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1、-选厂综合自动化系统和发展趋势-第 23 页选矿过程综合自动化系统和发展趋势 北京东方远航技术有限公司 王启柏关键词：综合自动化系统 典型设备控制 过程自动化常见问题 发展趋势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 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
2、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KPI）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
3、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（OEE）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、MCC全部数字化、智能化，它们彼此之间及PLC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。1.3.1 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1.3.2 FCS系统主要设备
4、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、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。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
5、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：主要有：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（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：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、系统配置和其他设备管理信息（设备名称、型号、生产厂家等）。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。为操作员提供报警信息和数据传递服务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
6、护工艺参数操作员站（PS）：供操作员监控生产过程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（CCTV）上传功能并显示所有的过程控制、多媒体系统的信息和视频图像信息。2）两层网络 控制网络和协议，连接FCS系统与现场设备。HMI（人机界面）网络采用EtherNet/IP协议，连接控制室设备与FCS系统。2.选矿典型流程及设备控制随着我国东部矿山浅部资源枯竭，开采深度的不断增加，矿石贫、杂、细及种类多，西部资源丰富，高寒缺水等特点；加上公民对环境的日益关注，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、电气和生产过程自动化的要求越来越高，大型设备机电一体化化、智能MCC和选
7、矿过程参数优化控制已经成为用户的迫切需求。选矿典型设备近十年来，由于旋回破碎机、半自磨机、大型浮选机等新设备、智能MCC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。脱水、过滤设备有：浓密机
8、、高效浓密机、深锥浓密机；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。智能MCC系统是信息技术、传感技术、计算机数据处理技术相结合的新型电气自动化控制系统，其核心元件是带通信功能的电机智能保护器，DCS的控制指令和电动机
9、的相关运行信息均通过总线通信的方式进行，现场总线可以根据需要配置备用通信接口。其特点如下： 每根通信总线最多可控制80个电机回路 线路接点少，抗干扰能力强，故障原因明确，便于查找排除； 采用总线通信方式，安装、调试周期短； 在增加设备回路时，如系统允许，仅需在软件中设置，扩展方便、灵活； 运行管理信息丰富，可提供详细的设备维护信息，可做到设备的预防性维护，最大限度地减少设备意外故障停机时间： 具有备件管理功能，为MES系统设备管理提供设备运行实时数据；备件数量少，可减少资金占用。典型生产流程及典型设备控制.1一段开路破碎流程及控制小于12000mm原矿可直接给入液压旋回破碎机的受矿仓，旋回破碎
