采选自动控制系统

1、 冶金工业自动化冶金工业自动化 第三单元第三单元 冶金工业自动控制系统冶金工业自动控制系统 模块一模块一 采选自动控制系统采选自动控制系统 一、知识点 采选自动控制内容。包括采矿的露天矿、井下、提升系统、矿山固定设备自动控制和 选矿的破碎、磨矿、选别、脱水自动控制等。 采选主要的自动控制系统分析。包括采矿的牙轮钻机、钻车、矿山电机车运输、提升 系统、充填系统自动控制和选矿的破碎机负荷、球磨机给矿和给水、分级机溢流浓度、螺旋选矿机矿浆给人量及浓度、浮选机矿浆液位和药剂添加、矿浆pH值、浓缩机自动控制。 二、知识点分析 1采选自动控制系统内容 采矿自动控制包括：露天矿生产自动控制(电铲、牙轮钻机、

2、电动轮汽车、装药车和带 式输送机的自动控制)，井下生产自动控制(钻车自动控制、井下装运设备遥控、井下电机车运输系统自动控制和振动出矿的半自动控制)，提升系统自动控制(提升机的电气传动控制和监控、架空索道的电气传动控制和保护)，矿山固定设备自动控制(空气压缩机的自动控制、矿井通风机的节能控制、矿井排水自动控制以及充填料制备站的自动控制)等几部分。选矿自动控制包括：破碎生产自动控制(破碎过程顺序控制、破碎机负荷自动控制、破碎机负荷及排矿口自动控制、分矿小车自动控制等)，磨矿生产自动控制(磨矿机给矿量自动控制、磨矿浓度前馈控制、溢流浓度定值自动控制、磨矿多变量综合自动控制系统、二段磨矿负荷及产品粒度

3、自动控制(含球磨机负荷控制、棒磨机定值给矿控制、棒磨机磨矿浓度控制、旋流器溢流粒度定值控制、砂泵池液位控制和自动调整棒磨机给矿设定值控制)等)，选别生产自动控制(浮选矿浆PH值自动控制、浮选加药量自动控制、浮选槽液位自动控制、浮选槽充气量自动控制、浮选过程多参数综合自动控制、选矿过程最佳化控制、螺旋溜槽给矿自动控制、离心选矿机自动控制等)，脱水生产自动控制(精矿脱水自动控制、浓缩机底流排矿浓度自动控制、浓缩机自动控制)等L部分。 2采矿主要自动控制系统分析 (1)牙轮钻机自动控制系统 牙轮钻机自动控制系统主要是穿孔过程自动控制(见图3-1)，包括下列5部分： 1)回转速度自动控制装置 为使钻机

4、保持最佳穿凿状态，钻具回转机构能根据不同矿岩、自动选择不同的转速。其他辅助作业如上、卸钻头，接、卸钎杆等采用手动控制。 2)推进速度控制装置 它由一台可逆叶式液压马达带动钻具沿钻架作直线运动。当矿岩硬时钻进速度降低过测速发电机反馈改变伺服阀给油量，以控制液压马达的推进速度。 3)牙轮钻机的监控装置 在钻机钻进过程中出现穿凿条件不规则和不连续时，钻杆会产生偏心运动而损坏钻头，由一个永久磁铁和用弹簧悬挂在磁铁磁场内的线圈构成水平振动传感器。当钻机水平振动超过预定值并延续一定时间后就降低钻具回转和推进速度，直到过大的水平振动消除为止。其他监控信号为：回转电动机主回路的电流、风压(防止岩层有水造成钻头

5、堵塞而使排渣主风机风压过高)、轴压压力(防止钻进时轴压太高而顶起钻机)、垂直振动(防止钻杆和钻机垂直振动过大)。超限时降低推进速度或提升以保护钻具不致损坏。 4)注水控制系统 在钻机穿凿作业中，必须从钻孔排出岩碴。注水控制系统将在压缝中注入适当的水，以湿润和凝聚粉尘，使粉尘量降到最低限度。 5)孔深测定装置 孔深测定装置主要用以确定终止开孔、注水、停钻或提钻的深度，并据此使钻机进行自动程序操作。此外操作人员还可借此掌握穿孔深度和监视钻机工作。 1)全自动控制方式 将按预定凿岩模型全自动凿岩。将设计的炮孔参数，即相对于巷道轴线的每个炮孔的位置、角度和深度，编制成凿岩模型程序，存储在计算机内。系统

