选矿过程自动化技术.ppt

昆明理工大学 黄宋魏,选矿过程自动化技术,技术报告,1 选矿过程检测技术,2 选矿过程控制系统,3 选矿过程综合自动化系统,4 选矿自动化新技术,主要内容,5 结束语,1 选矿过程 检测技术,检测设备是控制系统的“眼睛”。选矿过程环境恶劣，影响因素多，对检测仪表有很高的要求。检测仪表是否精确可靠，往往是控制系统成败的关键。 目前，选矿自动化应用的仪表基本上都已经实现国产化，性能和质量已接近或达到国际先进水平。,1.1 选矿过程主要检测参数,选矿过程需要检测的参数很多，但主要有： 流量(如物料流量、液体流量、气体流量等) 浓度及细度（如矿浆浓度、矿粒细度等） 物位（如料位、液位等） 成分（如pH值、矿石品位、离子浓度等） 电量（如电流、电压、功率、功率因数等） 负荷（如球磨机负荷、破碎机负荷等） 等等。 下面主要介绍物料流量、矿浆浓度、物位、pH值、品位等几个重要参数的检测。,1.2 矿石流量的检测,矿石流量是选矿过程最重要的参数之一，最常用的检测设备主要有电子皮带秤和核子皮带秤两种。,以测量射线穿透物体后射线的能量为计算依据,以测量秤架上的皮带物料重量为计算依据,核子皮带秤,电子皮带秤,测量信号与射线照射单位面积上的物体质量成指数关系,测量信号与物料重量成线性关系,基本 原理,测量 特性,电子皮带秤的主要类型,单杠杆式皮带秤,双杠杆式皮带秤,悬浮式皮带秤,阵列式皮带秤,核子皮带秤的主要类型,点源式核子秤,线源式核子秤,影响检测精度的主要因素,物料成分 物料含水量 皮带上物料断面的形状 皮带跑偏 皮带粘附物料 等等,皮带张力的变化 皮带跑偏 皮带粘附物料 等等,核子皮带秤,电子皮带秤,电子皮带秤与核子秤检测精度的比较,我国JJG811-1993检定规程中，把核子皮带秤的准确度等级只分为1.0、2.0两个等级。,我国JJG1952002检定规程中，把电子皮带秤的准确度等级分为0.5、1.0、2.0三个等级。以前甚至有0.2等级。,核子皮带秤,电子皮带秤,实际应用精度比较及选用建议,精度比较： 在满足应用条件的情况下，电子皮带秤的精度大大高于核子皮带秤。但在不利于电子皮带秤安装的场合，电子皮带秤的精度要大大低于核子皮带秤。,选用建议： 核子皮带秤的放射源属于国家严格管制的物品。应用前必须经过环保部门的审批和备案，应用过程中要接受定期检查。 建议优先考虑电子皮带秤，不得已才选择核子皮带秤。实际上，核子皮带秤只是皮带秤的一个补充。,昆明理工大学智能控制与智能仪表研究室,阵列式电子皮带秤,秤体,主机,测速器,12 矿浆浓度检测,目前，对于矿浆浓度检测的设备并不多，核子密度计仍然是矿浆浓度检测的主要检测设备。,-核子密度计的检测原理,原理：根据射线穿透物体的衰减规律进行测量。射线穿过物体时遵守以下规律,其中，吸收系数 I0入射光强 I透射光强 L物体厚度 d物体密度,密度计实际计算公式为:,其中，d实测物体密度 k密度系数 d0参考点密度 S0参考点密度对应的入射光强数字量 S实测透射光强数字量,当物体厚度、吸收系数固定后，射线衰减仅与密度有关。,矿浆粒度检测主要有浓度对比法和直接测量法,1.3 矿浆粒度检测,（1）浓度对比法 利用磨矿分级作业溢流细度与浓度之间存在一定的对应关系，通过检测矿浆浓度间接检测矿浆的细度。 这种方法投资少，较为精确，维护量少，是目前我国选矿自动化中应用最为广泛的方法。,（2）直接测量法 采用粒度检测设备对矿浆进行检测，直接获得粒度数据。目前常用的粒度检测设备主要有：激光粒度分析仪和超声波粒度分析仪。 在线式粒度分析仪价格都比较昂贵，维护量比较大。目前我国在线式粒度检测设备主要依赖进口，而国产的在线粒度检测设备正逐渐在选矿生产中得到应用。,14 矿浆pH值的检测,矿浆pH值在线检测一直是难题。主要表现在：（1）电极表面容易粘附矿浆及容易结垢；（2）电极维护量很大；（3）电极容易失去活性，需要定期进行活化，使用时间较长后会完全失效。 pH计主要由变送器和电极组成，其中电极是技术关键。 目前可供选择的pH电极主要有： 锑电极：线性度较差，主要应用于含氟离子的场合，测量pH范围在2至11之间； 玻璃电极：线性度好，测量范围在1至12间； 离子场效应管电极：测量范围可以从0至14pH值全程都具有很好的线性度，且不易受到化学腐蚀 。其精度和使用寿命都优于其它电极。因价格较昂贵，国内的应用报道不多。