攪拌式浮選自動液位控制的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王澤坤

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 馬關(guān) 663700）

到目前為止，浮選設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)有了近百年的歷史，并且伴隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的浮選技術(shù)已經(jīng)得到了很大的提高，浮選機(jī)也開始變得更加多樣化、系列化、大型化和自動化，同時(shí)應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展。作為選礦工藝中的重要設(shè)備之一，它對整個(gè)選礦工作起到了決定性的作用。對于浮選機(jī)來說，浮選槽內(nèi)礦漿液位的穩(wěn)定，對浮選機(jī)設(shè)備本身、工藝流程的正常運(yùn)行是重要的前提和保證，對生產(chǎn)指標(biāo)的提高都有著重要的作用。因此，需要采用先進(jìn)的自動控制設(shè)備，設(shè)計(jì)適合于大型設(shè)備和復(fù)雜工藝的控制算法來實(shí)現(xiàn)液位的自動控制。

1 浮選機(jī)自動控制液位設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)浮選機(jī)自動控制液位中要選用自動化的配套設(shè)備，用來使浮選機(jī)的液位、充氣量以及甘油進(jìn)行自動調(diào)節(jié)、自動控制和自動添加的功能?？刂葡到y(tǒng)選擇可靠性高、性價(jià)比高的PLC控制系統(tǒng)，同時(shí)還應(yīng)該加設(shè)通訊功能以及與其相匹配的觸摸屏顯示器，并將這兩種裝置安裝在液位機(jī)的控制柜中，這樣可以對電氣控制回路中所有的元器件進(jìn)行故障的監(jiān)控，將儀表盤上的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)以及所有設(shè)備的工作狀態(tài)情況都顯示出來，生產(chǎn)操作人員通過觸摸顯示屏可以完成所有的操作。

1.1 電氣控制

浮選機(jī)中電氣控制是最主要的部分，主要用于對銅、鋅、鉛、鎳等有色金屬進(jìn)行選別，也可以用于黑色金屬和非金屬的粗選和精選[1]。電氣控制是由電動機(jī)三角帶傳動帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生離心作用從而形成負(fù)壓，在吸入充足的空氣與礦漿混合的同時(shí)，將礦漿與藥物進(jìn)行充分的攪拌并混合，在這一過程中，泡沫會不斷細(xì)化，使礦物粘合泡沫之上，浮到礦漿面再形成礦化泡沫。調(diào)節(jié)電氣控制中的閘板高度，以達(dá)到控制液面高度的目的，使有用的泡沫容易被刮板刮出。通過以上的因素分析，結(jié)合8立方浮選機(jī)工業(yè)試驗(yàn)的成果，研究選用精確的檢測儀表、線性控制流量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和滿足生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的控制器基礎(chǔ)上，采用多回路液位協(xié)同控制算法，優(yōu)化了液位自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由液位測量裝置、控制器、氣動調(diào)節(jié)閥組成[2]。氣動調(diào)節(jié)閥由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和排礦閥組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 浮選液位自動控制系統(tǒng)原理圖

1.2 浮選液位自動控制系統(tǒng)硬件組成研究

根據(jù)自動控制理論，一個(gè)完整的控制系統(tǒng)主要由控制對象、檢測機(jī)構(gòu)、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成[3]。針對GF-8浮選機(jī)機(jī)和工藝流程的特點(diǎn)，對液位自動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下研究。

（1）液位測量裝置。液位測量裝置由北京礦冶研究總院自主研發(fā)，采用激光液位計(jì)測量液位，誤差小，測量精確，同時(shí)由于是非接觸式測量，磨損極小，使用壽命長，一旦運(yùn)行，穩(wěn)定可靠，維護(hù)工作量很小，長期工作也不會產(chǎn)生位置漂移的現(xiàn)象，無需再進(jìn)行儀表的校驗(yàn)。液位測量裝置由專用激光測距測量儀、測量支架、浮球組件（浮球、連桿、反射盤）、噴淋裝置和隔離筒等部件組成，將液位值以4mA～20mA信號輸出。隔離筒的設(shè)計(jì)起到了消泡并穩(wěn)定測量值的作用，結(jié)構(gòu)原理見圖2。

