选矿自动化方案

丹凤县宏岩矿业有限公司

磨矿分级自动控制

系

统

技

术

方

案

设计单位：洛阳政和矿业科技有限公司

地址：河南省洛阳市

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目录

1、系统设计概述 (4)

1.1设计前言 (4)

1.2设计(改造)依据 (5)

1.3设计(改造)内容 (5)

2、设计（改造）功能 (8)

2.1生产工艺过程控制 (8)

2.2操作方式 (8)

2.3计算机监控 (9)

2.4数据报表系统 (9)

2.5报警系统 (10)

3、控制系统方案 (11)

3.1网络选择 (11)

3.2控制系统网络结构 (13)

3.3组态监控画面与参数设置 (15)

3.4数据存储与系统扩展 (15)

3.5系统控制原理 (16)

3.6控制系统的检测与控制 (21)

3.7报警与顺控 (22)

3.8主材配置 (23)

3.9系统特点 (24)

3.10施工周期： (24)

4、系统造价 (25)

5 、电气说明 (25)

6、项目管理 (26)

7、技术服务和售后服务 (26)

8、综述 (27)

1、系统设计概述

1.1设计前言

随着经济的高速发展，特别是在中国加入世贸组织的今天，各企业为了提高自身的市场竞争能力，使得企业可持续发展，特别是在资源性产业中，可持续发展已经成为战略目标，如何节能降耗已经成为企业发展的头等大事；选矿行业作为资源性产业的重要组成部分，如何挖掘设备潜能，降低能耗，已经成为企业可持续发展的首要问题；任何资源型产业都面临着一个问题，那就是能源枯竭的问题，如何合理的使用这些有限的资源呢？毫无疑问，通过各种手段提高设备生产效率、提高产品质量、降低生产成本已是一种必然趋势！

正是在这种趋势下，选矿过程自动化应运而生，并在各种选矿行业中被广泛应用，尤其是在钢铁、钼选矿行业的广泛应用,自动化程度达到了前所未有的高度。从原矿破碎、球磨、分级机、浮选到尾矿处理，生产工艺较为复杂，传统控制以手动操作为主，靠工人的实际经验调节，产品质量的一致性较差，磨矿效率较低，金属回收率也得不到保障，精矿品位难以保证，自动化程度较低，工人劳动强度较大。

在整个磨矿过程自动化控制系统当中，球磨机控制是该控制系统的核心部分，而球磨机的控制核心是控制其磨矿浓度！由于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线性关系，这为自动化控制增加难度。因此，我公司针对此多参量控制系统，采用多变量串级控制系统或自适应模糊控制

系统，在锅炉行业、水处理配方算法、高精度定位控制等场合广泛应用。

1.2设计(改造)依据

根据工艺特点，本着为甲方节约成本，同时最大效能发挥自动化功能为目的，充分应用现代控制理论、利用当前掌握成熟的控制技术、高智能检测转换技术、工控网络技术，结合选矿工艺技术，有针对性对整个选矿过程中的磨矿分级过程实现自动化控制。因为在整个选矿过程工艺中，最能实现自动化价值，最能创造效益的部分就是磨矿分级部分，即有效的控制了投资成本，又最大化的发挥了自动化的效能。

对整个工艺实现过程自动化控制、设备集中控制；以此对生产工艺实现自动控制，最终取代人工控制，优化生产过程控制，稳定工艺性能指标，降低生产成本，提高生产效率，实时现场监控，降低工人劳动强度，改善工作环境；最终控制目的在保证最终精矿产品质量的前提下，充分挖掘设备潜能，提高球磨处理量，降低设备故障率，提高金属综合收率，实现增效节能达到国内以至世界领先水平！

1.3设计(改造)内容

本着投资最小化，利润最大化的目的，选矿厂自动化控制系统实现的功能包括：

磨矿工艺过程：包括自动给料、球磨自动给水、浓度控制、自动加球控制等。

磨矿分级工艺过程：包括旋流器压力、浓度控制；泵池液位控制等。

在整个自动化控制系统中包括现场检测部分、PLC控制单元部分、上位机监控及操作部分、软件编程部分、网络通讯部分等。控制系统包括两部分功能：工艺流程顺序控制功能和工艺过程控制功能。