,pH电极的测量原理,三种电极的电位都遵循能斯特（NERNST）公式,水的电离方程式为： H2O+H2O = H3O+OH,式中：E 电位；E0电极的标准电压； R气体常数；T开氏绝对温度; F法拉弟常数； n被测离子的化合价； H3O+H3O+离子的活度。,则,pH= -log H3O+,可见，只要测量电极电位E即可得到pH值,pH电极及变送器外形图,锑电极,玻璃电极,离子场效应管电极,变送器,15 物位检测,主要有：雷达物位计、超声波物位计、压力变送器等。这些仪表技术都比较成熟，但需要根据应用条件正确选择。 雷达物位计：适应性最强，但价格价高，几乎能适应所有的选矿过程； 超声波物位计：价格较低，但不适用于粉尘、雾气严重的场合，也不适用于物料表面不平整的场合； 压力变送器：主要用于水、药液、矿浆等的物位检测。,雷达物位计,超声波物位计,16 品位检测,在线式品位检测设备目前在我国应用并不多，仅限于一些大型选矿厂。 按使用的射线来划分，品位检测设备主要有射线式和X射线式两种。 检测原理都是利用高能射线光子打击原子后散射出与元素品位有关的特征X射线，通过测量特征X射线强度就可以算出目标元素的品位。 品位分析仪价格比较昂贵，选矿厂应用时一般都采用多点采样、单点分析的办法，可以实现一台品位分析仪对多个采样点的品位检测。,选矿过程自动控制系统,2,PLC（Programming Logic Controller，可编程控制器）是目前最为常用的控制主机。由于其性能可靠、功能丰富、价格较低、便于掌握等，在小、中、大型自动化系统中都得到了广泛的应用。约占自动化系统的60%以上。,2.1 控制主机,目前，最常用的控制主机是PLC、DCS和FCS，三者被称为控制系统“三剑客”。,DCS（Distributed Control System，集散控制系统）主要应用于中、大型自动化系统，因其功能与PLC相当，而价格高于PLC较多，其应用受到一定的限制。,FCS（Fieldbus Control System，现场总线控制系统）是一种新型的控制系统。因目前没有形成统一的总线标准且该设备价格昂贵，实际应用不很多。,2.2 PLC、DCS、FCS的比较,FCS是由PLC、DCS发展而来的，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向FCS靠拢的趋势。,最初，为了替代开关量继电器控制，发明了PLC；为了取代模拟量的单回路控制器，开发了DCS。 为了弥补各自的不足，PLC和DCS相互靠拢，目前PLC与DCS的差异已经很小。,后来，为了克服PLC、DCS存在的不足，开发了FCS。FCS可以将模拟量控制彻底分散到现场设备中，是全分散、全数字化，全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4-20mA模拟信号线，给传统的工业自动化系统体系结构带来革命性的变化。,2.3 监控主机,早期，计算机可靠性不高，出现了专门用于工业控制系统的计算机（称为工控机），出现了诸如研华、研祥、研发等工控机开发商。 工控机最大的不足是：价格高，而出产时间比商用机、家用机一般滞后1-2年。,目前商用机性能已经相当可靠，大量应用表明，许多著名品牌的商用机的性能已接近甚至超过工控机。因此，目前大多数控制系统采用商用机作为控制系统的监控主机。 控制系统常用的计算机品牌有IBM、DELL、联想等。,2.4 自动控制系统的设计开发,1、选矿自动化系统的设计开发主要内容,从理论上说，几乎所有选矿过程都可以实现自动控制。但从投资、投入产出、技术成熟程度等方面考虑，选矿厂主要实施的控制有： 碎矿过程控制 磨矿分级过程控制 选别过程控制（浮选控制、加药控制等） 脱水过程控制（精矿脱水、尾矿脱水） 供水系统控制,2、自动控制系统的设计开发,目前，分散控制集中管理的DCS模式仍然占主导地位。DCS由上位站和下位站组成，下位站一般采用PLC或DCS控制器；上位站一般采用计算机。,以PLC为下位主机的DCS性价比最高。目前主要有以下三种最为流行的设计模式： （1）独立型控制系统模式； （2）分布式控制系统模式； （3）分布冗余式控制系统模式。,独 立 型 控 制 系 统,分 布 式 控 制 系 统,分 布 冗 余 式 控 制 系 统,3、选矿自动化系统的开发应用,选矿过程综合 自动化系统,3,3.0 概述,随着经济全球化的趋势日益加强，面对激烈的市场竞争，企业界的主要对策是采用先进的制造技术、信息技术、自动化技术、现代管理技术、系统科学技术有机地组合起来，开发新一代先进的信息、管理、制造技术，这样就产生了企业资源计划(ERP)、生产执行系统（MES）、过程控制系统(PCS)，形成了新一代的综合自动化系统。