6、还存储有炮孔布置模型(以免炮孔组在老炮窝上开孔)、平巷轴线向其他参考点之间的关系数据。不管钻车处在工作的任何位置，只要使第一根钻杆与激光束或其他参考方向成一直线，并按压导向按钮，微机便根据钻车的位置与存储器中的凿岩模型之间的关系操纵钻车作业。操作者可在任一点干预(例如更换钎头或重新钻凿一个炮孑L)，然后重新转入自动。在显示屏上能显示全部钻孔的布置模型，指示哪些炮孔已经钻完和将要钻进，同时显示每个炮孔钻进中的图形。提供岩层变化的直接信息，以便操作工决定更换钎头的最佳时间，屏幕还能显示钻臂与预定轴线的相对位置。 2)操纵杆控制方式 由操作者发出命令通过微机执行，即任何需要的动作(包括位置、方向和角

7、度的改变等)，只要简单移动操纵杆即可有效而精确地完成。 3)手动控制方式 操作者用操纵杆直接操纵各个钻臂，微机只显示钻机的钻进情况。 (3)矿山电机车运输系统集中控制 一般使用频率制集中控制设备(见图3-3)，它采用一根外径为16mm的同轴电缆同时传输100个控制信号，这种系统比之多线制可节约大量多芯电缆，减少投资，可以由控制室向各被控制点发出不同频率的信号(例如ZD1)，以控制被控点的设备(例如由TS1接收)。也可由被控点发出不同频率信号(例如ZD1)，在控制室接收(例如TS1)。所用振荡器是串联调谐型；各振荡器之间用电阻隔离。前置放大器为一高增益10kHz带通放大器，并采用差接桥型晶体滤波

8、器以提高选择性。放大回路均采用单调谐回路选频放大。本装置的主要技术指标为：频率数100个、频率范围90140kHz、频率间隔500Hz、晶体振荡器的频率稳定度约105、传输衰耗0066dBkm、接收机信噪比10dB、使用环境条件温度为1040，湿度85。 (4)提升系统的自动控制 提升系统是地下开采矿山的咽喉，不管是箕斗提升还是罐笼提升，也不管是摩擦式提升还是缠绕式提升，它的运行方式都是反复的起动加速一等速一减速一低速爬行一停车，是典型的位势负载。提升系统的传动有采用交流绕线转子电动机传动、直流电动机传动以及交交变频同步电动机传动，采用交流电动机和交交变频是当代提升系统的主流。以下以某矿国产功

9、率最大的提升系统(见图3-4)作为例子，介绍系统的功能。 1)行程控制(见图3-5) 采用位置闭环控制来保证提升箕斗在预定地点准确停车。系统根据来自PIE系统的选择信号确定提升行程给定p*、最大加减速度 。、最大速度 ，结合行程检测的实际行程、实际速度和行程位置得到行程控制设定曲线。自动运行时，将自动设定位置给定p*和速度给定V*；手动运行时，则按主令手柄的给定速度给出行程设定曲线。maxmax/adaam axV 为确保安全、准确停车，位置闭环调节将确保位置精度在重载时002m，轻载或空载时001m。位置闭环控制是通过与滚筒同轴连接的增量式光电码盘检测提升箕斗的实际位 置。考虑到钢丝绳伸长的

10、影响，在箕斗减速点之前设置一个井筒开关对行程检测进行校正， 同时，控制软件还设有匹配系数，可实现自修正。 2)负荷平衡控制 本系统由两台电动机驱动，两台电动机与滚筒为直连结构，在双机运行时，通过负荷观测器实时计算两台电动机的转矩，当两转矩的差值超过最大转矩的3时，负荷平衡控制环节投入，调整电动机的电流给定值，达到两台电动机的负荷平衡。 3)静力矩预控制 提升机提升操作时，在带负荷起动的初始阶段，若电动机转矩不足以克服箕斗装载量所构成的阻转矩，就有可能在负载的拖动下电动机倒转，发生箕斗下溜的现象，造成卸载位空箕斗过卷，引发安全回路动作。为此，引入静转矩预控制环节。针对由负载和箕斗尾绳配重不平衡所

