選礦過程檢測與控制技術(shù)新進展

周俊武

（1.北京礦冶研究總院,北京市100160；2.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點實驗室,北京市100160）

選礦過程檢測與控制技術(shù)新進展

周俊武1,2

（1.北京礦冶研究總院,北京市100160；2.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點實驗室,北京市100160）

選礦過程檢測與控制技術(shù)發(fā)展已然呈現(xiàn)智能化特點和趨勢,即建立在物理檢測、數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)之上的工況識別、狀態(tài)監(jiān)測和規(guī)則提取,進而完成控制系統(tǒng)與控制策略的設(shè)計與實現(xiàn)。另一方面,信息化和通訊技術(shù)加速了生產(chǎn)非實時數(shù)據(jù)和信息的采集、互通、利用,對保障工藝流程與生產(chǎn)設(shè)備的可靠性運轉(zhuǎn)、有效性維護起到了積極作用,并進一步支撐了選礦過程控制智能化的發(fā)展。本文介紹碎礦過程智能故障診斷、磨機負荷監(jiān)測、磨礦分級過程智能控制、選礦廠無線數(shù)據(jù)管理等方面的探索與實踐。

選礦過程；故障診斷；磨機負荷；智能控制；無線巡檢

近年來，選礦自動化的發(fā)展速度、普及率前所未有,新建選礦廠無一例外地同步建設(shè)自動化系統(tǒng),老選礦廠也不斷通過自動化系統(tǒng)的建設(shè)實現(xiàn)改造提升、轉(zhuǎn)型升級。選礦自動化已經(jīng)成為選礦工業(yè)關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)技術(shù)必不可少的組成部分,對選礦工業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益的實現(xiàn)和提升至關(guān)重要。本文就選礦過程檢測技術(shù)與控制技術(shù)最新進展做簡要評述。

1 概要

礦產(chǎn)資源條件不斷惡化、選礦工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性、不確定性在加大,對生產(chǎn)成本、能源消耗的控制日益強化,礦山可持續(xù)發(fā)展的需求日益迫切。Mesto公司的PTI(Process Technology&Innovation)部門于2012年9月在澳大利亞Perth發(fā)布的報告中稱,節(jié)能降耗、提高金屬綜合回收率、提高水資源綜合利用是選礦工業(yè)的主要技術(shù)發(fā)展方向,核心手段是過程集成與優(yōu)化。

我國選礦廠規(guī)模迅速擴大,為選礦自動化技術(shù)的發(fā)展和實踐創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件和難得的機遇。礦山企業(yè)關(guān)注的焦點主要集中于利用自動化技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)平穩(wěn)控制和生產(chǎn)成本優(yōu)化,具體表現(xiàn)在減員增效、減少生產(chǎn)與設(shè)備故障和節(jié)能降耗方面。從工藝流程上看,碎磨工藝對故障診斷和節(jié)能控制的需求以及浮選工藝對于生產(chǎn)平穩(wěn)控制和操作去人工化的需求最為迫切,而濃縮脫水目前還缺乏非常明確的生產(chǎn)量化指標來推動精細化操作與控制。從生產(chǎn)組織管理上看,對生產(chǎn)業(yè)務(wù)的監(jiān)控一直是個空白,比如設(shè)備巡檢、流程巡視等,導(dǎo)致這些業(yè)務(wù)對生產(chǎn)效益的貢獻難以評價,也造成了控制系統(tǒng)與生產(chǎn)本身的脫節(jié)。

本文重點介紹“十二五”期間我國在破碎故障診斷、磨礦節(jié)能控制、儀器設(shè)備巡檢等方面的探索與實踐工作。

2 破碎過程智能故障診斷

破碎工藝生產(chǎn)設(shè)備多、分布廣、礦石轉(zhuǎn)運距離長,加之地下開采的礦石含泥量大且其中夾雜著木頭、錨桿和導(dǎo)火索等異物,單憑人工操作監(jiān)控?zé)o法及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常和故障,導(dǎo)致破碎生產(chǎn)連續(xù)性和穩(wěn)定性不佳。

