浮选作业配药和加药自动控制系统的设计及应用.pdf

矾有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第4 期 d o i l O ．3 9 6 9 ，j ．i s s l l ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．0 4 0 1 8 浮选作业配药和加药自动控制系统的设计及应用 徐维超1 ，黄宋魏1 ，梁燕2 1 。昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．昆明理工大学信息工程与 自动化学院，昆明6 5 0 5 0 4 摘要为使浮选药剂按工艺要求及时配制和准确添加，设计一种集配药和加药于一体的自动控制系统。实际应用表 明，该控制系统实现了配药和加药作业的高度自动化，在降低药剂消耗、提高浮选效率等方面具有显著效果。 关键词浮选；配药；加药；自动控制 中图分类号仰1 4 6 3 ；1 D 9 2 8 ．9 文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 3 0 4 删0 5 1 №A u t | 咖a a cC o n 白问S y s 白唧D e s i 印a n dA 呻H 昀‰o fn 砷砌眦0 p e r 舶邮’C h e m 油l D o s i n g 锄dA 甜i t i 蚰 X UW 矾c k ∥，巩秘ⅣGs o n 俨西1 ，L 酗ⅣG 甄l 扩 Q ．‰l l 蚴0 厂k 【n dm s D M 脱E 吲船州叼，匝l n 棚叼孤t D e r S 的。厂S c 切l c e 锄d ‰h 加均可， 盈l n m i 叼6 5 D D 9 3 ，傩f 眦；2j k u 蚴。厂I 境向仃n n t i o ，tE 咧艘一叼n n dA u t o “ m t 缸吼，皿册n z 哪 啪D e r S 蚴D 厂跚e 舭口以‰h n o 蛔，弛n m i 叼6 5 D 5 舛，观i 砌 A b s t n 地t I no f d e rt om a l 【e t l l en o t a t i o nr e a g e n t st i m e l yd o s i n g 锄da c c u r a t e l ya d d i t i o ni na c c o r d 粕c e w i t l lt h et e c l l I l i c a l r e q l l i r e m e n t s ， a I la u t o m a t i cc o n t m ls y s t e mi n t e 耐i n g r e a g e n t sd o s i n g a n da d d i t i o nw a s d e s i g I l e d ，1 1 l ep 删t i c a l 印p l i c 撕o n s h o w e dt h a tt h i sc o n t m ls y s t e mr e a l i z e st h eh i g ha u t o m a t i o no fr e a g e n t s d o s i n g 锄da d d i t i o n ， 蛐di nt } I e 船p e c to fr e d u c i n gr e a g e n tc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n gf l o t a t i o ne 岱c i e n c y ， i t h a ss i g n i f i c 肌te 艉c t ． K e y 、釉r 司b n o t a t i o n ；d i s p e n s i n g ；c h e m i c a ld o s i n g ；a u t o m a t i cc o n t r o l 配药和加药是浮选作业最重要的环节之一，配 药是为浮选作业及时准备足够的药剂，加药则是根 据工艺流程需要，准确的加入需要的药量。长期以 来，配药一直是由人工操作，而加药在大多数选矿 厂也是由人工来操作。由于浮选流程药剂种类多， 过程复杂，加药点数量大，靠工人很难做到及时准 确的配制和添加，并且劳动强度很大，不仅影响生 产，而且容易造成药剂的浪费[ 1 圳。