★为确保生产过程的稳定可靠运行，同时为确保系统稳定可靠的运行，本系统低压元器件选用进口品牌，如西门子、施耐德等。

布线美观大方，散热、标识都已充分考虑。

★工控机组态监控系统实时性、响应性、安全性。为安全生产保驾护航。

★球磨机状态实时显示功能，以确保生产设备的安全可靠运行，把一切可能发生的故障扼杀在摇篮之中。

★整个系统具有硬手动/自动操作功能，以实现机旁手动操作与集中控制功能，同时上位机也能实现软手动和自动控制，操作

人员可根据需要选择启停相应的工艺设备，实现三级保护。

★上位机操作功能，在上位机中实时显示整个工艺流程以及设备运行状态，同时具备设备连锁启停、设备状态报警等；自控室

操作人员只需要在计算机上轻点鼠标即可实现设备的连锁启

停，如需调节参数值只需要输入相应的数值回车确认即可，剩

下所有的工作就交给自动控制系统去实现；而以往要启停设备

必须要在现场才能实现，要调节水量或者矿量则更是麻烦，需

要来回的调节手动阀门或者给矿漏斗矿量大小；而现在只需要

轻轻的点击几下鼠标，输入几个数字！大大的降低了工人劳动强度。

★球磨机的给矿量、给水量及加球量自动可调。

★球磨机溢流粒度均匀，浓度适合满足工艺。

★通过球磨机的负荷大小、电机电流、磨音等参数的检测，通过自适应模糊控制算法得出给矿量和入旋水量的给定，实现多变量控制系统，克服矿石品位差异、不确定扰动因素，让球磨机的磨矿效率达到最佳状态。

★旋流器给矿压力，浓度及泵池液位的检测与自动调节。

2、设计功能

2.1生产工艺过程控制

磨矿分级过程自动控制，包括给料机智能切换，给矿量自动控制，加球机自动加球控制，球磨机磨音频谱检测，球磨机功率检测，球磨机模糊控制，返砂水检测与控制；旋流器给矿压力、浓度及泵池液位等。实现智能给水、给矿及磨机工况的自动分析、故障判断、历史资料归档、事故报警、故障保护等。

2.2操作方式

2.2.1手动/自动操作

该功能独立于控制系统之外，手动操作部分满足了各工艺设备的基本运行需要。在电气部分的操作台上，操作人员

可根据需要选择本地或远程两种方式启停相应的工艺设备，

当选择“本地”方式时，即实现机旁手动操作功能。

2.2.2软手动操作

设备控制级把逻辑控制如相关设备启停、连锁、设备状态报警等功能集中在计算机上实现，操作人员（有操作权限）只

需在计算机上用鼠标点击相应操作按钮，选择相应的设备，就

可以完成设备启停。

2.2.3计算机自动操作

开车时，操作人员（有操作权限）只需在计算机上用鼠标点击开车按钮，自控系统将会按照工艺流程的要求，逆工

艺流程方向顺序自动启动设备。停车时，操作人员（有操作

权限）只需在计算机上用鼠标点击停车按钮，自控系统将会

顺着工艺流程自动停车。

2.3计算机监控

整个控制系统采用先进的现场总线控制系统，通过Profibus总线和工业以太网把远程I/O站与工艺过程监控系

统联系起来，自动化系统接受上位机的各种指令，并把过程

参数、设备状态传送给上位机。

计算机监控系统实现了如下功能：

★现场设备工作状态显示

★远程启停设备

★工艺参数趋势曲线、历史数据归档

★事故记录、报警、数据报表

★现场设备、仪表远程控制

★现场设备远程诊断、远程维护

★产量实时显示、历史记录查询

★工艺流程运行状态分析

2.4数据报表系统

对生产过程中的数据进行分类归档管理和统计，并统计班钢球消耗、磨矿量统计以及月累计量；同时具备数据存储功能，以便查询。

2.5报警系统

对生产过程中的水路异常、矿量异常、压力异常实现实时声光报警并做出相应的保护处理，以此更大限度的保证整个生产流程的可靠稳定运行。

3、控制系统方案

3.1网络选择

根据选矿厂控制要求，本方案最终采用了西门子的S7-300系统，现场I/O站之间使用Profibus现场总线通讯，CPU与上位机采用传输速率更快更可靠的工业以太网。

工业通信网络的结构：一般而言，企业的通信网络可分为三级,企业级、车间级、现场级。如下图所示：

企业级网络通信企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。

车间级通信网络车间级通信网络介于企业级和现场级之间，它的主要任务是解决车间内各需要协调工作的不同工艺段之间的通信，从通信需求角度来看，要求通信网络能够告诉传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。