破碎過程智能故障診斷系統(tǒng)以在線檢測數(shù)據(jù)為支撐,融合因果推理、主元分析和機器學(xué)習(xí)技術(shù)相融合，挖掘生產(chǎn)流程中設(shè)備與操作間的內(nèi)在聯(lián)系,對生產(chǎn)是否正常、什么原因引起故障、故障的嚴重程度等問題進行分析、判斷,實現(xiàn)從底層設(shè)備到中間工序、再到上層生產(chǎn)流程的3層架構(gòu)生產(chǎn)過程在線監(jiān)測和故障診斷，并向系統(tǒng)的操作者提示所要采取的措施,以達到提高運轉(zhuǎn)率、降低勞動強度的目的。

破碎過程智能故障診斷系統(tǒng)分3個層次分別提供設(shè)備級、工序級和流程級的故障診斷。1)設(shè)備級故障診斷。長皮帶:皮帶打滑,液力耦合器故障,下料口卡錨桿、鐵棒、木頭,首輪漏斗堵。振動篩:給礦口堵,下料口堵,篩孔堵,篩網(wǎng)漏。破碎機:破碎腔體堵,給料漏斗堵。膠帶給礦機:卡大木頭、礦倉下料口堵。2)工序級故障診斷。對子工序中設(shè)備間負荷的匹配情況進行監(jiān)測與診斷,比如給礦量與破碎機的負荷、篩子的負荷及輸送皮帶的負荷匹配情況進行故障監(jiān)測。3)流程級故障診斷。對粗碎、篩分、中碎和細碎工序的生產(chǎn)操作的協(xié)調(diào)狀態(tài)進行監(jiān)測與診斷,有效降低倉滿溢料和空砸斷料情況發(fā)生的幾率。

破碎過程智能故障診斷包括數(shù)據(jù)采集和存儲(數(shù)據(jù)庫)、數(shù)據(jù)預(yù)處理與標準化,以及基于相關(guān)性、因果性和直接性證據(jù)的破碎過程運行監(jiān)控與故障診斷。此外,為了提高基于因果推理、主元分析和機器學(xué)習(xí)的故障分類與診斷性能,系統(tǒng)設(shè)計人員的先驗知識,以及現(xiàn)場操作人員通過生產(chǎn)質(zhì)量及時調(diào)整系統(tǒng)運行的經(jīng)驗知識均被融合到推理與分析模型中,并通過不斷的積累,豐富故障分類證據(jù)庫。該故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 破碎流程故障智能診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

破碎過程智能故障診斷系統(tǒng)在國內(nèi)某金礦工業(yè)現(xiàn)場的使用過程中,多次成功診斷出諸如由于液力耦合器故障造成的皮帶運輸機空轉(zhuǎn)、振動篩堵塞及下料漏斗堵塞等故障生產(chǎn)工況。以8 kt/d的處理能力,每天生產(chǎn)20 h計算,中碎工序的平均產(chǎn)能為1.2 kt/h,一旦液力耦合器故障導(dǎo)致的礦石轉(zhuǎn)運皮帶被壓死的情況發(fā)生,30 s內(nèi)將有10 t的礦石壓死在皮帶上或散落在周圍。采用故障診斷系統(tǒng)后通過與FCS系統(tǒng)聯(lián)動在3 s內(nèi)停止給礦,避免事故擴大化,可以節(jié)省出近2 h左右的停車清理時間,提高流程連續(xù)運行時間。2013年12月21日~2014年2月20日,該系統(tǒng)在連續(xù)60 d的統(tǒng)計時間里累計成功預(yù)報故障次數(shù)達到36次,故障預(yù)報準確率平均為71%。