为此本文研究 一种集配药和加药于一体的自动控制系统，以实现 配药和加药的高度自动化，减轻工人的劳动强度， 提高浮选生产指标和节约药剂消耗。 1 配药和加药的控制原理 1 ．1 配药控制原理 首先根据药剂配制浓度要求以及搅拌桶的体积 按8 0 ％计算 ，按公式m 水 m 药 1 一C ，C 估算加水 量及药剂量，其中C 为药剂百分比浓度，m 药为加 入药剂的质量，m 水为加入冷水的质量。而水位的 高度 加水量 则通过实物进行标定。方法是往 搅拌桶加入计算获得的水量，记录其高度，然后将 开关型液位检测仪的电极安装在液面相应的高度。 根据配药系统的硬件设计，配药的控制工序 为检查并关闭排放阀一 加水- 加药_ 搅拌_ 排 放_ 关闭排放阀。为了精确控制药剂的浓度以及减 少控制系统的硬件投资，加水量通过电磁阀控制， 水量由开关型液位检测仪检测，也就是当加水量达 到要求高度时，开关型液位检测仪发出数字信号， 由控制系统关闭加水电磁阀。 收稿日期2 0 1 2 0 r 7 1 1 修回日期2 0 1 3 一0 5 2 0 作者简介徐维超 1 9 8 4 _ ，男，安徽太和人，硕士研究生，研究方向为选矿自动化及计算机应用。 万方数据 2 0 1 3 年第4 期徐维超等浮选作业配药和加药自动控制系统的设计及应用 6 5 1 ．2 加药控制原理 目前控制药剂量添加的方法很多，如电磁流量 计加电动阀、计量泵，定量装置等，但用这些方法 控制加药投资较大，装置复杂，对于加药点多，加 药量很小的情况，使用这种方法并不合适。本控制 系统利用电磁阀孔口流的基本原理和间断加药方式 对加药量进行控制，通过控制电磁阀开／关时间来 控制加药量[ 1 ] 。该方法简化了机械装置、节省了 投资，同时也提高了系统加药的准确性。 图1 为电磁阀加药装置示意图[ 3 ] ，根据流体 力学原理，药液在电磁阀处的流动速度为[ 4 ] M 型墼邓、／孕矿 1 、／a 其中妒为流速系数，a 为动能校正系数，f 为机 械能损失系数，g 为重力加速度，龋为图1 所示的 液位差。单位时间内通过电磁阀的体积流量K 为 K Iu 山 J S ■⋯●●⋯●一 ●●●⋯●■⋯ ●⋯●■⋯ 莆 ●⋯●■一●一 ⋯ 2 恒压箱 电磁阀 图1电磁阀加药装置示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i 明阳mo fs o l e n o i dV a l V er e a g e n t d o s i n gd e v i c e 式中，S 为电磁阀管口的等效面积，当电磁阀 完全打开时，设电磁阀管口等效面积为 ，则 K 幽邓S 、／孕F 3 y 刊n“ 由式 3 可以看出，对于液位恒定的药剂，即 药剂液位差△J l 恒定，动能校正系数和机械能损失 系数基本不变，从而流速系数9 基本不变，那么安 装于恒压储药箱侧面底部的电磁阀单位时间内流出 的药剂量是基本恒定的。通过式 4 K 讹标定得 出电磁阀单位时间内的加药量，即流量系数K m U s ，对于设定的每分钟加药量y m L ，电磁 阀在1I I l i n 内打开的时间t y 废 s ，对于控制周 期为r 单位为s 的情况，每个控制周期内电磁 阀的动作时间为t 6 0 懈r ，这样通过周期性控制 电磁阀打开的时间就可控制加药量。 若加药量很小，由式 2 可以看出，电磁阀的体 积流量还与电磁阀管口的等效面积有关，当电磁阀 在打开或者关闭的瞬间，电磁阀未完全打开或者关 闭，这段时间的药剂流量与时间并不呈线性关系。 药剂流量与时间的关系如图2 所示[ 3 ] 。 流量 0 ‘l￡2t 3 时间 图2 药剂流量与时间关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e a g e n t s ’n o wa n dt i m e 假设电磁阀打开和关闭的动作时间分别为￡，和 ￡，一￡，在这段时间流出的药液体积为△y 。用量筒分 别量出电磁阀打开时间兀，乃和死的药液量y ，，y 和y ，，其中y 。，y 和y ，可以多次测量后取平均值。 肚等 并 晋 ㈤ 一兀一t 1Z 和l死一“ ⋯7 y K ￡一t J △y 6 由 5 式，可以计算出t 。，△y 和K ，代入式 6 即可求出时间￡与加药量y 的关系式。 2 控制系统硬件配置 控制系统由计算机、可编程控制器 P L C 、 液位检测仪表、电动阀及电磁阀等组成，如图3 所 示，上位机采用D E L L 商用机，采用一块c P 5 6 1 1 通讯卡安装于计算机主板的P C I 插槽内，使计算机 与P L C 进行通讯，监控系统采用组态软件 鼬n g v i e w 6 ．