國內選礦自動化技術應用及進展
孫云東，楊金艷
(長春黃金研究院)
摘要:介紹了國內選礦廠破碎、磨礦分級、選別等工藝流程的自動化控制技術應用現狀，針對選礦自動化應用中存在的問題，提出了研究及發展的方向。
關鍵詞:選礦;自動化;破碎;磨礦分級;浮選
中圖分類號:TD 679 文獻標識碼:B 文章編號:1001 － 1277(2010)04 － 0035 － 04
0 、引言
隨著礦產資源的不斷減少和礦業市場競爭的日益激烈，如何充分有效地利用有限的資源，提高企業的市場競爭力，實現生產過程信息化、自動化是中國礦業深化改革、技術創新及生產管理上臺階的必由之路。近年來，國內許多大型選礦企業在技術改造中，大力推廣電子信息技術應用與信息資源的開發，工業生產過程控制廣泛采用了微電子與計算機技術。用新工藝、新技術、新方法開展了創新改造工作，使企業管理信息化、生產過程自動化、設備智能化的水平有了較大提高。很多大企業已從單項開發應用向集成化、綜合化發展，向管－控一體化、現代集成制造系統( Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS)方向推進特別是大型選礦企業的整體自動化水平提高較快、績效明顯。
實現選礦生產過程自動化，可提高破碎機、磨礦機臺時處理能力，降低生產成本，提高勞動生產率和產品質量，使能耗和原材料消耗顯著降低，勞動強度大大地減輕。實現選礦生產過程自動化主要包括:破碎、磨礦分級、選別、脫水過濾及濃縮、尾礦輸送等生產過程的自動控制。通過計算機網絡系統實現在線優化生產調度和管理，使整個選礦生產過程處于最佳狀態，最大限度地提高產量、精礦品位和金屬回收率等技術經濟指標，達到高產優質、節能降耗的目的。
1 破碎流程自動控制
近年來，新型破碎設備及其控制系統發展很快。國內外眾多廠商從產品結構上對該類設備不斷地進行改進、完善，取得了比較好的效果，并相繼推出眾多高效、可靠、節能的新產品。相比較而言，因受自動化發展水平的影響，國內在破碎機控制方面的研究相對落后。近十幾年來，國外在一些產品上，裝備了相應的檢測儀表和自動控制裝置，在設備保護、穩定操作、提高生產能力等方面起到了一定的作用。
對于國產圓錐破碎機，由于其排礦口尺寸不能動態調整，生產中采用固定排礦口，定期進行人工重新調整的方法來控制產品粒度。控制系統主要選取主傳動電動機的功率( 或電流) 作為被控參數，控制策略一般采用恒功率或優化功率方式，動態調整給礦機給礦量的大小，使主機的負荷穩定在設定的要求之內;同時，檢測破碎機潤滑系統的溫度、壓力、流量等，具有完備的保護功能。
20 世紀90 年代以來，國內如鞍鋼集團礦業公司齊大山鐵礦選礦廠、武漢鋼鐵集團礦業有限責任公司程潮鐵礦選礦廠、云南玉溪礦業有限公司大紅山銅礦選礦廠等先后引進了多臺芬蘭METSO 公司的NordbergHP 系列破碎機。該機型破碎處理能力強，大大地提高了國內選礦廠破碎流程的生產效率。自動控制系統采用串級控制，極大地提高了系統的動態品質，充分發揮了破碎機的處理能力。此外，由于穩定了破碎工況，從而最終提高了與之相關的后續篩分、選別等相關工藝流程的整體運行效率。
馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司在凹山選礦廠碎礦工藝流程改造中，在南山礦業公司、選礦調度室與碎礦車間建立了一個技術先進、安全可靠、擴展性強、維護方便的碎礦全流程計算機控制系統和視頻監控系統，利用先進的工業以太光纖網絡將粗碎、中碎、細碎、高壓輥磨(超細碎)、篩分各控制分站的流程組態畫面、工藝參數、設備狀態、工作場景實況