现场级通信网络现场级通信网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，包括I/O设备，传感器、变送器、变频与驱动等装置，由于连接的设备千变万化，因此所使用的通信方式也比较复杂。而且，由于现场级通信网络直接连接现场设备，网络上传递的主要是控制信号，因此对网络的实时性和确定性有很高的要求。

因此在本设计中，对现场级通信网络，采用Profibus网络解决方案，工厂级采用以太网通信，以此确保生产过程的稳定可靠。

在现场级通信网络中， Profibus总线技术不仅可扩展性高、响应快、可靠性高、传输距离远以及传输速度较快，最高达12M，而且可选用设备多、价格非常合理。同时具备网络故障诊断功能，为网络维护提供重要诊断数据，保证了网络的迅速恢复能力。它从网络通讯中断到恢复通信只需要小于0.3秒的时间，它丰富的软、硬件资源使得系统开发速度快、效率高。因此其具有很高的使用价值，至今仍为自动化控制领域类不可或缺的总线控制方式。

工业以太网重要性能

为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要的性能：

· 工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP 通讯协议

· 10/100M 自适应传输速率

· 冗余24VDC 供电

· 简单的机柜导轨安装

· 方便的构成星型、线型和环型拓扑结构

· 高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为0.3 秒

· 用于严酷环境的网络元件，通过EMC 测试

· 通过带有RJ45 技术、工业级的Sub-D 连接技术和安装专用屏蔽电缆的Fast Connect连接技术，确保现场电缆安装工作的快速进行· 简单高效的信号装置不断地监视网络元件

· 符合SNMP(简单的网络管理协议)

· 可使用基于web 的网络管理

· 使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络

为满足选矿厂的生产管理和生产工艺要求，在设计之中，在现场级与车间级网络通信中使用通讯速率更高、更可靠、更适合恶劣环境的工业以太网通迅！

3.2 控制系统网络结构

本次自动控制系统使用西门子的控制系统S7-300，网络采用了三层结构，包括信息管理层、集中控制层、现场设备控制层。

★信息层

该层采用数据服务器、中央交换机和通讯介质组成，上端连接工控主机，下端连接可编程控制器（PLC）,以此构成信息控制单元，

在PLC根上位机之间用管线连接，交换机与工控主机之间用五类双绞线连接，组成信息通讯层网络。

在信息层的信息监控主机实时在线现实现场设备运行状态，包括设备是否运行以及检测仪表数据显示，操作员并可在上位机实施设备控制根参数调整，以使整个工艺系统参数最优化，达到控制目的。在上位机种设工程师站、操作员站、数据服务器站，所有的控制以及参数修改均在操作员站进行。数据服务器是为数据存储提供的，它可对过去一段时间的生产状况进行查询，以便修改相应参数使自控更加完善，也为设备故障提供查询；工程师站专门为工程技术人员提供，主要由工程师编写控制程序，组态画面作用。

集中控制层和现场设备控制层

集中控制层为整个自动化控制系统的核心部分，采用先进的容错系统，整个控制系统分为：破碎顺序控制系统、磨矿分级控制系统两部分，每个系统之间独立工作，信息可互换。

现场设备控制层采用抗干扰能力强、传输距离远、传输速率高的Profibus总线控制系统，并使用硬件冗余，以确保通讯及设备的安全可靠运行。并实现冗余CPU与上位机的数据交换，达到控制目的。

3.3组态监控画面与参数设置

组态监控画面是在上位计算机显示设备上显示现场设备运行状况以及部分实时检测数据的。设备的运行状态多以动态方式直观的显示出来，数据检测则以相对应的数字或者棒图直观的显示出来。

在组态控制画面中，不仅可以实现设备运行状态的现实，而且可以进行参数的修改。因此，组态监控画面可分为两个部分，现场设备控制部分和远程显示部分，控制部分包括设备连锁启停，工艺参数调整，显示部分为现场设备运行实时检测。具有操作权限的操作员可对其进行操作，以此指导生产。

3.4数据存储与系统扩展

为了方便数据库管理和指导生产，系统对数据进行了存储，为系统查询和统计提供历史数据，为故障判断提供相应的依据，同时亦可作为控制经验总结所用，以此来优化控制参数，达到更好的控制效果。