破碎過程智能故障診斷系統(tǒng)通過工況預(yù)報和故障診斷提高了生產(chǎn)監(jiān)控管理的預(yù)見性和準確性,可以大大降低由于故障造成的大面積、長時間停車和超大工作量。同時,可以有效減輕操作工人的勞動強度與巡檢次數(shù),減少和避免了設(shè)備損壞。

3 磨機負荷監(jiān)測

不同負荷的磨機內(nèi),由于鋼球和物料對磨機筒壁的沖擊不同,從而在筒壁表面形成不同的振動?；谶@一原理通過安裝在磨機筒壁上的振動傳感器實時采集包含筒壁振動頻率和能量的信號,通過數(shù)學(xué)方法從中提取出具有代表意義的特征參數(shù),從而可以對磨機的負荷進行監(jiān)測[1-2]。

磨機負荷監(jiān)測系統(tǒng)已在日處理量從1 kt到的22.5 kt的5臺不同規(guī)格的球磨機和半自磨機上得到應(yīng)用,時間最長的系統(tǒng)已在工業(yè)現(xiàn)場連續(xù)運行3年以上。通過觀察以及對大量的數(shù)生產(chǎn)實時據(jù)的分析表明：磨機負荷監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地反應(yīng)磨機工作狀態(tài);在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,有助于提高磨機的平均處理量;系統(tǒng)可以有效預(yù)報磨機的“漲肚”或“空砸”趨勢,保證設(shè)備的安全穩(wěn)定生產(chǎn);減少了工人的巡檢次數(shù),降低了勞動強度。

圖2 磨機負荷監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

表1為磨機負荷監(jiān)測系統(tǒng)在某金礦使用前1個月和使用后1個月的統(tǒng)計數(shù)據(jù),結(jié)果表明：在保持溢流產(chǎn)品濃度和粒度基本不變的前提下,使用磨機負荷監(jiān)測系統(tǒng)提高系統(tǒng)處理量5%以上。磨機負荷監(jiān)測數(shù)據(jù)與磨礦專家系統(tǒng)件結(jié)合應(yīng)用于磨礦過程的優(yōu)化控制中,實現(xiàn)了對磨礦生產(chǎn)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。

表1 工業(yè)應(yīng)用過程中磨礦分級過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 磨礦分級智能控制

針對磨礦分級系統(tǒng)輸入輸出變量多、非線性時變特性強及易受干擾因素影響的特點,研究實現(xiàn)基于物料平衡和智能工況識別的磨礦分級專家系統(tǒng)(參見圖3),通過對物料平衡模型和工況操作經(jīng)驗的總結(jié)分析，將通用與專用規(guī)則相結(jié)合,智能識別各種工況并進行優(yōu)化設(shè)定,保證了磨礦分級生產(chǎn)的平穩(wěn)、安全和高效運行,避免了人工操作的隨意性和主觀性,優(yōu)化了磨礦分級產(chǎn)品的指標。

圖3 基于物料平衡及智能工況識別的磨礦分級專家系統(tǒng)

針對常規(guī)的磨礦泵池—旋流器流程,研究開發(fā)了一種變結(jié)構(gòu)的控制策略,充分利用泵池的有效容積,在不出現(xiàn)冒頂、抽空等事故的前提下優(yōu)先保證下游流程的穩(wěn)定,通過帶記憶的變結(jié)構(gòu)控制策略實現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)。磨礦分級控制框圖如圖4所示,其中變結(jié)構(gòu)控制模塊以液位實際值、液位控制限與液位中限為參數(shù)，綜合判斷選擇相應(yīng)的控制模式,如恒液位、恒泵速和超限控制,并實現(xiàn)各模式之間的無擾切換。該控制策略需先在Matlab里進行建模仿真,驗證了策略的有效性并得到實際調(diào)試時的初始建議參數(shù)?，F(xiàn)場控制效果如圖5所示,24 h內(nèi)砂泵僅做了9次調(diào)整,調(diào)節(jié)時間所占比例約12.5%，而傳統(tǒng)控制方法幾乎100%的時間在進行調(diào)節(jié)。該策略較之常規(guī)恒液位控制方案更能充分利用砂泵池的緩沖能力,在保證液位安全的前提下,使得渣漿泵轉(zhuǎn)速盡可能不變,為后續(xù)旋流器分級提供穩(wěn)定的工作條件。