10、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；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。开停车顺序控制根据工艺条件对生产流程实现逆流程
11、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Error! Reference source not found.）。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.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
12、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
13、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。图2-3典型磨矿工艺流程检测控制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/
14、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
15、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
16、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
17、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.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
18、（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。
19、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。浮选液位
20、多变量协同控制方法在许多大型选厂推广应用，取得很好的效果。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。在稳定化控制过程中，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。选厂将浮选泡沫图像分析仪及载流品位分析仪应用到浮选
21、生产过程控制，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。 .4精矿脱水流程及控制精矿采用浓缩、过滤两段脱水流程。图2-9 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2-9），（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 确保设备正常运转，根据扭矩报警上限，保证浓缩机不压耙； 根据浓缩机进料干量控制絮凝剂添加； 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
22、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2-10.图2-10机底流排矿流量优化控制示意图2)陶瓷过滤机控制DCS系统将陶瓷过滤机设备数据集成，实现集中监控。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。 .5高寒地区尾砂处理选矿流程处理每一吨矿消耗45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，
23、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2-11所示。图 2-11 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
24、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。22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. 工艺
25、与自动化问题在进行选矿生产过程自动控制设计时，设计者必须既懂选矿工艺和设备，又要熟悉自动化仪表。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。2-12磨矿流程 某特大型铜矿磨矿流程图2-12所示。磨矿流程只一根进水管道，分别给半自磨机、球磨机及磨矿泵池给水。由于水道布置不合理，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。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，结果调节阀工作开度在10%的非线性区段，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