等向中央監控主站進行傳送。同時，中央監控系統主站將生產指令傳送到粗碎、中碎、細碎以及高壓輥磨各分站。對整個系統實現實時有效地監控。
然而，值得關注的是中國礦山現有破碎機以20世紀60—70 年代老設備居多，并一直在生產中發揮著重要的作用。若對這些老設備進行自動化改造，實現自動控制，具有良好的現實意義。
2 磨礦分級流程自動控制
在選礦工藝中，磨礦分級作業是一個必不可少的重要工藝環節，其工作狀態的好壞對選礦工藝指標、能源消耗以及生產成本的影響至關重要，直接關系到選礦生產的處理能力、磨礦產品的質量，對后續作業的指標乃至整個選礦廠的經濟技術指標有很大的影響。為了充分挖掘磨礦分級作業的內在潛力，尋求高效的有效途徑，對磨礦分級自動控制的試驗研究具有十分重要的意義。磨礦分級系統有4 個主要的技術指標:球磨機臺時處理量、磨礦分極粒度、磨礦濃度和溢流濃度。影響這些技術指標除了原礦性質以外，還與排礦水量、返砂水量、磨機充填率等因素有關因此，有必要對磨礦分級系統實施自動控制，其目的是為了提高磨機效率，穩定分級溢流粒度，為選別作業提供合格的溢流產品。
磨礦分級作業是一個復雜的作業過程，參數的耦合性很強，僅靠單輸入、單輸出的PID 控制回路難以實現很好的控制效果，必須由一模糊控制器進行協調，以確保各控制回路的協調工作，實現控制系統的智能化控制。根據控制系統回路的特點，采用不同的控制策略。簡單的回路采用智能PID 控制，復雜的回路采用串級控制、模糊控制等。各智能PID 控制回路的給定值由一個模糊控制器根據系統運行情況自動計算。當礦石硬度、粒度、磨機介質、負荷量等發生變化時，球磨機的最佳處理量將發生變化，這時磨礦分級作業的控制參數必須及時作出相應的調整。
南京銀茂鉛鋅礦業有限公司選礦廠磨礦自動化控制系統設置了給礦量、電流檢測、磨機電耳值、工藝流程、返砂水控制、排礦水控制、溢流濃度檢測和報警信號等檢測控制項目，通過這些項目控制磨礦階段的各個工藝參數，綜合分析判斷磨機狀態并指導控制，使系統運行穩定而可靠;模糊控制+ PID 調節的先進控制方式使控制效果達到最佳;可實現局部與全部系統的監控及手動、儀表盤手操器手動、現場人工操作等多種手動操作方式;先進的控制系統和高效可靠的儀表組合使系統使用更耐久;其人性化的組態畫面使操作更加簡單方便。給礦控制省事方便，當人工設定每小時的給礦量，系統便會自動根據礦量情況進行調節。給水控制也是簡單易操作，當設定需要的值時，計算機系統便會根據濃度自動計算出所需要的給水量。
中國黃金集團內蒙古礦業有限公司烏努格吐山銅鉬礦選礦廠磨礦控制系統，即自磨—篩分—細碎—__磨礦分級過程自動控制系統包括:自磨給礦量自動控制，磨礦濃度自動控制;細碎礦倉料位自動控制，給礦自動控制;一段旋流器泵池液位、給礦濃度、給礦壓力、溢流粒度自動控制，實現智能給水、給礦及磨機工況的自動分析、故障判斷、歷史資料歸檔、事故報警、故障保護等。按照結構簡單、運行可靠、操作方便的原則，對破碎控制系統、自磨—細碎—磨礦分級控制系統實施控制，并引入國外成熟的優化軟件調節整個過程，協調系統穩定地運行。在磨礦閉路環節中引入“實驗”模型，實現了功率、旋流器沉砂、原礦性質等多因素的綜合分析判斷，在磨礦分級作業中實現了先進的控制理論與礦山現場工業實踐的結合，已成為國內領先、國際先進的選礦廠，實現了裝備水平一流、管理水平一流、產品質量一流、經濟效益一流。