圖4 磨礦分級控制框圖

磨礦分級智能控制運行以來,綜合投用率達到80%以上。一周的自動控制和對照組的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,操作工手動調(diào)整次數(shù)減少90%以上,旋流器溢流粒度標準差降低0.2%,如表2所示。磨礦分級智能控制投用后,旋流器溢流流量波動明顯降低,溢流粒度-74 μm占比有所增大。現(xiàn)場應(yīng)用效果表明,磨礦分級自動控制減小了現(xiàn)場工人的工作量,保證了系統(tǒng)的平衡,優(yōu)化了系統(tǒng)的操作指標。

圖5 變結(jié)構(gòu)泵池控制策略控制效果

表2 磨礦分級智能控制應(yīng)用情況對照

基于物料平衡和智能工況識別的磨礦分級專家控制面臨的問題包括:經(jīng)驗規(guī)則的適應(yīng)性需要不斷通過應(yīng)用加以提高;推廣至SABC等其他流程,并與破碎、浮選等流程控制相結(jié)合;形成穩(wěn)定的優(yōu)化控制產(chǎn)品。

5 無線數(shù)據(jù)管理

選礦過程一方面具有作業(yè)面相對穩(wěn)定,設(shè)備與裝備都相對固定等特點，另一方面又具有流程長、人員少、管理成本高等諸多負面因素。同時,由于其礦石本身的特性,選礦過程會經(jīng)常出現(xiàn)異常警告或流程報警,使得生產(chǎn)的效率大大降低。為了解決上述問題,礦山除了加大自動化方面的投入,引入先進控制、智能控制、故障診斷等系統(tǒng)以外,還會加大人員管理方面的投入。目前,絕大多數(shù)的礦山都實現(xiàn)了區(qū)域?qū)χv和部分回路的遠程控制。

國內(nèi)的選礦廠主要采用區(qū)域巡檢和專人設(shè)備點檢這兩種管理方式來解決人員少、作業(yè)流程長、設(shè)備種類繁多等問題?？刂剖业闹锌厝藛T根據(jù)自動化系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)狀態(tài),通過對講來指導(dǎo)操作工對工藝進行控制，再根據(jù)受控對象的遠程、就地狀態(tài)進行操作。這樣往往導(dǎo)致調(diào)控不及時,控制室的實際情況與作業(yè)面的運行狀態(tài)無法很好結(jié)合等問題,使得現(xiàn)場人員不得不“束縛”在某一特定位置,無法掌控全局。另外在選礦過程中,設(shè)備維護與點檢過程多以紙質(zhì)記錄作為記錄終結(jié),數(shù)據(jù)的可靠性和準確性都無法得以保證;最為關(guān)鍵的是,紙質(zhì)記錄無法被自動化系統(tǒng)所利用,間接地失去了很多有用的信息。

現(xiàn)階段,在選礦廠中主要有兩種移動手持設(shè)備在進行使用。第一種是以傳統(tǒng)WindowsCE系統(tǒng)開發(fā)的工業(yè)級手持終端,這類終端一般集成了傳感器和外設(shè)接口,功能豐富,通過和礦山的信息化系統(tǒng)結(jié)合,可以實現(xiàn)移動過程中的測溫、測振等點檢工作,實現(xiàn)設(shè)備維護的無紙化。但由于WindowsCE終端的體積一般較大,其操作都是依靠電阻屏,其易用性及界面豐富程度都受到了限制。另外,這類系統(tǒng)的綜合信息管理一般都無法和礦山的信息化自動化系統(tǒng)對接,對管理者來說其使用的目的性不強,積極性不高?？偟膩碚f,這類手持設(shè)備在選礦廠的使用情況不佳。

