矿量。正常情况下，原矿给矿量是球磨机处理能力所允许的，导致胀肚的原因一般是原矿粒度及硬度的变化造成的。

根据磨音频谱的高低预判断出磨机的负荷料位，再根据半自磨机的功率（设备自带）与轴承压力（设备自带）进行修正，并结合筛上返矿皮带的返矿量，多个因素相结合进行分析判断，判断出半自磨机的料位，适当控制给矿量，使半自磨机料位始终工作在最佳的料位范围内。

系统采用电子秤检测新给矿量，通过变频器调节板式给料机的电机转速实现半自磨机的新给矿量的控制，从而控制半自磨机的给矿量。

四、半自磨机磨矿浓度控制

磨矿浓度是指在磨矿机内，矿石的重量（干重）占整个矿浆（矿石+水）重量的百分数。磨矿浓度主要是影响磨矿介质与物料的摩擦力、介质的有效重量（介质的绝对重量减去矿浆浮力）、矿浆的流动性和磨矿机的运输能力等，从而影响磨矿机的生产率。磨矿浓度应该有一个适宜的范围，过大过小均不好。

半自磨机的给水控制，通常根据给矿量、磨机的磨矿浓度要求，预先计算出目标给水量，作为半自磨机的给矿水的控制基准值。由电磁流量计计量，采用电动调节阀控制其流量，在保证能将给矿冲入磨机的前提下，给矿水流量用来将自磨机内的矿浆浓度（即磨矿浓度）控制在工艺要求的范围内。

1、磨机负荷的检测与控制

使用磨音频谱仪检测球磨机矿石装载量变化的情况。根据磨音频谱的高低预判断出磨机的负荷料位，再根据球磨机的功率（通信）进行修正，进行分析判断，判断出球磨机的料位，适当控制半自磨机的给矿量、以及旋流器的给矿流量，使球磨机料位始终工作在最佳的料位范围内。

球磨机的入磨量计算：一段球磨机的给矿来自一段旋流器的沉砂，所以一段球磨的负荷大小变化主要取决于旋流器的沉砂量，系统在旋流器给矿管道安装浓度计及电磁流量计用于计算旋流器给矿干矿量，并通过SABC流程进出平衡的原理，推导出溢流干矿量= 5#（6#）皮带电子秤-11#（12#）皮带电子秤。由于旋流器滞后时间很短，所以旋流器沉砂量=给矿干矿量-溢流干矿量=给矿干矿量-（5#（6#）皮带电子秤-11#（12#）皮带电子秤），以达到对一段球磨机给矿量的计算。

2、磨机浓度的检测

球磨机磨矿浓度近似等于旋流器沉砂浓度，所以系统在旋流器给矿管道及溢流管道安装浓度计及电磁流量计用于计算旋流器给矿干矿量及溢流干矿量。由于旋流器滞后时间很短，所以旋流器沉砂浓度=（给矿干矿量-溢流干矿量）/（给矿干矿量-溢流干矿量+给矿含水量-溢流含水量），以达到对一段球磨机磨矿浓度的计算。

五、选矿厂工艺过程优化控制

二期自动化充分考虑了系统的先进性、实用性，直接按照选矿优化控制方案进行设计。在一期基础上，增加了自动加球控制，浮选机风量控制，浮选控制系统直接纳入DCS系统，渣浆泵入口进料阀门、排污阀门自动控制等。

二期自动化将紧密结合工艺流程，在实现局部闭环、优化控制的基础上，实现SABC流程的优化控制，实现一段磨矿-旋流器磨矿分级系统的优化控制，实现浮选系统的优化控制，实现二段球磨-旋流器磨矿分级系统的优化控制，实现深锥浓密及尾矿输送的优化控制。更进一步实现磨矿、浮选、尾矿各个工艺段整体优化控制。

在选矿过程中，磨矿分级作业直接关系到选矿生产的处理能力。磨矿产品的质量，对后续作业指标乃至整个选矿厂的经济技术指标有很大的影响。系统通过在线检测泵池液位、旋流器入口流量、浓度、压力以及出口浓度、粒度、磨机功耗等参数建立磨机装球量、排矿浓度、旋流器溢流粒度的预估模型，以给矿、泵池液位、旋流器组开关、循环负荷、功率等参数为调节手段实现磨矿过程优化控制。磨矿优化系统旨在稳定旋流器溢流浓度、粒度的前提下，提高磨矿处理能力。使用磨矿优化系统能大大增加每套衬板的处理量，减少功耗，提高磨机控制和性能，运行更加经济和环保。

采用东方测控自主研发的DF-PSM超声波在线粒度仪，通过对分级设备溢流矿浆的在线检测，采用粒度仪检测旋流器的溢流粒度的合格率。当旋流器的溢流粒度不合格时，通过调节旋流器的给矿压力、给矿浓度、半自磨机的给矿量，实现保证旋流器的溢流粒度的合格率。当旋流器的溢流粒度合格时，通过调节旋流器的给矿压力、给矿浓度，实现提高旋流器的溢流粒度的合格率。

系统根据功率、轴压、磨音的检测数据，检测磨机的物料充填率，来判断磨机是否处于“涨肚”的极端状态，并对极端状态进行处理，恢复到正常状态。当磨机处于正常状态时，通过调节磨机的矿石矿块优化功能、磨机的矿量优化功能、磨机的给水量优化功能，通过矿石图像分析仪，检测原矿的矿石图像，给出矿石矿块分布。根据半自磨机的有用功率、轴压以及磨音，判断半自磨机的负荷状态，实现半自磨最优给矿配比，调整各下料口给料机运行情况和集料皮带给矿量，提高半自磨生产效率、降低能耗、促进碎磨产品的合格的目的。

在选别生产过程中，系统结合各工艺段的品位数据以及关键工艺数据，从而对加药配比、加药量、充气量进行优化控制。浮选优化系统主要基于浮选精矿流量、浮选时间、浮选液位、充气量、加药量等变量，形成优化控制回路，以避免出现“不起泡”和“起泡过多”，控制泡沫速度，稳定精矿品位，实现药剂添加控制，管理循环负荷，提高回收率，还可以代替现场人员对浮选的巡查。

在保证给入浮选部分的矿浆有合适的细度和浓度基础上，检测液位高度及泡沫移动速度的值，来判断浮选过程是否处于“掉槽”或“跑槽”的极端状态，并对极端状态进行处理，恢复到正常状态。当浮选过程处于正常状态时，通过调节浮选液位、充气量、药剂用量等變量的值，合理控制浮选精矿流量、浮选时间、泡沫刮出量、泡沫移动速度等值，将有用矿物选择性地富集于精矿中，从而稳定精矿品位，提高精矿回收率。

在浓缩过滤部分，系统通过对浓缩机底流输送浓度进行优化控制，能够有效提高排矿浓度，减少尾矿体积。同时，系统采用堵塞矿管路和耙机电流增高的自动检测和控制措施，降低浓缩机事故发生率，减少岗位操作人员的劳动强度和巡检次数。系统根据各台设备不同的工作状态，自动进行排矿量的分配，最大限度提高设备的处理能力，并最终达到降低尾矿输送成本，提高循环水利用率的目的。

参考文献：

[1]预磨机模糊控制系统的设计与试验[J]. 罗小燕，林和荣. 金属矿山. 2012（08）

[2]简述自动控制在选矿中的应用与研究[J]. 肖睿，孟宪慧，范素月，李永坡. 科技资讯. 2012（11）

[3]磨机负荷检测方法研究综述[J]. 汤健，赵立杰，岳恒，柴天佑. 控制工程. 2010（05）