,ERP建立在信息技术基础上，以系统化的先进管理思想为企业决策层和员工提供决策运行手段的管理平台，构建了一个功能庞大的计算机软件系统，负责生产计划的制订、库存控制和财务管理，侧重于企业的生产组织、生产管理、经营决策等方面的优化，ERP在计划中体现管理本质，在财务中体现管理效率。,3.1企业资源计划(ERP),3.2 生产执行系统（MES）,MES主要负责生产管理和调度执行，通过控制物料、设备、人员、流程指令和设施等所有工厂资源来提高生产竞争力。MES处在ERP和PCS之间，进行信息的转换。 MES执行的是ERP制订的计划，PCS执行MES的指令，MES能将生产目标信息、生产配方信息以及生产规范自动地转换为过程控制设定值。MES将从PCS采集来的生产数据与质量指标进行对比和分析，跟踪或改进生产方案，可以提供闭环的质量控制。,-生产执行系统（MES）,PCS主要由检测仪表、执行机构、计算机系统等组成。计算机系统进行数据采集与控制、数据预处理、过程监控等，直接参与生产过程的多参数控制。,3.3 过程控制系统（PCS）,图3.3 一种PCS系统拓扑图,-过程控制系统（PCS）,完整的工业综合自动化系统框架具有ERP、MES、PCS三层结构特征，为金字塔结构。 该系统结合了先进的工业制造技术、现代管理技术和以先进控制为代表的信息技术，集成了企业的经营管理、生产过程控制、运行与管理等各个方面，将所有这些环节作为一个整体进行控制与管理，最终实现企业的优化运行，提高企业竞争力。,3.4 ERP/MES/PCS的信息化关系,4 选矿自动化 新技术,4.1自动化仪表的数字化、智能化和虚拟化,选矿自动化仪表的发展与其它行业自动化一样，经历了机械式、电子式、微机式几个层次；现场仪表是否具有数字化、智能化和通信化功能是现代仪表的标志性品格。 检测仪表的数字化、智能化实现了同控制装置网络的连接，通过现场总线和工业以太网，实现多方向、多变量数据通讯。 数字化的执行器可以直接接受数字信号控制调节阀开度和其他机构的行程。 一些自动化仪表不再是传统意义上的有形仪表，而是软件的虚拟功能体（如软测量技术）。,4.2 控制系统的分布化技术,传统的工业自动化系统都采用具有集中运算能力的中央控制器，软件程序是面向过程的、需要做大量程序开发工作。 微软公司的Windows平台提供了组件对象模型技术(COM)或分布式组件对象模型技术(DCOM)，为实现分布式自动化提供了技术基础，它们之间可以相互通信并共享数据，并通过网络相互连接、相互交换数据，就像在本地一样。 分布式自动化大大提高了系统的开放性、一致性和适用性，使系统具有统一的工程和数据模型，从而大大降低了工程项目从系统设计、系统集成、交付投运、开车运行直至技术维护阶段的总成本。,基于PC自动化系统的典型配置是在工业PC中插入一个现场总线通信卡，通过现场总线与现场的各类I/O模块、控制器相连接，可以存取现场的所有数据，以完成传统PLC或DCS装置所能完成的各种数据处理和控制任务。,4.3基于PC的自动化和WEB技术,随着WEB技术的日趋成熟，将WEB技术用于工业控制已成为一个新热点。通过在工业控制底层的现场设备中运行嵌入式WEB服务器，可用标准浏览器在Internet的远端对这些设备进行访问与控制，从而实现了基于WEB的远程监控、诊断和系统维护。,4.4 工业以太网技术及OPC技术,现场总线技术在不同厂家设备的相互通信与相互操作问题很难解决，组网规模不能太大。于是现场总线开始转向以太网。现在，工业以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。不同工业以太网设备采用相同的通信协议，易于不同厂家的产品混合使用。相对于DCS系统，其布线量大大减少。,近年来称为万能连接桥的OPC技术得到了巨大发展和广泛应用，OPC可以向用户提供不依靠于特定开发语言和开发环境的可以自由组合使用的过程控制软件或组件产品。OPC诞生之前，智能设备之间的接口没有统一的标准。OPC的产生可以使不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化，使其间的数据交换更加简单化。,4.5