有色选矿综合自动化系统及典型过程控制策略

                   王启柏

关键词：选矿典型流程及生产过程自动化  常见问题及解决方法

综合自动化系统包括ERP企业资源计划系统、MES制造（生产）执行系统、FCS工艺流程控制系统三层关系，其中，FCS系统是综合自动化的基础。

1. 选厂综合自动化系统简介

1.1 ERP系统：

ERP系统利用C/S（客户/服务器）、B/S（浏览器/服务器）服务体系，关系数据库结构，面向对象技术，图形用

户界面，网络通信技术等信息产业成果，以ERP管理思想灵魂的软件产品，整合企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬件和软件技术于一体的企业资源管理系统。

（1）主要功能模块：

计划管理（生产、经营、安环、科研、人力资源）

物资管理

物流管理

质量管理

（2）资源分类：

硬件资源：原料、厂房、生产线、加工设备、运输工具；

软件资源：人力、管理、融资能力、组织结构、员工热情；

这些资源相互作用，形成企业生产活动，创造社会财富，实现企业价值，

反映企业在竞争中的发展地位。

（3）调整运用企业资源；

财务预测（成本分析）

生产能力（绩效管理）

资源综合利用（科研）

电子商务（营销）

1.2 MES系统

MES系统解决整体优化生产过程中生产计划与生产过程脱节的问题，是生产

活动中信息与管理活动信息沟通的桥梁。

主要功能模块：

生产过程实时监控

生产调度

生产计划实施管理

生产数据统计

化验分析数据统计

能源计量统计

原料、物料计量统计

设备管理

门户信息管理

1.3 FCS系统

现场总线（FCS）控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。位于现场的

传感器、执行器一级全部数字化、智能化，它们彼此之间及控制器之间通过

现场总线构成工业现场的控制网络，进而连接到上层控制网、管理网、互联网。

信息可以在现场、车间、厂矿、公司总部之间自由流动。

FCS系统为生产管理人员和岗位人员提供了生产活动中的实时数据。是综合

自动化系统的基础。

1）FCS系统主要功能模块：

测量

控制

网络通信

现场设备管理

实时数据库管理

视频监视

系统集成、组态

系统维护

2）FCS系统主要设备

自动化系统3+2网络结构：三层设备、两层网络

1）三层设备

执行层：现场设备（传感器、执行器、各种分布式的远程I/O设备、智能MCC控制中心、机电一体化大型设备）

控制层：控制设备（PLC、控制器）

管理层：操作设备（工程师站、操作站、视频显示站，数据服务器）

（1）执行层:

执行层主要包括现场仪器仪表和现场设备。

①现场仪器仪表及其它主要控制装置有：

电子皮带秤、电磁流量计、 密度计、PH计、 热电偶 、压力变送器、物位计、电动执行器 、气动阀 、低压变频调速装置、高压变频调速装置等。        

矿浆品位在线分析仪

矿浆粒度在线分析仪

视频头

②现场设备：机电一体化大型设备、智能MCC：

半自磨机，球磨机、大型浮选机、高效浓缩机、陶瓷过滤机、絮凝添

系统、自动加药系统、各类电动机、各类开关阀等。

（2）控制层：

PLC现场控制站

（3）管理层：

服务器：FCS系统数据采集服务器和历史服务器，收集、处理、存储现场控

制站的信息。

数据采集服务器是FCS系统的数据中心，存储系统的全部实时数据和系统的所有软件资料，是控制系统操作层的数据源。

历史数据服务器主要是收集和保存过程历史数据（包括高级计算、报警、事件收集、报表、系统配置和其他管理信息）。SQL 数据库作为历史数据库存储，用于报表和历史趋势显示。而报表使用 Excel 应用程序。