在系统扩张方面，为今后系统升级，设备升级留有扩张接口，与Profibus总线的可扩展性相结合，为今后系统升级换代提供了可靠保障，比如增加智能电机、智能开关、传感器等；同时国际标准架构的工业以太网为今后实现远程WEB访问留有借口。

3.5系统控制原理

本控制系统本着安全可靠、稳定、操作方便的原则，对生产过程中的关键设备实现集中控制，并对对磨矿分级实现过程控制，在整个控制系统中，采用多变量串级控制系统或自适应模糊控制系统，同时引入滞后函数调节整个过程控制过程，确保系统稳定可靠的运行。在磨矿闭环控制系统中，通过检测磨机音频、功率来综合判断球磨负荷，以此实现球磨机的自动给矿，给水。

磨矿闭环控制

磨矿是整个磨选工艺流程的入口，其控制效果的好坏直接影响后续工序的作业指标甚至最终产品的质量。由于我国选矿行业在综合配矿方面大都没有较好的措施，所以造成入磨矿石性质变化频繁，这样就给磨矿分级环节的自动控制带来很大难度，况且影响这一环节的因素特别多（磨机衬板状况、钢球充填率、旋流器分级效率等），所以这一环节成了一种时变的非线性的复杂系统。对于这种复杂系统，工程技术人员提出了各种各样的控制模型，其中最常用的就是音频或磨机功率单因素检测、阶梯值给矿这一简单的控制方法。当然这种方法对于单一性质的矿石确实很有效果，但矿石性质变化时，由于它考虑的因素比较少，很容易造成失控。例如当矿石变得难磨时，必然会导致分级设备的循环负荷增大，而在一定的时间内单纯使用电耳或磨机功率就不能正确反映出矿石性质的这种变化，这时系统不做任何调整就很容易造成磨机“涨肚”或磨机与分级设备之间的恶性循环，导致

台时下降、分级设备溢流粒度不稳定，从而导致后续工序失衡。

经过一段时间的探讨和磨矿分级现场控制经验的积累，我们摸索到了一种适合这一环节的有效的控制方法：模糊控制。

模糊控制在磨矿分级闭环控制中的应用

由于球磨机磨矿过程的复杂性和参数的时变性及大滞后特性，无法定量地判断磨机的工作状态和矿石的性质，只能定性地或趋势性地判断，这种判断是无法实现磨机的精确控制的．因此，为了实现磨机的精确控制，必须将磨机的性能，磨矿系统的工艺过程，矿石性质的变化等诸多因素与生产实践结合起来，建立模糊控制规则，进行模糊推理，得出模糊推理结果，反模糊化，与各控制对象的ＰＩＤ控制相结合，组成Ｆuzzy + PID 的控制策略，从而实现磨机的精确控制。控制的目的是稳定磨机生产过程，提高磨机的处理量，稳定旋流器溢流粒度，为下一工序作业提供有利的条件。目前，国内外许多单位都对球磨机自动控制进行了针对性的研究，并大多采用数字PID的控制方案参与磨矿分级过程的控制，而磨矿分级过程是一个参数非线性和时变的复杂系统，采用单纯的PID遇到磨机工况不稳定时，常出现磨机“涨肚”及给矿异常等非正常现象，严重影响了球磨机的正常工作，并有可能造成设备的损坏。

同时国内外研究人员对磨矿分级过程建立了不同的数学模型，因为多以机理分析为主，建模过程相当繁琐，计算量相当大，难以应用于实时过程控制。因此我们通过工艺分析，结合实际测试，优化原有的复杂模型，引入模糊控制理论，选用模糊控制和PID控制相结合的

方法，这样既可保持PID控制的无静差、稳定性好的特点，又具有模糊控制对参数的适应性和调节速度快的特点。

实际生产过程中，反映磨矿分级状况的参数很多。其中主要包括：磨机声音、磨机功率。在控制实施过程中，这些参数作为磨机模糊控制器的输入，而模糊控制器的最后输出是磨机给矿量、排矿水及给矿水。这些输出值经限幅处理后作为PID控制器的输入，PID控制器的输出指导系统中的执行机构进行调节。经过这种控制方法得到的控制量是一个连续量。对于磨机给矿过程来说，这种控制方式实现了“给矿→磨机状态分析→给矿”这样一种连续控制。系统每时每刻都在分析磨机的工作状态，并根据分析得到的结果实时给出控制方案。