26、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。业主请某自动化设计所去协助解决。两位工程师到现场发现磨矿泵池太小，与渣浆泵不匹配。向业主提出了扩大磨矿泵池的建议。.2选矿自动化系统设计主要问题1）接地问题共用接地系统是目前国内外通用的设计思想。它将建筑物的金属构件（包括混凝土墙内钢筋）与接地装置的金属装置（包括外部防雷装置）连接成一体，组成一个低电感的网形接地系统。系统中的设备外壳、机架、金属管、电缆槽、屏蔽线缆外层、设备防静电接地、安全保护接地；浪涌保护器（SPD）接地端与等电位连接汇流排按一定的规范连接成等电位网络，系统的各类等电位网络与共用接地系
27、统之间只有唯一的连接点。防雷等电位连接将厂房内分开的导电装置各部分用等电位连接导体或电涌保护器(SPD)做等电位连接，它包括在内部防雷装置中。其目的是减小建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间由雷电流产生的电位差。防雷等电位连接区别于电气安全的等电位连接，它是将不能直接连接的带电体，通过电涌保护器做等电位连接。（见图2.13 ） 图 2.13建筑物防雷区划分等电位联结降低或消除需要防雷空间内各金属部件和各系统之间的电位差，有利于消除雷击电磁脉冲干扰。穿过各防雷区界面的金属物和系统，以及在一个防雷区内部的金属物及系统均应在界面处做符合要求的等电位联结。信息系统等电位连接网络计算机、通信网络设备
28、、控制系统、自动化仪表、机电一体化设备称为信息系统。信息系统等电位连接，是指系统中的设备外壳、机架、金属管、电缆槽、屏蔽线缆外层、设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器（SPD）接地端与等电位连接端子按一定的规范连接成等电位网络。信息系统的接地分工作接地和保护接地。（见图2.14 ）2.14信息系统接地供电试制对共用接地系统的影响在信息系统工程中经常遇到防雷接地、交流中性点接地、屏蔽接地、防静电接地、安全保护接地、信号地、逻辑地等问题。这些接地按其作用可分为保护性接地和工作性接地二大类。在施工过程中人们最关心的是对工作地（信号地、逻辑地）的保护。在电子信息系统中，信息的输入、传输、转换、放大
29、、逻辑运算、输出等一系列过程都是在设备之间进行，通过网络设备对微弱的电位或电流信号进行快速的互联、互通、互操作处理。这一过程，除需稳定的电源外，尚需一稳定的基准接地点，又称为信号参考电位。以前，使用过悬浮地，它不易消除静电，易受电磁场的干扰而使参考电位变动。在实际工作中也大量采用TN-C系统供电（俗称零地合一），50Hz的工频干扰经由设备外壳，元件底板串入信息系统，使工作性地要与保护性地之间进行隔离，对防雷接地更是谈虎色变要避而远之。然而随着厂房建筑面积和高度的增大，工作性地与保护性地的分离已越来越困难，同时使用多个接地系统必然在建筑物内引进不同的电位导致设备出现功能故障或损坏。在采用等电位连
30、接和共用接地系统后，更多采用TN-C-S或TN-S系统，使讯号接地不形成闭合回路，共模型态的杂讯不易产生，同时可消除静电和电场的干扰，不易受磁场干扰。如图2.16所示，在A图中TN-C系统中，整个中性线（N）与保护线（PE）是合一的。在图B中TN-C-S系统中，N线与PE线只有在变压器电力系统接地点连接（即PEN线），进入建筑物后N与PE不可连接。在图C中TN-S系统中，整个N线与PE线是分开的。 图2.15常用的几种供电方式在一建筑物内采用共用接地系统之后，不允许采用TN-C供电系统，若采用TN-C供电系统，会产生连续的工频电流及其谐波电流对设备的干扰。干扰来源于TN-C系统中“中性导体电流
31、”（在三相系统中由于不平衡电荷在PEN线上产生的电流）流于PEN线、信号交换用的电缆的屏蔽层，基准导体和室外引来的导电物体之间。而采用TN-C-S或TN-S系统，这种“中性导体电流”仅在专用的中性导体（N）中流动，不会通过共用接地系统对设备产生干扰。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生产流程设计程序的总体结构，突出程序模块层次性和调用的一种设计方法。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
32、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。选矿生产过程中“怎么做”是在变化的，如随着矿石性质的变化，选矿流程或药剂制度时有的改变，数据结构发生变化。这就是不少选矿自动化系统运行一段时间后，因为其数据结构变化后，部分回路无法投入运行，有的甚至系统瘫痪的根本原因。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