圖2 液位測量裝置原理圖

（2）液位專用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液位專用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣缸、錐閥、連接桿組成，通過調(diào)節(jié)氣缸的行程來帶動與其連接的錐閥，從而改變錐閥的開啟度，以此來調(diào)節(jié)礦漿流量，改變液位高度。氣缸自身的承重、行程、響應(yīng)特性、錐閥的規(guī)格和流量特性，以及連接桿材質(zhì)和尺寸等都影響著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，增加了故障位的保護(hù)，在意外停電時(shí)錐閥會上提，防止發(fā)生意外生產(chǎn)事故；在停止供氣時(shí)進(jìn)行保位，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。同時(shí)，改進(jìn)了錐閥的角度，接近快開型特性曲線，實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)節(jié)。

（3）液位控制器。作為控制系統(tǒng)的核心，采用了AB公司Compact系列的PLC作為硬件核心，控制算法由BGRIMM自主設(shè)計(jì)。通過CPU配套的I/O模塊，將各種控制信號和測量信號比如液位測量值、閥位開啟度等采樣輸入到控制器中，CPU通過事先加載到內(nèi)部的程序進(jìn)行計(jì)算，最后將計(jì)算出的控制信號比如閥門的開啟度等給輸出模塊，刷新輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，從而調(diào)節(jié)礦漿流量使液位保持在預(yù)期的設(shè)定值。人機(jī)交互采用觸摸式平板電腦，在平板電腦中安裝上位機(jī)程序軟件進(jìn)行設(shè)定控制器的參數(shù)及工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)液位的自動控制，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)視浮選全流程的液位狀態(tài)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀況。為了提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，增加了就地控制設(shè)備。工作人員除了控制PLC根據(jù)工藝自動控制液位外，還可以在就地調(diào)節(jié)執(zhí)行結(jié)構(gòu)。此外通過MODBUS通訊，PLC與中控室DCS系統(tǒng)進(jìn)行連接，允許DCS遠(yuǎn)程監(jiān)控浮選作業(yè)。各種控制方式均做到了無擾切換，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活控制。

2 浮選液位自動控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的研究

浮選液位自動控制系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。①上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件即人機(jī)交互界面軟件，在WonderWare平臺下開發(fā)的Intouch應(yīng)用程序，主要實(shí)現(xiàn)液位、風(fēng)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、控制、參數(shù)設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)的存儲。這種人機(jī)交互軟件較西門子的觸摸屏具有很高的靈活性，且涵蓋的信息量大，用戶可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)和擴(kuò)展。②下位機(jī)軟件及控制算法。下位機(jī)軟件即PLC程序，通過液位優(yōu)化控制算法實(shí)現(xiàn)液位的自動控制。該優(yōu)化算法的核心是前饋控制加反饋控制。圖3為液位優(yōu)化控制原理圖。

圖3 浮選液位優(yōu)化控制原理

反饋控制采用PID控制算法，而前饋控制通過綜合各個(gè)回路之間的耦合程度、給礦量的變化、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟度變化、供風(fēng)量的大小和穩(wěn)定程度等因素作為影響控制系統(tǒng)的干擾源，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量特性，從而計(jì)算得到控制量。與PID控制算法計(jì)算得到的控制量一起來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，最終控制浮選作業(yè)的液位使其達(dá)到預(yù)期的設(shè)定值。