11、造成的阻转矩，程序中均进行静转矩给定量的补偿，同时，考虑到电动机加速运行与匀速运行的差异，以实时的加速度变化为依据进行静转矩的预给定补偿，这些预给定量构成静转矩预控制环节。当电动机带负荷起动时，投入静转矩预控制功能，加入额外的电流预给定，以防止起动瞬间因电动机转矩不足而造成箕斗下溜现象的发生。 4)运行模式控制 为了安全和可靠，控制系统采用两套PIE(主控PLC和监控PLC)，主控PLC实现提升过程逻辑控制、继电器安全回路控制、液压站控制和重要故障的显示和报警；监控PLC实现提升系统的监视(位置和速度监视及其他监视)、软件安全回路控制、简易开车等功能。 抱闸控制PLC与抱闸控制柜共同实现安全制

12、动、恒减速制动功能，并具有检测闸间隙、盘偏摆和闸盘温度的功能。通过司机台控制提升机的运行。正常运行时，两套PLC都具 对系统的监控和保护。当任一台PLC出现故障，另一台都可完成简易开车(手动操作)。两台电动机与滚筒同轴连接，正常运行状况为双电动机同步运转，当任一台电动机出现故障另外一台电动机可独立承担提升机单电动机运行，实现传动冗余控制。 5)故障处理 对于轻故障，如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车，并报警；如果当前提升处于运行状态，则继续运转完成本次提升循环后，再发出报警，而且在停车后故障未被排前禁止开车。对于较重故障，如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车；如果当前提机处于运行状态

13、，则进行电气制动，使提升机以正常的减速度减速、停车、抱闸。对于重障，PLC系统根据故障的分类使快速开关跳闸或高压开关跳闸。如果当前提升机处于停车态，则不允许开车并跳闸；如果当前提升机处于运行状态，而且故障点位于减速点之前，首先选择跳闸，再对提升机实施恒减速制动；如果故障点位于减速点之后，则电气跳闸后以二级制动；如果故障点位于减速点之后且靠近井口，则立即紧急制动。 6)安全保护和监视监控系统对提升机系统的运行状态进行监视，包括位置(过卷和位置同步等)监视和速度(超速、连续速度、逐点速度、滑绳等)监视。正常运行时，主要的监视功能由监控PLC承担，它同时还对主控PLC进行监视，主控PLC只完成部分监

14、视功能，如闸盘温度、闸盘偏摆、闸盘磨损、轴承温度、电动机温度等。222123(/3/3)FR hR hR h (5)充填系统自动化 充填自动化大都用PLC控制(见图3-6)，包括下列部分： 水泥和灰砂配比自动控制。用靶式流量计1测量水泥加入量。将射线浓度计2和电磁流量计3的测量结果送到固态物料计算器4，算出矿浆中干砂量。按所需灰砂比由配比调节器(XIC)自动改变螺旋给料机的转速，控制水泥加入量，使之与砂子的配比保持恒定。 充填料浆浓度的测量和自动控制。用射线浓度计6测量出填料浆的浓度并由控制器(DIC)控制水流量控制系统的设定值使混合料浆浓度达到预定要求。为了保证浓度稳定，设有水砂流量控制系统

15、，它由电磁流量计、控制器（FIC）、执行机构和橡皮夹管阀7组成。 搅拌桶液位自动控制。由超声波液位计8测定搅拌桶料浆液位，并控制橡皮夹管阀10使搅拌桶液位保持恒定。 料浆流量测量。它使用电磁流量计来测量。 报警系统(图中未示出)。为了防止井下管路因堵塞而压力过大，故要当压力超限时发出警报，如再升到危险值时，充填站管道安全门便自动开启，使清洗水自动进入井下管路。 水泥仓、水砂仓等均设有料位计，在控制室将自动显示水砂、水泥等料位。3选矿主要自动控制系统分析 (1)破碎机负荷自动控制 一般是根据破碎机传动电动机消耗的有功功率来控制给矿量(见图3-7)。也有根据破碎机轴瓦压力或破碎机矿石料位高度来控制