基于android/IOS系統(tǒng)的專用礦用APP是另外一種發(fā)展趨勢。由于當前的移動通信設(shè)備幾乎全部是這兩種操作系統(tǒng),使得一些信息化的操作可以在個人移動設(shè)備上輕易的完成。移動信息系統(tǒng)與工業(yè)自動化系統(tǒng)能否有機結(jié)合也是該系統(tǒng)是否易用的基本要素之一。

礦山選冶流程的無線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),既可以安裝在專用的移動設(shè)備上,實現(xiàn)完全的點巡檢功能，還可以安裝在個人手機上,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)從自動化系統(tǒng)到信息化終端的良好結(jié)合。該系統(tǒng)的基本功能如下：1)遠程數(shù)據(jù)巡檢功能。通過客戶端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互,用戶根據(jù)個人應(yīng)用權(quán)限的不同來區(qū)別移動端所獲取的數(shù)據(jù),這個數(shù)據(jù)既可以是用戶關(guān)心的區(qū)域數(shù)據(jù),又可以是全流程的實時數(shù)據(jù),其刷新速度很高。該功能特別是對于一些難攀(如:粉礦倉頂)、移動(如:行車中)區(qū)域，有著獨特的優(yōu)勢。2)遠程控制功能。用戶根據(jù)個人的權(quán)限，可以對某些需要緊急控制的閥門、泵等關(guān)鍵設(shè)備進行控制。為了防止誤操作和無效操作,后臺可以根據(jù)控制人員的位置信息來區(qū)分控制指令是否處于有效的區(qū)域之內(nèi),從而實現(xiàn)更加精準的用戶行為約束。3)RFID遠程定位功能。當用戶攜帶具有遠程定位功能的手機經(jīng)過預(yù)先設(shè)計的RFID有源卡片信號區(qū)域時,系統(tǒng)會自動記錄其進入該區(qū)域的時間,當RFID卡片布置的足夠廣而密時,服務(wù)程序就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制出使用該手持人員的一幅完整的路徑圖。管理者可以根據(jù)這些數(shù)據(jù),考核手持攜帶者移動狀況,規(guī)范他們的巡檢路徑,考核其工作情況。4)其他用戶設(shè)置功能。移動終端用戶可以根據(jù)自身的使用需求,結(jié)合工廠的班組計劃,合理設(shè)計用戶的點巡檢計劃,并根據(jù)用戶自身的角色,設(shè)置參數(shù)報警和任務(wù)提醒等一系列用戶個人屬性,完成點檢、巡檢過程任務(wù)。

該系統(tǒng)在某金礦進行試用,分別有3臺平板電腦及11套工業(yè)手機陸續(xù)投入到各個工段,通過個性化軟件定制,該系統(tǒng)為選礦車間的自動化生產(chǎn)帶來了很大的便利。表3是該系統(tǒng)投用前后一些生產(chǎn)工作流程的對比。

表3 無線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)投用前后對比

從上表數(shù)據(jù)中可以看出,隨著無線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的深入應(yīng)用,使用者已經(jīng)逐漸地改變了原有的生產(chǎn)運營方式,手持系統(tǒng)的無線接入逐漸變成生產(chǎn)過程必不可少的一項輔助工具。以無線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在選礦車間磨浮工段的應(yīng)用為例,結(jié)合自動化系統(tǒng)的使用,磨浮工段每個班次只有4人在同時工作,人員配置數(shù)量已達到國內(nèi)同類水平礦山的最少,實現(xiàn)了一人兼顧多個崗位的既定目標。

