浅谈智慧选矿中自动化控制发挥的作用*

姚振松 刘风亮 姚振民 刘世昌 赵文普 张永信

(1潍坊市政务服务中心 山东潍坊 261000)

(2山东华特磁电科技股份有限公司 山东潍坊 262600)

当前,我国国民经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,正处在转变发展方式、优化经济结构、新旧动能转换的攻关期;全球经济正在经历数字化浪潮的洗礼,以数据为驱动的矿产资源重构愈演愈烈,矿产资源的商业模式或将发生颠覆式改变。在选矿工厂中,自动化控制技术的深入应用,使得对矿物的加工变得更加高效,将直接提高我国选矿工厂的自动化技术水平,同时有效提高工厂生产效率和改善工人劳动环境,控制系统也能避免人为因素带来不安全事件的发生,解决长期以来选矿工厂被安全问题困扰的难题,为工厂带来经济效益和社会效益的同时,也对我国选矿工程的发展有着十分积极的促进作用。

1 选矿工厂的现状

1.1 选矿机械系统的特点

选矿工厂建设是复杂而系统的工程,选矿工艺通常包括物料输送系统、破碎系统、磨矿系统、分级系统和磁选系统等阶段,实现对矿石进行加工、分选、提精或除杂。在选矿工厂的建设中,选矿工艺的设计是衡量选矿工厂水平的关键,选矿工艺往往伴随而来的是不同功能的选矿机械的有序配合。

随着选矿技术的不断发展,随着选矿机械迅速更新,但是选矿工程中选矿机械复杂程度参差不齐,控制系统自动化水平高低不同。其中,部分设备具有机械结构复杂、工艺参数调整灵活、控制系统自动化程度高等特点,比如:双传动辊压机、高梯度电磁浆料磁选机、球磨机等;也有控制系统非常传统的设备,控制系统仅需要控制设备的启停或者进行简单的变频调速功能等,比如:振动直线筛、圆筒振动筛、渣浆泵等。选矿工厂中矿山设备的数量依据生产规模不同有上百台至上千台不等,根据不同的功能,依据工艺流程被合理的安排在工厂的不同位置,分布范围广;有的选矿工厂生产线的数量不止一条,这对矿山机械设备的使用和管理提出了更高的要求。

1.2 选矿工厂控制系统的特点

我国的选矿工程一直处于高速发展阶段,尤其是选矿机械的发展一直处于国际领先水平。但是,目前我国选矿工厂的自动化水平长期落后于选矿机械的发展水平。受选矿工厂的建设规模、成本等因素的考虑,建设初期往往忽略对选矿工厂自动化水平的要求,导致选矿工厂控制系统大多停滞在传统的人工现场控制阶段,由此而来的选矿效果受工人经验因素影响较大,生产现场安全措施不全面、生产持续稳定运行率低、潜在风险因素高、数据数字化分析等问题日益凸显。

近年来,选矿厂面临的“熟练工严重不足”、“人件费用日益增长”、“疫情环境下的不稳定性增加”等问题,改善工人工作环境、提高生产稳定性和安全生产的课题急需解决。随着自动化控制在化工、医药、煤矿和港口等行业的应用,结合选矿机械的自身特点和选矿工厂控制系统的现状,将自动化控制引入选矿工厂,实现选矿工厂从“自动化”到“数字化”再到“智能化”的建设进程,面对目前选矿工厂急需解决的诸多问题,将自动化控制应用于选矿工程显得尤为重要,这将为“智慧选矿”提供平台基础。

2 智慧选矿

选矿工厂的自动化控制系统是建设智慧选矿厂的基础,自动化控制实现工厂设备自动控制、过程控制、工艺控制、智能控制等环节。目前大部分采用DCS或PLC+上位机系统构建,系统基于现场安装的各种传感设备、在线检测技术、振动监测平台、电机检测装置,将现场的实时运行状态和运行参数实时传送到控制器,控制器依据内置的专家控制系统,监控系统的运行状态,通过执行器调整现场设备的工作状态,实现对全工艺流程的智能控制。数据库系统对生产过程的数据进行采集、存储和历史记录查阅,以便对生产过程的全生命周期管理;专家控制系统将生产经验值通过模糊算法、神经网络等智能控制算法植入自动控制系统中,依据生产工艺参数的最佳值迅速地对控制对象,进行自动控制和自动调节,从而实现智能控制。

建设选矿工艺技术和运营管理的相互结合,建成对设备运行状态、工艺参数、生产管理等“AI智能操控系统”,并辅助有“5G+人机交互智能巡检系统”、“5G+智能数字群呼系统”,选矿数字化、智能化有效提高了生产作业效率及技术经济指标,提升了安全生产保障能力、生产管理效率和生产经营决策能力。

有关未来选矿工厂的建设与实现方式不断地日新月异。智慧选矿、智能控制、5G 物联网+等新型技术概念的出现正引领传统矿业加工行业加速向绿色、安全、智能、高效方向发展。

3 自动化控制的应用

笔者简要介绍了福建南平某矿业公司石英砂选矿工厂的控制系统自动化控制设计方案,分别包含控制网络(见图1)和视频网络(见图2)。

图1 控制网络

图2 视频网络

控制网络核心采用北京力控公司开发的FC7.2上位机软件和西门子S7-1200 可编程逻辑控制器(PLC)构成的控制系统,控制系统通过上位机软件实现良好的人机交互操作、数据共享和数据存储,通过PLC实时对生产数据信息进行采集和监控和控制,PLC可实现自动控制运行、数据采集、报警处理、故障联动等,并增加智能控制环节;现场设有多站点的分布式IO 设备站用于补充可编程逻辑控制器的IO 功能;执行层包含变频器、电动执行器、压力传感器、流量传感器、温度传感器、智能变配电装置等控制和采集设备,同时工厂内建有多个电动机控制中心(MCC);选矿工厂控制网络建有光纤介质的冗余高速通信通道,实现PLC与分布式IO 设备以及IO 设备与现场执行层稳定可靠的控制、监控和数据传输;在高风险区生产现场增加红外检测、安全光栅设备,防范人身伤害事故的发生。