历史数据服务器向MES系统提供现场生产实时数据。

工程师站（EW）：供生产管理工程师使用。主要功能为：

为操作员提供报警信息和数据传递服务

向PM站提供实时报表服务

提供先进的过程研究功能

管理生产过程、维护工艺参数

操作员站（PS）：供操作员使用。主要功能为：

生产过程监控

设置专用操作窗口和保护功能键盘

处理网络间的信息传递

视频系统

所有的过程控制系统、多媒体系统的信息和视频图像与选矿厂生产

数据上传功能。

2）两层网络 

    控制网络和协议（FCS系统与现场设备连接）。

HMI网络采用EtherNet/IP协议（控制室设备与FCS系统连接）。

第三方设备控制系统：成套设备供应商提供的控制系统的信息可通过网络协议、OPC技术进行通讯，将操作层、控制层和底层设备无缝连接为完整的控制平台。

开发OPC要面对不同的平台、厂商和设备类型，由于这些设备和平台数据采集方式以及通讯协议都各不相同，开发人员要为各个设备平台开发驱动程序。因此，OPC在进行跨平台、跨语言的数据访问中存在着不足。

    FDT/DTM 标准化的接口规范是控制网络与信息网络完全集成的最终解决方案。FDT是一种独立于供应商的、开放的、公开的和易于使用的规范。在工厂或应用的整个生命周期内都需要来自过程的现场信息。FDT支持工厂生命周期的所有阶段：工程施工、安装、调试、生产和维护。FDT/DTM 技术是对现场总线通信协议（HART，Profibus，Foundation fieldbus等）的一种补充。解决了跨平台、跨语言的数据访问的问题。

2.有色选矿典型流程及生产过程自动化

随着我国东部有色矿山浅部资源枯竭，开采深度的不断增加，矿石贫、杂、细及种类多，西部资源丰富，但高寒缺水等特点；加上公民对环境的日益关注。有色工业对有限资源综合回收利用提出了新的要求，选矿工艺对设备和自动化的要求越来越高，大型设备机电一体化化和选矿过程参数优化控制已经成为用户的迫切需求。

2.1目前我国有色选矿生产过程自动化的现状

近十年来，由于旋回破碎机、半自磨机、大型浮选机等新设备、新技术的采用，大大简化了碎矿流程。当采用半自磨机设备时，通常原矿只要经过旋回破碎机一段粗碎后，排矿粒度小于250毫米，就可直接送入半自磨机进行磨矿。其优点省去了中、细碎作业，简化了流程、减少了生产环节，生产成本低，便于管理。生产环境好，降低了传统破碎流程的粉尘污染和繁重的维修强度。

浮选机是浮选过程的基本单元。浮选机的大型化具有空气分散性好，基建费用低，磨损小和减少维护费用、节能等。并且易于实现自动控制和管理。对于处理大量低品位原矿是非常有效的一种设备。

2.1.1典型一段开路破碎流程及控制

小于12000mm原矿给入液压旋回破碎机的受矿仓，旋回破碎机把矿石破碎成小于250mm粗矿后直接进入缓冲仓，再经重型板式给矿机、皮带输送机、分配小车输送到粗矿仓存储。粗矿仓的矿是半自磨机的原料。

1）碎矿流程控制方案

（1）确保设备正常运转；

旋回破碎是集设备润滑、除尘系统的一体化大型设备，确保设备自身工作安全、环境良好。

皮带输送机集一级跑偏、二级跑偏、拉绳开关、撕裂、打滑等信号的一体化设备，自带的控制系统对设备进行监控。

（2）保证流程畅通；

①报警联锁控制

缓冲仓雷达物位计设置高、低位报警。高报警发出声光信号，运输车辆停止向受矿仓卸矿；低报警信号控制重型板式给料机停车，其目的是给重型板式给料机留有一定厚度的保护层。

②开停车顺序控制

根据工艺条件对生产流程实现逆流程开车、顺流程停车。停车时一定确保皮带输送机上不留矿石。

图 2-1 典型一段碎矿流程检测控制

2.1.2典型磨矿过程及控制。

目前，大型矿山多采用SABC流程的半自磨工艺（见图图2-2）。

原矿经粗碎、半自磨和筛分后，筛上物料经顽石破碎回半自磨，筛下经水力旋流器分级，沉砂送球磨机再磨,简称SABC流程.