6 選礦自動化發(fā)展趨勢

我國選礦工業(yè)正在從“做大”逐漸轉(zhuǎn)向“做強”的發(fā)展階段，選礦工業(yè)在有色金屬回收整個產(chǎn)業(yè)鏈中的地位日益重要,而其承擔(dān)的經(jīng)濟責(zé)任和社會責(zé)任也被提高到了空前的高度。選礦自動化技術(shù)極其有可能會在這個發(fā)展階段從一門專業(yè)技術(shù)發(fā)展成為一門產(chǎn)業(yè)技術(shù),即更加充分的與資源條件、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)裝備、企業(yè)管理融合在一起,形成一種以企業(yè)價值為目標并為其量身定做的“總裝技術(shù)”。從技術(shù)組成來看，選礦自動化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該有如下的特點：1)物理檢測與過程檢測依然是選礦自動化、智能化、信息化發(fā)展的根本，并且只有以此為基礎(chǔ)、結(jié)合生產(chǎn)的其他實時數(shù)據(jù),通過建模、聚類、類比等數(shù)據(jù)處理方法方能實現(xiàn)生產(chǎn)過程中選礦機理的實時監(jiān)測、生產(chǎn)規(guī)律與操作知識的動態(tài)獲取,這是智能化的基礎(chǔ)。盡管世界礦業(yè)強國已經(jīng)在品位分析、圖像分析等方面取得了成熟的產(chǎn)品與技術(shù),但是他們從來沒有停止過將新的基礎(chǔ)檢測理論在選礦過程檢測應(yīng)用上的研究。這一點值得我國學(xué)習(xí)和借鑒。2)信息通訊技術(shù)是選礦自動化、智能化、信息化的重要技術(shù)支撐手段,特別是非實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。選礦工業(yè)的大數(shù)據(jù)時代必須有非實時數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的結(jié)合,才能更為有效的為產(chǎn)業(yè)發(fā)揮作用。3)智能礦山、智能選礦廠的建設(shè),必須將自動化、智能化、信息化融入到工業(yè)項目的前端設(shè)計里去，根據(jù)企業(yè)的經(jīng)濟目標與社會目標,結(jié)合企業(yè)人財物與資源條件進行倒推設(shè)計,將工藝技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、管理理念和作業(yè)方式有效組織到控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)中去。這對于提高自動化和信息化系統(tǒng)的建設(shè)效率至關(guān)重要。4)智能服務(wù)是智能礦山、智能選礦廠存在的基礎(chǔ),行業(yè)智力資源和技術(shù)資源的整合必須隨著企業(yè)生產(chǎn)實踐動態(tài)的優(yōu)化配置,才能獲得更好的社會效益和經(jīng)濟效益,礦業(yè)才可能長久的處于一種最佳生存狀態(tài)。

[1] 陸博,楊佳偉,周俊武,等.磨機負荷檢測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集裝置的研制[J].礦冶,2013,22(4):91-94.

[2] 楊佳偉,陸博,周俊武.基于振動信號分析的球磨機工況檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].礦冶,2013,22(3):99-104.

Mineral Process Automation Development in China

ZHOU Junwu
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy,Beijing 100160,China；2.Beijing Key Laboratory of Automation of Mining and Metallurgy Process,Beijing 100160,China）

Intelligent is now the character and trending of the mineral processing automation technology.Based on the physical detecting,data analyzing and mathematical modeling,the situation and status in the producing process will be detected or monitored on-time,and the effective operating rules will be captured.All of the knowledge makes the control system successful and effective for the producing.Another hand,information and communication technology accelerate the collecting,transforming and utilizing of the non-real-time producing data,which give more guarantee in reliability and effectiveness for the process and equipment,and so promote the mineral processing intelligent.This article introduces the improvement and practice in the crushing intelligent fault diagnosis,the mill-load detecting and monitoring,the intelligent control in grinding and classifying process and the wireless patrolling in the mineral process plant.

mineral processing;fault diagnosis;mill load;intelligent control;wireless patrolling

TP273

A

1004-4345(2015)03-0006-05

2015-06-07

863計劃十二五主題項目“選冶檢測與優(yōu)化控制技術(shù)”（2011AA060200）。

作者介紹：周俊武(1966—),男,北京礦冶研究總院研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事選礦過程檢測與控制技術(shù)研究,計算機應(yīng)用技術(shù)研究。