33、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。例如：把电动机作为一个研究对象，在电动机数据块中定义对象模型、功能模型、动态模型。程序员按照电气工程师设计的控制原理图，将直接启动、软启动、变频器分别定义为1、2、3类，用二进制码表示各类电动机的控制逻辑，并将它们各自的属性和“做什么操”在电动机数据块中定义为对象模型；各类电动机“怎么做”，即如何实现操作的功能在电动机数据块中定义为功能模型；应用程序根据功能模信息控制电动机，响应外部事件，将电动机运行状态写入电动机数据块的动态模型中。程序员从电动机数据块中导出程序的
34、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。发展趋势 磨矿过程检测和控制磨矿流程为半自磨+球磨，粗碎产品粒度为-300mm。具体的工艺流程为：粗矿堆内的矿石通
35、过矿仓底部的给矿机给到半自磨机的给矿皮带上，半自磨机的排矿经过圆筒筛分级后，筛上顽石通过皮带返回到半自磨机给矿皮带上，筛下物料通过旋流器分级后，沉砂进入球磨机进行磨矿，分级溢流自流进入浮选之前的搅拌槽。磨矿工艺过程的控制目标是：（1）为浮选提供合格的产品，产品质量：合格的矿浆粒度，合格的矿浆浓度。（2）实现对磨机的给矿、给水、加球，水力旋流器的给料流量和浓度等生产操作条件的自动调节，代替人工操作；（3）实现磨矿工艺的进料和出料的质量平衡，水力旋流器溢流矿浆粒度、浓度、流量稳定，使得浮选生产平稳。磨矿过程是一个物料平衡的过程，它力求使分级溢流干矿量等于原给矿量。原矿性质、介质充填率、操作因素的变
36、化，打破了磨矿过程物料的平衡状态。磨矿过程自动控制就是为了消除干扰因素，使磨矿过程在物料动态平衡状态下运行。磨机的运行成本占整个选厂运行成本的50%左右。提高磨机的处理能力，使处理量最大化是磨矿过程控制的最终目的。自动化系统要完成：1）校正控制行为，防止磨机超负荷或欠负荷；2）监视和控制循环负荷；3）监视和控制产品粒度；4）稳定旋流器运行；5）回路稳定后，力求实现处理量最大化。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。磨机负荷检测是防止磨机超负荷或欠负荷运行的核心。4.1.1 磨机负荷监测系统4.1.1.1 概况磨机是矿产资源处理中的重要设备，其功能是将矿石磨碎至后续生产工艺所需要
37、的粒度，磨机的工作状况对整个选矿过程的产量和质量起着至关重要的作用。然而，磨机的内部工况，主要包括磨矿浓度、磨矿粒度、填充率等难以直接测量，所以通常采用间接测量的方法，如声响检测法、驱动功率检测法等，但这些方法都有各自的局限性，在工业现场应用的效果并不理想。磨机筒壁振动检测法的原理是通过在磨机筒壁上安装振动传感器，检测磨机在运行过程中筒壁振动信号的变化来监控磨机内运行状态的改变。当磨机内运行状态发生变化时，磨机内物料的运动轨迹或者磨机内钢球对衬板的冲击情况一定会发生变化，这势必导致传递到筒壁上的振动信号相应改变。相比现有的各种检测方法，筒壁振动信号检测法采用了更为可行且直接的检测原理，而且由于
38、筒壁振动信号中包含了较为丰富的磨机运行状态变化信息。这种检测方式，就像医生用心电图测量仪替代听诊器检查心血管病情一样，信息更真实、更可靠。4.1.1.2 系统组成整套监测系统由硬件设备及分析软件两个大部分组成。系统总体构成如图所示：图4.1 磨机负荷监测系统结构位置信号测量单元和振动信号测量单元分别测量磨机外壁的振动强度及其所处的空间位置，信号采集单元将测量值采集转化成为数字信号，无线传输单元将数字信号无线发送到地面接收装置，最后再由上位机数据处理单元进行数据的保存、处理、分析和显示。供电单元为安装于磨机上的发送端提供能源。通过专用的分析软件，系统可提供磨机不同工况下的振动波形，并根据振动数据
39、计算出表征磨机负荷状态的特征参数。图4.2 磨机空砸情况下振动波形图4.3 正常工况情况下振动波形图4.4 轻微胀肚情况下振动波形图4.5 典型磨矿过程的优化控制策略示意图4.1.1.3 控制策略（1） 分级优化控制分级是磨矿过程的关键环节，分级效率的高低直接制约磨矿流程的生产能力和产品质量。通过分析在线式粒度浓度分析仪提供的旋流器溢流浓细度数据，分级优化控制器在指标处于正常范围内时保持既有参数，充分发挥泵池的缓冲能力，保证流程稳定，当指标出现异常时，控制器自动调节补加水量，通过进旋流器矿浆浓度和压力的变化使指标恢复正常。（2） 磨机负荷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
40、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。磨机负荷测振仪与粒度分析仪检测新技术，据磨机给矿量、磨机功率、钢球冲击效应信号建立数学模型，通过数学分析判断磨机充填率，根据磨机充填率调整半自磨机给矿量，同时相应调整前水、钢球的