S——Semi(半)；A——Autogenous(自生的)；B——Ballmill(球磨)；C——Crusher(破碎)。

图2-2 SABC流程

SABC流程成功的关键是除铁、脱泥；矿石在开采和运输过程中，钻头、钻杆、矿车连接销钉等铁件会混入矿石中，严重威胁着碎矿设备的安全运转。

除铁是保证碎矿机安全运转的重要措施，破碎矿石中如果有铁件存在，排矿口很容易被卡住，造成设备事故，使生产停顿。为防止铁件进入破碎腔，必须考虑清除矿石中的铁件。

洗矿是洗去矿石表面的粘土。矿泥的产生主要是氧化矿床、冲积矿床和沉积

矿床，受长期风化的结果，以及矿石在开采和运输过程中黄泥和杂物的混入。这些混入矿石中的矿泥和杂物，容易堵塞筛孔和分析仪取样器，使磨矿负荷增加，影响粒度仪的分析精度，导致达不到系统的控制目标。因此，选别之前的洗矿是必须的。

1)典型磨矿工艺流程检测控制（见图2-3）：

粗碎仓中矿石经重板给矿机、皮带输送机给入半自磨机。皮带秤与振动给矿机的变频器组成半自磨机给矿控制回路，稳定给矿量；皮带秤的信号与半自磨机进料给水检测控制仪表组成比例给水回路，确保磨矿浓度稳定在75%～80%。半自磨机排矿经直线振动筛分级，筛上顽石经大倾角挡边胶带输送机给入顽石仓，再经圆锥破碎机开路破碎后经胶带输送机返回自磨机；筛下产品进入球磨机与旋流器组成的闭路磨矿系统。通过控制旋流器进料矿浆浓度和压力，确保旋流器溢流细度稳定在-200目占70%。旋流器溢流矿浆进入浮选作业。

典型磨矿工艺流程检测控制（见图2-3）

渣浆泵控制

渣浆泵是旋流器的给料设备，确保渣浆泵可靠运行是保证磨矿-分级过程的

关键环节，旋流器给矿渣浆泵控制如图2-4所示。

             图2-4旋流器给矿泵联锁控制原理图

大型选矿厂的旋流器的给料管道粗，且垂直高度超过10米，矿浆浓度在50%以上，最大粒度达10mm；渣浆泵功率大，管道输送压力高。为了确保渣浆泵正常开/停车，必须具备以下功能：

水封水检测、联锁控制；

渣浆泵进、出料管道上的排污阀和进、出料阀与渣浆泵电动机联锁控制；

紧急停车时，除排污阀和进、出料阀与渣浆泵电动机联锁控制外，还要具备事故冲洗水阀的联锁功能。

2）优化控制

磨机功率的消耗主要取决于磨机的充填率，电能的消耗量随充填率的增加而增加。当电能消耗量达到最大值时的充填率称为临界充填率，此时若充填率再增加，电能却反而下降。当充填率小于临界值时，处理能力是与充填率之间始终存在物料平衡关系，达到平衡关系的最大充填率称为稳定充填率，一旦超过隐定充填率，磨机的充填率将会迅速地，不按比例地增加，以至超过临界充填率，出现所谓“胀肚”现象。在生产中要使磨机的给矿量与排矿量始终保持在平衡的情况下工作，就应使磨机保持最好的充填率，实现处理量最大化。

磨矿作业以磨矿细度为核心，力求实现处理量最大化为目标。要实现此目标，

必须在确保磨矿产品细度的条件下，使磨机保持最好的充填率。传统的半自磨机充填率检测检测方法如图2-5所示。

图2-5传统的半自磨工艺控制原理

在线调整半自磨机的(WT)给矿量，根据磨机(JT)功率、电耳(AT)声音、磨机(PT)轴承静压力等检测信号，通过变频调速装置调整好磨机的转速率（使磨机固定在该频率下工作），可以得到一系列的磨机载荷—功率曲线的关系，找出最大磨机载荷—功率曲线（见图2-6）。

图2-6磨机载荷—功率关系曲线

最大磨机载荷—功率关系曲线并不能直接用来解决半自磨机的处理量最大化控制问题。因磨机的静压力（即磨机重量）不等于充填率；电耳所测的音频信号受装载量，衬板、钢球磨损等多种因素影响。

磨机的冲击效率与衬板质量、充填率有密切关系。磨机衬板被磨损后钢球的提升高度不到位（如图2-7所示的“肩部”），钢球的落点位置偏离最佳位置，电耳所测的音频信号发生变化；磨机的充填率随矿块大小或矿石密度的变化而变化（静压力的大小不能代表磨机的充填率），根据磨机的静压力判断磨机的充填率，这将导致磨机内部料的“底部”位置发生变化，钢球的落不到磨机内部料的最佳位置，冲击力度减小。