3 浮選流程自動控制
泡沫浮選法是世界上選別礦物原料最主要的方法，泡沫浮選作為一種工業規模的選礦技術至今已有100 多年的歷史，相對成熟的磨礦分級智能控制技術，浮選自動控制發展相對滯后，基本采用閘板閥和錐閥現場調節液位，沒有建立自動控制系統。隨著近幾年浮選設備大型化，自動控制技術、檢測技術、執行機構的快速發展，浮選機的自動控制得到創新和
發展。
3. 1 加藥自動化控制
浮選自動加藥控制系統是一種可遠距離自動控制及調節的準確定量、定時加液裝置，采用程控加藥機進行自動給藥，可同時控制多個藥點的給藥量。
藥劑添加控制系統主要分為控制部分和執行機構，其中工業中多采用PLC 進行控制;執行機構主要有電磁閥式和加藥泵式兩種。由于電磁閥成本較低，維護方便，現場應用最多的是電磁閥式控制。
3. 2 礦漿液位自動化控制
在浮選作業中，對浮選槽液位和氣泡厚度檢測非常重要，對浮選槽的液位和充氣量進行控制一直是個難題。近年來在浮選槽檢測礦漿液位時，采用浮子式液位變送器的較多，采用超聲波測量浮球位移的浮選槽液位計在南非、加拿大、美國等已被應用，國內在銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦選礦廠也有應用。
國內某大型銅選廠選用
3. 3 浮選柱自動控制系統
浮選柱與傳統的浮選機不同，它不使用機械攪拌裝置，沒有了劇烈的攪拌，有助于提高選擇性及微細粒級礦物的回收率。給入礦漿進入浮選柱，與氣體分散系統產生的微小氣泡所形成的上升氣泡區的方向相反而逆向下降。與氣泡碰撞并附著在氣泡上的礦物升到浮選柱的頂部，最終達到礦漿( 捕集區) 與泡沫(精選區)的界面。通過調節浮選柱尾礦管閥的一個自動控制回路，將這個界面控制穩定。浮選柱一般采用3 個自動化控制系統來控制:浮選柱界面高度控制系統、沖洗水流量控制系統以及分散器空氣流量控制系統。
泡沫與礦漿的界面位置是通過球形浮子和超聲波探測器或壓力傳感器進行測定的。這兩個系統發出一個與泡沫和礦漿的界面位置成正比的信號，由PID 控制器( 或DCS，或PLC) 調節浮選柱底流管路上的自控夾管閥控制。在有些浮選柱中采用U 型管原理，將尾礦通過一個U 型管接到一個與受控液位等高的尾礦槽中，調節尾礦槽的溢流口的高度便可調節浮選柱的液位。另一種是調節尾礦泵或閥來改變尾礦排出量以穩定液位。
沖洗水的流量一般是通過流量計進行測定并通過流量控制閥進行自動控制。流量的緩慢變化是允許的，但是平穩地控制流量會得到更好的運行效果。額定的沖洗水量是估算的，應進行調節以產生適當的偏流率。流量取決于給料速率、給料品位、預計的浮選柱溢流的質量回收率。
空氣流量的控制是保持浮選柱良好運行的最重要的參數。空氣流量是通過流量計進行測定并通過球形閥自動控制。分散器集氣管內的壓力起到的作用是:SlamJet 控制設定、分散器空氣流率、界區供氣壓力。準確數值要在運行狀態下進行測定。低于最小氣體流率會使泡沫變得不穩定，而高于最大氣流率則在氣泡開始聚結時，溢流中的固體顆粒回收率就會降低。這兩個值都會隨著界面液位、藥劑投放量、給料噸位、品位以及固體顆粒百分比的變化而改變。
4 選礦自動化現存問題及發展趨勢
4. 1 選礦自動化應用存在的問題