磨机给矿模糊控制的实现

磨机给矿模糊控制中，我们选择了其中的2个主要参数：磨机声音、磨机功率作为模糊控制器的输入，这些参数时刻都在发生变化，而这2个主要参数的变化也恰恰反映出了磨机当前的工作状况。模糊控制器根据这2个主要参数的变化或者变化趋势进行模糊判定，对应每一种变化趋势，模糊控制器都会给出一特定的给矿原则，然后PID 控制器会根据这一给矿原则调整给料机，以达到精确给矿的目的，避免了单因素检测造成的误判断的弊端。磨矿分级控制是一个闭环控制系统，不需人工参与。所以系统运行时应尽量避免人为干扰，以免影响控制系统的自平衡、自适应过程。

磨矿浓度的控制

磨矿浓度的大小影响矿浆的比重、矿粒在钢球周围的粘着程度和

矿浆的流动性，直接影响到排矿合格粒度的比率，对避免矿石的过粉碎，提高选别指标至关重要。对具体的磨矿分级过程来说，磨矿浓度有一个最佳范围，磨矿浓度过高或过低都不利于磨矿效果，最佳磨矿浓度可以由磨矿分级过程的工艺指标分析得到。这个指标要想通过人工操作来达到是很难的，因此，稳定磨矿浓度对于提高球磨机的台时处理能力、保证溢流粒度是极其必要的。

闭路磨矿条件下，磨机给矿是由新给矿和返砂量组成的，要控制磨矿浓度，就必须控制返砂水水量。根据生产实践，在给矿及分级溢流粒度稳定的情况下，返砂量的波动不大，因此，只要根据本厂的原矿粒度及矿石特性，标定出正常的返砂比，即可由给矿量的多少及返砂比，按磨矿浓度的要求计算出所需的返砂水量。经过计算得到的返砂水量即是返砂水在一定条件下的返砂水设定值。而此时的最佳磨矿浓度值可以由音频、磨机功率及矿石性质分析经过模糊控制算法得到，这样将返砂水设定值与模糊控制器的输出比较，再经过PID整定输出至返砂水电动阀自动调节返砂水量，以达到控制磨矿浓度的目的。

旋流器控制

旋流器控制的主要目的是保证其溢流粒度、沉砂浓度及其处理量。影响旋流器工作的因素包括结构参数、操作条件和矿石性质等。在结构参数固定及矿石性质不可控的情况下，给矿压力和给矿浓度直接影响旋流器的工作状态。

当旋流器压力一定时，给矿浓度对溢流粒度及分级效率有重要影

响。给矿浓度高，矿浆浓度大、含泥量高时，矿浆粘度和密度将增大，矿粒在旋流器中运行的阻力增大，而使分离粒度变粗，分级效率亦将降低。反之，当给矿浓度低时，阻力变小，分离粒度变细，分级效率高。所以对于给矿浓度的控制非常关键。我们选用浓度计实时检测给矿浓度的变化情况，通过调节旋流器矿浆池的补加水来控制给矿浓度，从而保证了旋流器的分级效率。

给矿压力是旋流器中矿浆产生速度的原因，入口压力大小直接影响旋流器的处理量和分级粒度。当压力增大时，可以提高分级效率，但是这将增加动力消耗和设备磨损，所以利用增大压力来提高分级效率是不经济的。但在必要的情况下，也可以通过稳定浓度适当调节旋流器给矿压力来提高旋流器的分级效率。

旋流器沉砂浓度的大小直接影响到磨机处理量，合理地控制旋流器的沉砂浓度是旋流器、磨机、矿浆物流量平衡的一个重要环节，当浓度一定时，通过在一定范围内调节旋流器给矿压力，使旋流器的沉砂浓度保证在工艺要求范围内。否则就会出现磨矿分级过程“死循环”的现象。从这个意义上讲，旋流器的控制又必须将旋流器沉砂浓度的控制作为旋流器控制的重点之一。

为稳定生产指标，提高设备效率，较低设备能耗，控制系统在设计时采用浓度监测来反映粒度，因为一般情况下，浓度大粒度大，浓度小粒度小，同时由于粒度在整个工艺控制过程中至关重要，因此其信号直接参与控制，当其检测数据发生变化时，系统将会对分级旋流器的给矿浓度和给矿压力作出及时的调整。