北京矿冶研究总院信息与自动化研究设计所采用自行开发的磨机负荷测振

仪、矿石块度测量仪与粒粒度分析仪检测新技术（见图2-8），根据磨机给矿量、矿石块度、磨机功率、钢球冲击效等信号建立数学模型计算加料量，通过数学分析判断磨机充填率。该成果在山东某选厂进行磨机充填率优化控制取得明显效果。

图2-8磨机充填率检测新技术

               2.1.3浮选过程控制

浮选机是浮选过程的基本单元。浮选生产过程要求浮选机中合格的入选矿浆，在有效的流体动力学和适合的化学环境条件下，形成稳定的高质量泡沫层和理想的泡沫速度。如何提高浮选机的可控性，将浮选自动化推向新的高度已成为现实。

1）流体动力学对浮选效果的作用

浮选机中的矿浆在浮选药剂作用下，通过有效混合，高质量的泡沫处理，各种不同粒级矿物在不同作业中得到充分回收。入选矿浆有不同粒级（粗、中、细）矿物，每种粒级在浮选过程中的行为是不同的。在粗选作业中要回收矿浆中细小粒级矿物，将要足够的剪切力传递能量，使之突破微小气泡围绕的液体界层，粘附在浮选机上部气泡上被刮出，提高泡沫负载速率。对于扫选作业中要回收较粗粒级的矿物，要消除强烈的紊流（不能出现“翻花”现象），保持半层流运动，使矿粒免受剪切力的重复打击，不从气泡上脱落下来。

2）药剂制度能创造有效的化学环境

矿浆的酸碱度、药剂类型和用药量的合理选择和有效控制，对于矿石的成功

选别是至关重要的。按工艺要求的g / t指标控制药剂用量是一种有效的控制手段。

3）浮选机的可控性

浮选机的可控性主要表现在控制系统对浮选机中的泡沫特性的控制能力。

泡沫特性好表现为：泡沫层稳定，已浮出的不同粒级矿物保持在泡沫中的能力强（即泡沫大小、泡沫速度、泡沫颜色稳定）。

对于特定的浮选应用场合，泡沫厚度的支承能力存在一个极值，也就是说泡沫厚度与固体颗粒在泡沫相里的停留时间有关；但是，如果泡沫层变得太厚，泡沫本身就开始塌陷。开始塌陷的泡沫层厚度由泡沫结构来确定。泡沫结构与药剂类型、药剂用量、矿浆的酸碱度和矿石中的可浮矿物的数量等因素有关。要取得好的浮选效果，要求浮选机中有稳定的泡沫厚度和稳定的泡沫速度。

在矿浆液位发生大的波动或频繁变化时，整个浮选系统也在不停的变化，可能出现浮选机跑槽和泡沫箱溢出等现象。因此，浮选机的液位控制是稳定浮选系统的关键。北京矿冶研究总院信息与自动化研究设计所采用自行开发浮选液位协同控制方法在许多大型选厂推广应用，取得很好的效果（见图2-9）。

            图2-9 160立方米浮选机液位控制趋势曲线

充气量恒定时，泡沫排出速度随泡沫层变厚而降低，但并非线性关系。对于粗选和精选作业，一旦泡沫厚度确定，变化是极小的。

充气量的控制是对浮选机最精细的控制，只能微调。充气量突然大的变化会

引起液位控制难的问题。微调充气量时，在稳定化控制时，充气量很少调节。

选矿工艺过程自动控制一般采用PID控制系统或其衍生的控制系统。在浮

选车间，理想的控制系统通常是用药剂用量、泡沫层厚度（浮选液位）和充气量等参数来控制泡沫特性。浮选泡沫图像分析仪能够测量泡沫的大小、颜色和自溢流堰排出的速度；载流分析仪系统可以监测精矿品位，确定理想的泡沫速度。