16、给矿量。自动控制系统通常采用PID算法，但由于破碎机负荷受着给矿量、矿石性质等因素随机变化的影响，且滞后较大，采用自组织模糊算法进行控制可得到较好的效果(某厂破碎机驱动电机最大允许功率为200kW，用n或PID控制时只能给定在150kW，尚不能避免停产事故发生，而使用自组织模糊算法进行控制以后，就允许给定在195kW，使生产率提高13左右，并避免电动机过载而发生停产事故)。 (2)球磨机给矿自动控制系统 磨矿理论证明：保持磨机的合理装载量能提高磨机的处理能力，装载量偏大偏小都会使生产率下降，装载量过大还会使磨机过载。磨机的装载量包括磨机内的介质和矿浆量总和，它取决于给矿量、返砂量、装球量和给水

17、量等。因此，控制磨机给矿量可使磨机的装载量保持在某一合理值。磨机给矿量自动控制系统主要有下列3种方法： 不考虑矿石性质和磨矿条件变化的恒定给矿自动控制系统。 考虑矿石性质和磨矿条件变化的自动改变给矿量控制系统。 自寻最佳值的自动控制系统。目前多用第二种控制方式(见图3-8)。 磨机的装载量是难以直接测量的，通常用磨矿噪声强度、磨机传动电动机消耗的功率或磨机轴瓦压力来间接反映。由于球磨机本身的重量和其中钢球的重量占了球磨机重量的绝大部分，所以磨机传动电动机的功率对磨机内矿石充填率的变化是不大敏感的，而测量磨机轴瓦压力只有液压传动才能实现。故用检测噪声强度来反映球磨机的装载量较为可行。LSS 球磨

18、机的自动给矿系统除了采用保持磨机合理装载量的给矿方式以外，还有用返砂量S与新给矿量Q (th)的加权和等于常数C以保持磨机的合理循环负荷方式，即 Q+KS=C 式中，K为与矿石平均可磨性有关的系数；S为返砂量(th)。 由于返砂量难以直接测量，而用分级机的电动机消耗功率来间接反映，因此它比按磨机噪声强度来控制性要差。S (3)球磨机给水(矿浆浓度)自动控制系统 磨矿浓度难以直接测量，一般按总给矿量成比例地控制给水量W(th)(见图39)，即 式中K1,K2，为比例系数。当返砂浓度与排矿浓度相差较小时，可按新给矿量比例控制给水，但因磨机给水还起着将分级返砂冲进磨机的作用，故当新给矿量小到一定值时

19、，给水量应保持在某下限值。12WK QK S (4)分级机溢流浓度自动控制系统 分级机所溢流的矿浆中矿物的粒度过大，达不到矿物单体分离，会严重影响选别效果；粒度过细，会降低生产率和增加成本。在没有载流粒度检测装置的情况下，可通过控制分级设备溢流浓度来实现磨矿粒度控制。矿浆浓度T与矿浆密度与矿石密度的关系为 式中，为矿浆密度( )；为矿石密度( )。 分级机溢流粒度与溢流浓度有一定关系。一般来说溢流浓度大、粒度粗，溢流浓度小、粒度细，因而控制分级机的溢流浓度就可间接也控制分级机的溢流粒度。 一般用吹气式密度计来测量溢流矿浆浓度，并控制给水量来控制分级机溢流浓度。3/ t m3/ t m%100%

20、 (1)/ (1)T (5)螺旋选矿机矿浆给入量及矿浆浓度自打控制系统 螺旋选矿的控制系统见图3-10。待选矿浆给人锥形泵池，再由泵扬送到恒压给矿斗。当1人的矿浆未充满恒压给矿斗时，自力式液位控制器补充稀释用的新水。当进入矿浆量大于给矿斗流出矿浆量时，则上部液体流出(浓 图3-10螺旋选矿机矿浆及浓度自动控制系统缩)，由于恒定了恒压给矿斗液位，故输出矿浆量基本恒定。恒定给矿斗的矿浆送至矿浆分配器，把矿浆分成一定等分，其中一部分输入经常工作的螺旋选矿机，另一部分则经可控摆动漏斗输入被控螺旋选矿机或返回泵池。由密度计测出的矿浆密度变化情况，通过控制器及逻辑装置控制螺旋选矿机投入的台数。这样，控制返