41、添加量，使得磨机的给矿量、返砂量与排矿量相匹配，其充填率、磨矿浓度、粒度处于最佳范围，始终工作在满负荷且不胀肚的状态，从而发挥磨机的最大处理能力。（3）液位智能控制磨矿过程中的磨机排矿泵池是一个重要的缓冲容器，但由于空间等条件限制，它的容积往往不大（国外选厂的设计标准是泵池容积要达到泵全速输出57分钟的流量），所以传统的生产过程中常出现抽空或冒槽的情况，但若频繁条件泵速或加水量则会使得工况不稳定，导致旋流器分级效果不佳。我们的液位智能控制器兼顾了泵池液位的安全性和工况的稳定性，在安全范围内充分发挥泵池的缓冲作用，超出限定范围时又可以迅速调整回来，从而减少调节时间和次数，保持工艺流程稳定性。4.
42、2 浮选过程参数检测与控制4. 浮选工艺过程控制目标选矿工艺过程的控制目标是：实现浮选液位、加药的稳定控制和计算机操作；实现矿浆pH的在线检测和调节；实现矿浆品位的在线X荧光分析，指导浮选操作；选矿流程各泵池的液位在线监控报警，以使得生产顺畅进行。 选矿工艺过程检测控制方案1）浮选机液位、充气量自动控制浮选机是机电一体化设备，要求自带控制系统具有确保设备正常运行的报警连锁保护和实现液位和充气量控制功能，控制原理图见。图 浮选机液位自动控制原理图 图 浮选机充气量自动控制原理图浮选机的液位和充气量是调节浮选精矿品位和回收率的重要手段，因此保证浮选机液位和充气量相对稳定有利于浮选生产操作，稳定生产
43、指标。由于多种干扰源的存在和浮选作业的串联分布，使得浮选作业之间相互耦合，相互影响，当前级浮选作业的液位受干扰引起波动时，波动随着浮选作业的传递而放大，导致后续作业的液位波动逐级增大而使控制效果恶化，因此单作业单回路浮选液位控制很难使整个浮选流程稳定。为解决该问题，需采用浮选多作业液位协同控制技术，其具体的原理框图见图。图浮选多作业液位协同控制技术原理图浮选多作业液位协同控制技术同时管理整个浮选流程，它能够在干扰影响到浮选液位之前，采取有效的补偿措施抑制扰动。因此，这种技术可稳定浮选机的液位，保证稳定的泡沫层厚度，从而使精矿品位稳定，提高浮选的经济效益。下图是现场使用的效果图，可以明显看出，采
44、用液位协同控制算法的控制效果优于普通液位单回路控制。2）加药控制选厂流程的加药包括2#（松醇油）、铜捕收剂(黄药、丁铵黑药等)、Z-200（乙基硫氨酯）、硫酸锌、X-41（主要成分为硫酸铜）、锌捕收剂（黄药、乙硫氮等）、丁基黄药、P86（磷酸三丁酯）、GY-C3和石灰等药剂，本系统控制范围包括药剂制备、输送和药剂添加部分。对常规药剂的储药槽采用超声波液位计进行检测，实现高低限报警，保证药剂添加系统正常运行。对于部分需要配置的药剂，可以根据液位值连锁控制药剂制备槽的药剂输送泵的启停，实现高限停泵，低限开泵。3）矿浆pH值调节矿浆pH值是选矿必要操作条件，本浮选流程中有7个石灰乳添加点和pH检测控
45、制回路。矿浆pH检测装置采用BPHM型带有自清洗装置的矿浆pH计，以避免结钙造成测量精度下降，调节装置采用气动多点开关式石灰乳调节装置，该装置较一般调节阀门来讲，具有不易堵塞耐用、灵活组合的特点，既可以将两个或三个回路的调节装置组合在一起，也可以分散到不同的添加点，原则是添加装置离加药点越短越好，并设计好辅助的清洗管路。4）浮选过程矿浆品位分析在选矿生产中，原矿、精矿、尾矿的金属品位在线分析可以有效指导浮选现场操作、优化选矿生产操作条件、提高选矿回收率、考核选矿过程金属平衡状况，可以为选矿厂带来明显的经济效益。考虑到现场实际情况，建议采用X荧光原理品位分析仪，相对于核辐射原理的分析仪，该仪器更
46、加环保、绿色、安全，有益操作人员身心健康。荧光分析仪为载流分析仪器，需要从流程中取样，通过取样管道自流到荧光分析仪主机进行分析，因此，荧光分析室的位置设计和取样管道设计对于荧光分析仪的使用有重要影响。根据国内外荧光分析仪的应用实践，需要提前在选矿厂的最低处设计3层荧光分析室房间，分别用于放置多路器（二次取样器）、荧光分析仪主机和返回矿浆泵池。采用金属品位在线分析仪将为下一步实现浮选优化控制奠定基础，能够实现浮选流程分作业把关。控制策略：以X荧光载流分析仪为核心，选矿工艺参数为依据；对浮选工艺流程分作业把关。将工艺提供的原、精、尾矿品位及作业回收率设计值为控制回路的设定值，X荧光载流分析仪的品位
47、在线分析值及作业回收率为过程变量，各作业浮选槽的液位为可控变量。在确保精矿品位的前题下，达到提高作业回收率、降低药剂消耗的目标。.3 先进的浮选控制基于荧光分析仪和浮选泡沫图像分析系统，可以建立浮选优化控制，实现浮选液位、充气量和药剂添加量的优化设定，其控制策略如下：图4.9 浮选优化控制策略图浮选泡沫图像系统可以分析出泡沫图像测量特征：气泡大小、气泡流速、泡沫层稳定性、泡沫层颜色分析图 浮选泡沫图像分析界面泡沫层稳定性、泡沫层颜色分析与泡沫结构有关；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。泡沫图像分析仪测量出生产过程中不同类型矿石的泡沫特征参数，控制系统将收集与之对应的药剂类型、药剂用量、矿浆的酸碱度、泡沫层厚度、充气量、有价矿物的品位和回收率等过程数据，用这些数据创建各种类型矿石的泡沫图像特征参数的专家数据库。这