有色矿山选厂采用的浮选泡沫图像分析仪及载流品位分析仪控制应用到浮选生产过程，把浮选自动化推向新的高度，使浮选工艺过程全面实现自动控制，带来好的经济效益。

 2.1.4精矿脱水流程及控制

精矿采用浓缩、过滤两段脱水流程。目前选矿厂广泛应用的过滤设备主要包

括圆筒过滤机、圆盘过滤机、压滤机、陶瓷过滤机等。陶瓷过滤机是国内外广泛采用的高效、节能的真空过滤设备，与现有普通真空过滤机相比，工作原理和外形结构十分相似，根本的区别在于过滤介质不同。陶瓷过滤机采用多孔陶瓷板作为过滤介质，取代了滤布，从而使其性能产生了质的飞跃。压榨、吹干的压滤机对精矿滤饼的水份控制最好，但由于采用较高压力的给料泵及空压机，使得能耗及生产运营费用较高。国产陶瓷过滤机在近年来新建选矿厂中已成为首选的过滤设备。

图2-10 典型两段脱水控制原理示意图

典型脱水流程采用浓缩—过滤两段脱水方案（见图2-10），（某些矿产品粒度较细，如钼精矿，需采用浓缩—压滤—干燥三段脱水流程）。

1)      浓缩机控制

（1）    稳定化控制

① 确保设备正常运转，根据扭矩报警上限，保证浓缩机不压耙；

② 根据浓缩机进料干量控制絮凝剂添加；

③ 根据浓缩机底流浓度调整变频转速，调整底流流量，从而保证底流密度稳定；

（2）优化控制

浓缩机正常工作过程是一个物料平衡的过程，如果物料平衡被破坏，其结果出现溢流跑混、固液分离效果差、压耙等事故。

北京矿冶研究总院信息与自动化研究设计所根据浓缩机入料干矿量、排料密度、泥床压力、泥床界面、溢流浊度等测量变量，建立物料平衡数学模型，通过该模型优化底流流量控制设定值，实现浓密机的优化控制，在江西某铜矿的废水处理厂取得明显的效果。具体控制原理框图见图2-11.

图2-11机底流排矿流量优化控制示意图

2)陶瓷过滤机控制

①DCS系统将陶瓷过滤机设备数据集成，实现集中监控。

②陶瓷过滤机给料控制：陶瓷过滤机是间断式的给料，与浓缩机输送量必须

匹配好。

 2.1.5高寒地区尾砂处理

选矿流程处理每一吨矿消耗4～5吨水。尾矿干式堆存具有节约宝贵的水资源，防止尾矿中的废水对地下水系的污染。特别是随着资源的枯竭，开采品位的下降和向西北部极寒冷地区发展的现状，尾矿排放量大，排放环境受恶劣的气候条件制约，给尾砂处理提出了新的技术问题。

1）尾砂脱水

深锥浓缩机检测控制原理如图2-12所示。

图 2-12 深锥浓缩机控制原理

控制深锥浓缩机浓相层高度是提高浓缩效果的决定因素之一。在深锥浓缩机

浓相层上部（过渡层）漂浮许多特别大的絮凝剂增大颗粒，这些增大颗粒含水量高，通过界面仪检测浓相层高度，将这些漂浮物经剪切泵打散、活化，加快沉降速度，提高浓相层高度，改善浓缩效果。

2）尾矿输送

高浓度尾砂必须选用柱塞泵输送。

膏体输送管道发生堵管的可能性比浆体输送管道大，因此管道需要采用地上敷设，以便紧急事故的处理。

气候恶劣的北方，高寒冬季温度在-40⁰C以下，敷设在地表管道内的尾矿浆

有可能结冰，堵塞管道。因此，尾矿浆、管道以及与周围环境之间的传热和保温

措施必须充分考虑。

2．2我国选矿自动化实施过程中常见问题

    过程自动化是为工艺服务的，自动化系统必须满足生产要求。也就是说，选矿自动化专业一定要按照工艺专业提供的条件进行设计；且自动化专业要设计出于可复用性好，适合不同选矿工艺流程模式特点的系统；系统在线扩展功能强，满足投产后对流程改造的要求；系统维护方便，满足因矿石性质变化对药剂制度、检测点、控制回路进行在线调整的要求。但是，在自动化系统实施过程中选矿工艺与自动化两专业如何紧密结合的问题一直困扰着我国选矿自动化行业。