3 對比與傳統(tǒng)浮選液位控制設(shè)備的區(qū)別

傳統(tǒng)的XJ型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)型式較老，但在我國應(yīng)用的范圍卻廣泛，在這種浮選機(jī)設(shè)備中通常采用U型管法，其基本原理是首先將尾礦引入到U型管當(dāng)中，U型管起到引流的作用，能夠?qū)⑽驳V傳輸?shù)絻Υ嫖驳V的箱中，并且在箱中的液位處在同一高度上。一旦液位的調(diào)節(jié)速度變慢，會造成尾礦和精礦的劃分不夠精確，穩(wěn)定性較差，因此降低了整個(gè)浮選產(chǎn)物的穩(wěn)定度。而在本文設(shè)計(jì)的浮選設(shè)備中，主要選用電氣控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使控制更穩(wěn)定，也因此保證了浮選的精度和穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的XJ型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的浮選過程中，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其輸出不是保持不變的，而是在事先設(shè)定的范圍內(nèi)波動，這樣會造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁運(yùn)作，因此縮短了執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)備的使用壽命。但本文的8立方浮選機(jī)自動控制液位采用智能優(yōu)化的方式，在被控制的對象到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將其數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并且優(yōu)化內(nèi)置算法，將計(jì)算出的最佳值輸出，再切換成手動的形式將固定的數(shù)值設(shè)為最佳值。同時(shí)為了延長執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備的壽命，避免其頻繁的運(yùn)行，選用專門的液位測量裝置和電氣控制裝置作為浮選機(jī)的自動控制裝置。這樣可以控制整個(gè)浮選過程，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對充氣量的自動調(diào)節(jié)，使整個(gè)浮選流程更加穩(wěn)定。傳統(tǒng)的XJ型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)中在尾礦管中加設(shè)閥門實(shí)現(xiàn)電動控制。這種方法的弊端是敏感度不高，很難進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，其次是對閥門的操作動作過于頻繁，降低穩(wěn)定性，造成整個(gè)裝置出現(xiàn)動蕩問題，不利于礦物的分選，降低效率。而浮選機(jī)自動控制液位的設(shè)計(jì)中進(jìn)行了提高自動控制的精度的設(shè)計(jì)，保障了裝置的整體穩(wěn)定性能，同時(shí)也提高了整個(gè)設(shè)備的效率。

4 立方浮選機(jī)自動控制液位的應(yīng)用

浮選機(jī)自動控制液位在實(shí)際的工作中，表現(xiàn)優(yōu)異，對液位的調(diào)節(jié)能夠做到閉環(huán)控制，以此提高分選環(huán)境的質(zhì)量，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，在浮選柱側(cè)面設(shè)計(jì)的操作箱，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制和人工調(diào)節(jié)相結(jié)合，達(dá)到了浮選機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性要求。通過對執(zhí)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使用電控液控以保證了設(shè)備精準(zhǔn)性又減少了設(shè)備工作的頻率，以此達(dá)到提高設(shè)備壽命的目的。并且在設(shè)備運(yùn)行很長時(shí)間后也沒有出現(xiàn)任何故障問題。通過對液位檢測的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了采礦工藝運(yùn)行的要求，提高了設(shè)備作業(yè)時(shí)的自動化水平，降低了剩余尾礦的品質(zhì)，提升了采集金屬的效率，因此帶來了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。GF-8浮選機(jī)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)十分穩(wěn)定，自動控制液位能夠正常的運(yùn)作，礦漿的泡沫層穩(wěn)定，且厚度可依照采礦工業(yè)生產(chǎn)要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，采礦工藝指標(biāo)十分理想。設(shè)備中的人機(jī)操作界面能夠使工作人員進(jìn)行各項(xiàng)狀態(tài)檢查和控制更加方便。GF-8浮選機(jī)自動控制液位設(shè)備不僅滿足高效化、自動化的采礦工業(yè)的發(fā)展需求，還提高了各技術(shù)的指標(biāo)，最終做到節(jié)能降耗、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益等具有重要意義。

5 結(jié)論

對于采礦量、浮選機(jī)液位和加藥量等工藝參數(shù)，通過合理的設(shè)定都能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定性，增加效率，從而獲得更高的收益。浮選液位控制精度會對金屬收率和精、尾礦品質(zhì)會造成直接的影響，因此，對于浮選液位的控制是采礦工藝中最為嚴(yán)格的，對于浮選機(jī)液位的控制還需進(jìn)行更加深入的研究，以此為我國采礦工業(yè)取得更好的成績打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。