5 3 进行开发，控制和管理下位主机。采 用西门子P L C 一2 0 0C P u 2 2 6 C N 作为下位主机，该 P L C 拥有2 4 路输入和1 6 路输出点，并可最多扩展 7 个模块，最多可扩展至1 2 8 I ／O 。 3 工艺控制流程 控制系统流程主要分为配药和加药两个部分， 配药由给药机、搅拌桶、储药箱等组成，加药部分 由恒压储药箱、电磁阀和管道等组成。以丁基黄药 为例，配药及加药工艺流程如图4 所示。 3 ．1 给药机 给药机的称量斗是一个约为0 ．6m 3 的容器， 万方数据 6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第4 期 I ￡D 监视器 P C 网 液位投入式称量 一I 辨2 咖M 卜 加药电加水电动 给药机搅拌机 继电器液位计 变送器磁阀组 电磁阀排放阍 图3 控制系统结构 F i g ．3 S t m c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m 至浮选 图4 丁基黄药的配药及加药工艺控制流程图 F i g ．4 P I o c e s sc o n t r o ln o w s h e e to fb u t y lx 锄t h a t ed o s i n g 蚰df e e d i n g 给药机上安装有称重传感器，每次往搅拌桶给药 时，采用减量的计量方式。若每次配药质量为形药， 给药前的重量为形。，那么当称量斗重量为形 形。一 形药时停止给药。当形低于设定值时系统报警，提 示工人将药剂加入到给药机内。 计 3 ．2 搅拌桶 搅拌桶内安装有开关型液位检测仪的电接点， 两个电接点固定于设定好的高度，当加水到此高度 时，发出一个数字信号，由P L C 关闭加水电磁阀。 搅拌桶下部安装有电动阀，对配制好的药剂进行 万方数据 2 0 1 3 年第4 期徐维超等浮选作业配药和加药自动控制系统的设计及应用 6 7 ． 排放。 3 ．3 储药箱 储药箱是一个容积比搅拌桶大的容器，确保每 次配制的药剂可以全部排放到储药箱内，储药箱入 口处设有滤网，防止渣质进入储药箱。储药箱内放 有投入式液位计，用于检测液位高度，当液位低于 设定值时，系统开始配药。投入式液位计为两线 制，输出4 2 0m A ，量程O 一3m 。 3 ．4 恒压储药箱 恒压储药箱人口处安装有滤网和浮球阀，浮球 阀是一种液面恒定装置，液位上升时，浮球阀内的 橡胶活塞垫逐渐关闭，液体流量减少直至停止，反 之，液位下降时，液体流量逐渐增大，从而保证恒 压储药箱内液面基本恒定。 3 ．5 电磁阀 加药电磁阀安装于恒压储药箱的侧面底部，加 药电磁阀为不锈钢材质，电源电压为2 2 0VA C ， 通过P L C 控制电磁阀打开和关闭时间，即可以定 量地控制加药量。 4 控制及监控 n 昏5 控制系统上位软件采用组态软件K i n g v i e w 6 ．5 3 进行开发，控制系统软件开发主要从以下几个方面 进行。 4 ．1 配药及加药控制 配药控制配药控制设有两个独立的程序，分 别是给药机重量监视程序和配药程序。P L C 实时监 视给药机重量和储药箱液位，当给药机重量低于下 限时，报警提示工人将药剂加入到给药机内。配药 控制设有自动／手动切换功能，当储药箱液位低于 设定下限时，若选择自动配药，系统自动配药；若 选择手动配药，系统报警提示配药，工人按工艺要 求逐个点击关闭排放阀、加水、加药、搅拌、排放 等步骤，任意一个步骤达到系统设定值，均有报警 提示，工人可以随意操作以上几个步骤的启，停操 作。P L C 自动配药控制框图如图5 所示。 加药控制P L C 为每个电磁阀设置两个定时 器，对应电磁阀打开时间和电磁阀加药周期。每个 加药周期电磁阀通电一次，加药时间到后，电磁阀 断电并等待下一个加药周期。 4 ．2 监控软件 监控系统软件用于配药及加药控制系统的监控 和管理，主要具有以下功能。 1 模拟工艺流程画面该画面下可以很直观 图5P L C 自动配药控制框图 T h ec o n t r o lb 1 0 c kd i a 印mo fP L Ca u t o r r 斌i c d i s p e n s i n g 地看到模拟现场的工艺流程，很方便地了解各测控 点的数据情况。 