21、回泵池矿浆量，矿浆便自动地在锥形泵 池和恒压给矿斗中浓缩或稀释以进行浓度控制。 (6)浮选机矿浆液位自动控制系统 常用的液位控制方法有浮子法及吹气反压法。后者在矿浆中插入一根内径为20mm左右的管子，从上端送人恒压或恒流空气，下端连续地放出气泡，则测压管的背压p为 式中，为矿浆密度( )；h为测压管插入矿浆深度(m)。 在矿浆密度不变的情况下，p与h成正比，实际上，上式右边还应增加一项 ，式中即 式 为泡沫层平均密度； 为泡沫层厚度。 由于测压管插入一固定位置，因此只要检测九就可以确定浮选槽的液位。测压管的背 压经差压变送器、控制器、执行器，使矿浆闸门动作以维持液位恒定(见图3-11)。ph3

22、/kg mhphhh (7)矿浆pH值自动控制系统 浮选作业中，pH值对选别指标有很大的影响，各种金属矿物都随pH值呈现不同的可浮性，同时浮选药剂的性能也随pH值而变化，故自动控制浮选机矿浆pH值(图3-12)很有必要。由于矿浆中含有矿粒，故用玻璃电极效果不好，而采用锑电极作为pH值检出元件。另外，由于添加的石灰水含有颗粒，渣子多，用一般阀门易堵塞，可采用旋塞开槽阀门，效果较好。 (8)浮选药剂添加自动控制系统 浮选药剂的添加直接影响选别指标，特别是机械搅拌式浮选机，难以控制其充气量，来达到所要求的浮选指标，因此药剂添加自动控制具有重要意义。图3-13是浮选黄药添加自动控制系统，被控变量是尾矿

23、品位，操纵变量是黄药等。由于浮选时间通常是十到几十分钟，对象容量大，要得到好的控制品质，需要采用前馈-反馈控制系统，图中，给矿和尾矿的品位用X射线荧光分析仪检测，给矿量用矿浆干矽量测定仪检测。(9)浓缩机自动控制系统 浓缩机需要在待浓缩的矿浆中加一定量的絮凝剂，以使矿浆中矿粒形成絮团，加速沉降，以提高矿浆浓缩效率。典型的浓缩机自动控制系统具有如下3个控制子系统(图3-14)。 1)底流排矿浓度闭环控制子系统它将浓缩机的底流排矿浓度稳定控制在一个给定的范围。如图3-14所示，矿浆浓度计检测的浓度值与浓度给定值比较并产生偏差信号，经PID运算控制砂泵电动机的转速，来改变底流排矿量，使底流矿浆浓度稳

24、定在给定值。在该控制系统中，其控制模型函数式为 式中， 为底流调节增量； 为底流浓度的偏差值； 为浓度偏差的函数式。111()dddufe1du1de1df 2)絮凝剂添加量闭环控制子系统 该控制环控制絮凝剂的添加量，将絮凝矿浆的界面高度控制在一个给定的范围内，以保证溢流水指标在合格的范围内。本控制环为絮凝矿浆界面稳定控制，是多变量的控制系统，其控制模型函数式为 式中， 为一加药调节增量； 为给矿量增量； 为界面高度偏差量； 为底流浓度偏差量； 、 、 为给矿量、界面高度、底流浓度这3个参变量的函数。 给矿量增量比例函数； PID运算的离散方程； 为PD运算的离散方程。3)药剂稀释补加水自控系

25、统该控制环是将0.2浓度的絮凝剂稀释为0.02的浓度。该控制环是只有个参变量的比例调节系统，其控制模型函数式为 式中，Uxs为药剂稀释补加水量； 为絮凝剂添加量；Kxs为稀释补加水比例系数。 1()()()jygkgkimimdiduflflfljyug kliml1dlg kfimfdif( )gkgkfl()imimfl1()didflXSXSjyUKLj yL三、思考题 1采矿自动控制有哪几部分，各部分包括什么控制系统? -参考答案：采矿自动控制包括：露天矿生产自动控制(电铲、牙轮钻机、电动轮汽车、 装药车和带式输送机的自动控制)，井下生产自动控制(钻车自动控制、井下装运设备遥控、 井下电机车运输系统自动控制和振动出矿的半自动控制)，提升系统