2.2.1 工艺与自动化问题

     在设计选矿生产过程控制流程图（PI图）时，设计者必须既懂选矿工艺，又熟悉自动化仪表。目前，我国在选矿自动化实施过程中经常发生自动化仪表安装位置与工艺设备、设施、管道不匹配的问题。图2-13是某大型铜钼选厂磨矿生产过程控制流程的竣工图。 

                 图2-13 磨矿控制流程竣工图

  图中的主要问题是磨矿给水道布置不合理。半自磨只一根进水管道，在该管道安装有三个调节阀，任何一个调节阀动作，其他两个都受到干扰，系统无法稳定，这是其一；此外，工艺专业给自动化专业提供的调节阀选型参数不合理，结果阀的正常工作开度在10%的位置，无法实现自动控制。

 河北某钼选厂投产后，发现旋流器进料不稳定，磨矿分级效果差，想通过自动化进行改造提高磨矿效率。某自动化公司按常规控制手段改造完成后，系统运行正常，但旋流器进料回路无法控制。业主请北京矿冶研究总院信息与自动化研究设计所去协助解决。两位工程师到现场发旋流器给矿泵池太小，与渣浆泵不匹配。向业主提出了将给矿泵池扩大到能容纳渣浆泵5分钟流量容积那么大的改造建议。

 2.2.2自动化系统的主要问题

1）接地问题

综合自动化系统的接地，一般出于三点考虑：安全，抗干扰，防雷。安防行业有关防雷的文章和帖子很多，但有些概念不够准确，甚至是错误的，在工程设计参考时让人感到有些无所适从。

防雷措施应包括对直击雷、感应雷、雷电光的防护设计。

地面不同点的电位是不相等的，简单说来，这是与电网系统的供电试制（TN-S、TN-C、TN-C-S等），用电平衡状态，大功率用电设备运行状态、系统工作频率，线缆长度和类型等等因素都有关系。当三相电网发生不平衡故障时会引起地电位剧烈变化，局部地电位可以瞬间升高几十到几百伏，直到故障排除。对于工程应用，我们必须按规范正确设计。

安防系统“单点接地原则”，即只有主机系统一点接大地，这是安全接地，确保操作人员安全；这也是泄放系统“静电”的安全通路。

2） 控制系统应用软件设计问题

目前，国内选矿自动化应用软件设计多采用从整个程序的总体结构出发，突出程序模块层次性和调用的一种设计方法。结构化设计人员在进行总体设计时只需考虑模块的外部功能，即模块能“做什么”的问题，而不考虑其内部组成，即“怎么做”的问题。“怎么做”的问题一直要到所有模块的功能确定后在详细设计阶段进行处理。这种设计模式，数据流程图和程序结构图之间有一定的映射关系，软件在生存周期中由于生产流程的变化，系统的数据结构往往会发生变化。一旦数据结构改变，以数据结构为基础建立的程序结构也要改变，这样就给软件维护带来很大的不便。不少选矿自动化系统运行一段时间后，因为选矿流程改造或药剂制度的改变，其数据结构变化后，部分回路无法投入运行，有的甚至系统瘫痪。

《嵌入式实时数据库面向对象系统》将数据结构与应用程序结构分开，对生产流程变化具有很好的开放性。在进行软件设计时遵循模块独立性和可复用性的原则，将每一个独立的程序模块描述一个在我们身边重复出现的一类事物。它是类、关联、操作、事件和约束的一个相关集合。从用户需求分析中确定的数据结构特性，获得了系统的对象模型、动态模型和功能模型。对象模型定义对象和类，包括它们的属性和做什么操作；功能模型描述系统中如何实现的操作；动态模型描述了系统如何响应外部事件，从动态模型中导出程序的控制结构。

总的说来，面向对象设计是一个改善和不断添加细节的过程，使自动化系统适用不同选矿工艺流程模式环境。每一个新的自动化系统组态可由业主的工艺工程师在DCS系统设计工程师指导下完成；系统运行过程中，工艺工程师可以根据流程变化对系统的检测点、控制点和工艺参数在线进行调整。系统组态或维护时，工艺工程师只要把新的设备和工艺参数重新写入数据库点文件，而程序结构不必做任何修改，系统就可以按修改后的参数运行。系统组态、维护完全可以由经过培训的工艺工程师在线完成。它具有很好的可扩性和可维护性。