(1)選礦自動控制設計不合理、不完善。這是許多控制系統不能長期正常運行甚至無法運行的主要__原因。有的設計不切合實際，主要表現在控制過程的程序設計不合理;儀表選型不合理，不能充分發揮其性能，對儀表可能出現的問題沒有充分估計。
(2)傳感器設計缺乏創新性。傳感器是選礦自
動化過程中的核心組件，一些選礦重要控制過程中的傳感器仍然存在安裝復雜、可靠性差、測量精度低等問題，直接影響到選礦自動化的推廣應用和發展。另外由于選礦作業環境比較差，導致傳感器使用壽命短，因此傳感器的質量問題也是一大因素。
(3)選礦控制系統投入運行后需要大量的維護工作。許多選礦廠在對自動化系統的長期使用和維護方面缺乏必要的重視，沒有長久的系統維護計劃，或缺乏相關專業技術人員進行維護，無法自行解決系統可能出現的故障。一旦系統開發方的技術支持減弱，系統很可能因為設備故障、工況變化、人員變化等情況而難以正常運行。
4. 2 選礦自動化技術發展趨勢
盡管目前國內選礦自動化技術應用還存在很多問題，但可以看到，中國選礦自動化還是取得了很大的進步。隨著電子技術、控制技術、計算機技術等的不斷發展，以及礦山對選礦自動化的重視，在激烈的礦業市場競爭壓力作用下，中國選礦自動化技術將得到迅速的發展。
(1)礦山專用檢測儀表的研究與開發。利用電子技術方面的一些最新成果，如新型傳感器代替原有的檢測方式;采用高分辨率、低噪聲的半導體傳感器及剝譜技術，研究開發新一代載流品位分析儀，解決相鄰元素和低含量元素測定，提高儀器的使用性能，擴大儀器的應用范圍。
(2)自動控制理論和方法的改進以及先進控制軟件的開發。自動控制理論和方法的主要發展方向是人工智能技術。人工智能技術是神經元網絡、模糊控制、專家系統及其相結合的智能控制系統，近年來在工業自動化中得到多方面應用。現在控制理論和人工智能幾十年來的發展已為先進控制技術奠定了應用理論基礎，控制計算機尤其是DCS 的普及與提高為先進控制(APC) 的應用提供了強有力的硬件和軟件平臺。人們不再停留在傳統PID 控制策略，逐步發展了串級、比值、前饋、均勻、預測估計、專家系統、模糊控制及最優控制等復雜控制系統。這些控制方法在很大程度上滿足了單變量控制系統的一些特殊控制要求，但并不能適用所有的過程和不同的要求。先進的控制理論和控制軟件在選礦自動化的應用，必將大大推動選礦自動化的發展。模型預測控制(MPC)、智能控制( IC)、優化控制，這幾種控制方法
將成為選礦過程控制的主要發展方向。
(3)向“數字化礦山”發展。隨著計算機技術、網絡技術和自動化技術的發展，礦山行業信息化應向綜合化、智能化和多功能化方向發展。從行業實際出發，需要把以信息技術為核心的“數字礦山”作為行業信息化的目標和方向。礦山行業信息化的解決方案包括生產調度、安全生產監控、采礦地質、經營管理等;加大礦山企業管理信息化的試點和推廣，實現精細化管理;加強統籌規劃，逐步實現企業內各職能、各環節、各系統之間的信息流互聯互通，有效解決“信息孤島”問題;培育和完善礦山信息化產業鏈條，加大行業專用軟件的研發力度，在行業內部加快培養和引進IT 專業人才。
5 結語
中國選礦自動化發展起步較晚，與國外礦業發達國家相比，還有很大的差距，因此，中國選礦工業必須積極采用信息技術、自動化技術和自動控制裝備全面建設、改造企業，提高企業創新能力和生產過程自動化水平，這對中國選礦自動化技術的提高，增強礦山企業的綜合實力，實現礦業的可持續發展，必將產生積極的作用。