2 操作面板采用软件开发的操作面板替代 硬件的操作面板是目前自动化系统监控的发展趋 势，本控制系统也根据控制功能及操作要求开发了 相应的操作面板，控制系统的操作主要在此操作面 板画面上进行。在该画面下，可以设定各加药点的 参数，控制各加药电磁阀的启／停，配药的自动控 制或者手动控制切换，以及报警都在该画面下进行。 3 历史数据提供配药及加药过程中消耗的 药剂量及累计量、各加药点加药量的历史数据。提 供历史数据记录和查询功能，通过对历史数据的分 析，可以掌握加药量与选矿生产指标的关系，从而 指导浮选生产。 4 电磁阀标定由于受药剂性质、药液流经 的管路特性、恒压箱内药液的高度等因素影响，控 制系统在投入使用前必须对电磁阀进行标定标定 的步骤是首先设定一个加药时间，用量具量出这个 时间的加药量，通过电磁阀标定画面输入这个加药 量，计算出单位时间的加药量，即流量系数，写入 P L C 后即生效。这个流量系数将作为控制系统计算 控制电磁阀开／关时间的依据。 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第4 期 5 打印报表可根据需要输出每天任意两个 时间段的报表，报表文件为E x c e l 格式。若计算机 上安装有打印机，可以直接打印报表。 6 远程监控可以在联网的任意电脑上，打 开控制系统监控画面，工程技术人员可以很方便地 远程指导生产。远程监控需要权限，也对同时访问 的计算机数量进行限制。 5应用情况 本控制系统于2 0 1 1 年1 2 月在云南某选矿厂投 入应用，用于硫化矿浮选作业和钨矿浮选作业的配 药与加药控制，共有丁基黄药、硫铁抑制剂、 z 2 0 0 、G Y l 0 、水玻璃、碳酸钠、氢氧化钠等7 种 药剂，其中丁基黄药、G Y l O 、碳酸钠、氢氧化钠 需要加水配制。选矿厂共有5 5 个加药点，根据浮 选作业的不同，加药点的药液添加量从每分钟数毫 升到数千毫升不等，而且药剂添加点较为分散。经 半年多的实际生产考核表明，该控制系统性能可 靠、控制效果好，在选矿过程中有效提高选矿指 标，稳定生产，降低药剂消耗，减轻工人劳动强 度，改善工作环境，降低有毒有害药剂对人体的伤 害。主要体现在以下几个方面。 1 提高配药、加药的控制精度。配药相对误 差小于2 ％，加药平均相对误差小于2 ％，远比人工 操作更加精确，药剂添加准确及时，操作简单方便。 2 药剂节约显著。由于浮选作业加药点很多 且比较分散，操作工人很难及时根据实际需要进行 调整，经常出现药剂过量或不足的现象，控制系统 投入运行后，每班仅需要1 名工人即可完成所有药 剂的配制和添加，并且工人不需要接触药剂，大大 地减轻工人劳动强度，降低了药剂对工人的伤害， 节省了药剂消耗，与控制系统投运前比较，平均节 约药剂2 8 ％。 3 稳定并提高了选厂生产指标。本控制系统 投入使用后，铜精矿品位提高1 ．2 ％，回收率提高了 2 ．8 ％，钨精矿品位提高2 ．3 ％，回收率提高了3 ．4 ％。 6 结论 随着矿产资源的日渐贫化和市场竞争的日益激 烈，如何充分有效地利用有限的资源、提高企业的 市场竞争力，实现生产过程自动化、信息化是我国 选矿企业深化改革、生产和技术上台阶的必由之 路。近年来，国内许多大型选矿企业在技术改造 中，用新工艺、新技术、新方法开展了创新改造工 作，使企业的设计自动化、生产过程自动化、设备 智能化的水平有了较大提高[ 5 ] 。许多选矿企业已充 分意识到必须采用自动化技术才能进一步提高选矿 厂的技术经济指标。本文设计开发的控制系统已在 多个选矿厂的浮选作业推广应用，生产考核表明， 该控制系统性能可靠，维护方便，故障率低，对节 省选矿药剂，提高选矿生产指标具有显著作用，值 得推广应用。 参考文献 [ 1 ] 王丰雨，黄宋魏．选矿厂自动加药系统的开发与应用[ J ] ． 矿业工程，2 0 0 6 ，4 6 4 2 4 ． [ 2 ] 陈蜀．基于P L C 的浮选自动加药控制系统的开发与应 用[ J ] ．电工技术，2 0 0 7 2 4 0 - 4 1 ． [ 3 ] 黄宋魏．新型数控加药系统的研究[ J ] ．有色金属 选矿 部分 ，2 0 0 5 2 3 8 ．4 1 ． [ 4 ] 李家星，赵振兴．水力学[ M ] ．南京河海大学出版社， 2 0 0 l 2 4 2 2 6 0 ． [ 5 ] 周俊武，徐宁．选矿自动化新进展[ J ] ．有色金属 选矿 部分 ，2 0 1 1 增刊 4 7 5 4 ． 万方数据