视频网络采用网络监控系统,在原有安全监控系统的基础上,增加重点工序和重点设备的专有监控系统,实现系统稳定运行,数据存储可靠,视频数据定期归档。某些生产现场环境恶劣,不适合人员长期驻守,可以采用远程监控生产过程,在控制室内通过大屏调阅实时运行画面,结合自动控制系统,起到辅助生产的作用,实现生产线的无人值守;某些设备因安装位置不易接近,人工巡视危险性较大,可使用摄像机进行远程监督;技术人员在控制室内随时了解各主要出产环节的实时出产状况,处理突发事件,与现场进行双向语音交流;同时,存储的视频资料也将为解决工艺和设备故障问题提供有力的视频材料。视频网络可以完美地整体嵌入到自动化控制系统中来,并通过上位机的界面模拟图,使用户可以随时根据自己需求来调出需要重点关注现场视频情况。

4 自动化控制系统的优势

4.1 提高安全性和可靠性

将现场安全设备的“硬连锁”与控制系统的“软连锁”相结合,一方面杜绝了不安全影响的发生,提高检修、巡检过程中的安全系数;另一方面也有效防止人员操作失误带来的错误动作。针对生产连续性高的特点,自动化控制具备完善的保护、报警和异常处理功能,当设备出现报警或故障问题时,自动化控制系统会有不同级别的警报发出,自动或提示技术人员手动完成故障的排除,当不可避免停机时,自动化控制系统会将生产影响程度减小到最优,避免了以往的不良“连锁反应”,保证了中间环节故障停机时生产保持一定程度的连续性,显著提高了传统控制系统的故障分析和判断能力,减少停机事件的发生,有效提高系统的稳定性和选矿机械的使用寿命。

4.2 供电系统自动化

电力作为工厂的重要能源,供电系统的稳定性极大的影响了选矿生产的连续性,所以说供电系统自动化是选矿工厂自动化系统中十分重要的组成部分。供电系统自动化可以完善电能信息的采集、存储、管理和利用;确保系统设计的标准化、规范化和运行维护的可视化,做到系统安全、可靠、可扩展、可维护和易操作;实现对电能系统的分散控制和集中管理;减少能源系统运行成本,提高劳动生产率;供电系统自动化建成后,调度人员对供电系统的异常和事故的反应处理速度能够得到显著提高。供配电调度人员可以通过系统迅速从全局的角度了解系统的运行状况、故障的影响程度等,及时采取系统的措施,限制故障范围的进一步扩大,并有效恢复系统的正常运行。

4.3 生产过程数字化

建立综合数据库,基于实时数据采集平台,将生产数据存储于数据库,实现生产实时监测监控和历史数据的查询、统计、订阅与推送等全系列综合服务,实现数据自动统计,自动生成各种样式报表、图表,实现选矿工厂产能分析、能耗动态分析、故障分析、安全生产数据分析等,并做出安全生产、决策优化等建议措施;决策人员可以将生产信息同选矿工厂的运营管理相结合,实现精准决策;生产过程数字化为数据融合联动与大数据分析奠定了基础,可进一步推进选矿工厂的企业资源计划(ERP)和制造执行系统(MES)协同,建成数字化选矿工厂。

4.4 智能控制

通过实时监控生产过程要素,利用控制系统内部的反射控制,可实现对工艺流程的最优控制。比如:磨矿自动化控制系统(见图3),球磨机控制是该控制系统的关键,控制系统依据球磨机的排矿水与溢流浓度、球磨给矿量与返砂水、球磨填充率与磨矿浓度之间存在离散不限线性关系进行数据建模。该系统会针对性地控制磨矿浓度,以求高的投入产出比;磁选自动化控制系统,通过日常数据库自学习方式建立智能磁选参数模型,对磁选工艺参数进行精准控制;同时,根据实时生产要素对生产现场电动执行器开度、渣浆泵变频器运行频率、输送皮带运行速度等环节进行自动调节,适合当前系统运行工况;自动化控制系统按照工艺要素建立多个多参量控制子系统,不同的控制系统采用多变量串级控制或自适应模糊控制,实现“精确判断,精准执行”,保障系统的智能运行。

图3 磨矿自动化控制系统

4.5 人机交互

通过上位机软件组态控制监控平台,向技术人员提供形象便捷的界面,如供水通风控制系统(见图4);控制室内即可实现选矿机械的控制、运行参数的监控和工艺参数的修改;在生产过程中,可根据不同的矿石性质,选择不同的生产工艺参数组别,实现生产工艺参数的批量输入和导出;WEB 发布具有实时性,只需要服务器连接外网,通过远程客户端可以直接查询监控系统画面,同时远程客户端与控制室画面完全相同,只需配置相关登录授权后,即可开通远程操作功能,实现远程操作。

图4 供水通风控制系统

5 结语

自动化控制系统提供一个高速、安全、可靠的监控管理平台,提高选矿工厂的自动化集成水平,发挥自动化控制系统的综合管理效益,努力建成本质安全型数字化选矿工厂;自动化控制技术的运用将会迎来越来越多的机遇,为选矿工厂的数字化、智能化赋能,随着自动化控制技术在选矿工厂的广泛应用,将推动选矿工厂的高速、高质量发展。