小型矿山破碎筛分系统自动化改造设计及应用

赵孟阳，肖放萍，洪 顺，鲍光华

（南昌矿山机械有限公司，江西 南昌 330000）

矿产资源的开发与利用是推动社会经济和科学技术发展的基础，尤其是近年来对稀有金属、稀散金属和稀土金属元素的利用，显著的推动了我国尖端科学技术的发展。因此，提高矿产资源开发与利用效率是基础。矿产资源开发与利用是一项复杂的过程，包括找矿勘查工作、资源开采、矿石冶炼和产品加工等工序[1，2]。矿山开采是资源利用的关键环节，尤其是随着自动化和智能化矿山的建设，促进了矿山破碎筛分系统的自动化发展，提高了资源开发效率，在小型矿山中应用较为广泛[3]。但是，矿山破碎筛分系统在自动化程序方面仍然具有较大的缺陷，如控制系统等不稳定等[4]。鉴于此，本文以某小型金属矿山为例，通过破碎筛分系统自动化改造研究，为提升资源开发利用效率奠定基础。

1 基本概况简介

（1）矿山基本概况。研究区属于小型矿山，以铅锌银矿石为主，日生产矿石量约为1000t/d，年总处理矿石量约为3×105t，矿山设计服务年限为30a。矿石品位变化属于较稳定型，其中Pb平均品位为4.6%，Zn平均品位为3.7%，Ag平均品位为313g/t。铜矿选矿试验研究，最终的精矿产品中Pb含量约为65%，Ag含量约为3564g/t，回收率可达92.5%，总产率为6.71%；精矿产品中Zn含量约50%，其中Ag含量可达411g/t，回收率为81.1%，产率为5.78%；尾矿中Pb平均品位为0.35%，Zn平均品位为0.24%，Ag平均品位为55.21g/t。矿石最终的破碎粒度小于15mm，精矿中的含水率约为12%。

（2）矿山破碎筛分工艺流程。根据研究区矿山基本现状，矿山破碎筛分工艺流程采用三段一闭路的流程，因此粗碎采用颚式破碎机（型号JC1100）、中碎采用圆锥破碎机（型号CC300）和细碎采用圆锥破碎机（型号CC400），筛分采用振动筛，型号为YKR3060H，处理量可达200t/h，总体上设备的作业率为61%左右。矿山破碎筛分机中的给料粒度为0mm～500mm的粗破碎矿石料，经过三段一闭路处理后的最终产品粒度为0mm～15mm。此外，由于矿石运输以大倾角带式运输机为主，不仅设备运行维护成本高，而且在运输过程中极易产生粉尘，对井下开采环境影响较大。

2 矿山破碎筛分系统存在问题

由于该矿山开采时间较长，因此设备较为落后，现阶段采矿过程中的破碎、筛分等设备以就地、人工操作为主，尤其是破碎机以及筛分机的给料过程，主要以工人的工作经验为主，极易引起给料过量或者给料过小的问题，若给料过量，则容易引起设备负荷运行进而造成设备跳闸、损坏等；若给料过小，则开采效率低下。为了提高生产效率和保障机械设备运转状况，就必须增加工人配置，由于井下开采环境复杂、加之机械设备噪声大，容易引起粉尘等，对工人的身体健康影响极大。基于矿山基本现状，以自动化和智能化发展为基本目标，对矿山的破碎筛分系统进行自动化、智能化和集中控制改造，逐步实现破碎筛分设备运行状况的实时动态监测，在确保设备运行状态良好的前提下提高生产率，即确保细碎圆锥破碎机满腔给料。同时，实现自动化和智能化控制，减少了工人的数量和劳动强度，逐步实现节能降耗目的，为逐步建设绿色矿山奠定基础。

3 小型矿山破碎筛分系统自动化改造设计

3.1 控制系统网络改造设计

图1 基于小型矿山破碎筛分系统的控制系统网络改造设计图（据参考文献[2]略改）

控制系统是破碎筛分系统实现智能化和自动化控制的基础，也是实现远程控制的前提，因此，控制系统网络改造设计至关重要。本文选用星形网络架构方式对控制系统进行改造，其中，中控室工控机与分布在矿山施工场地中的5个控制站（型号S7-1200PLC）连接在同一台交换机上，将PLC与细碎液压润滑站触摸屏以及中碎液压润滑站触摸屏对应连接。为了实现远程控制，以及满足今后互联网应用要求，在设备中预留第三方系统的接口，以OPC通讯协议为主。同时，为了与触摸屏、PC端以及编程设备之间的通讯良好，在西门子本体中集成1个PRO-FINET通信口，进而提高设备的自动化程度（图1）。

3.2 控制系统硬件改造设计

硬件系统改造是实现智能化和自动化发展的载体，主要包括下位控制部分和上位控制部分两个方面。其中，上位控制部分以单站结构为主，在改造过程中以1台工控机为基础，同时实现代替操作员站、服务器和工程师站的目的，不仅满足了资源开采的基本设备和工人需求，同时显著的降低了成本。此外，改造后的工控机不仅必须满足PLC编程以及人机界面的基本功能需求，还需满足操作员的监视功能需求，包括井下开采环境监测、设备运行状态监测、数据传输、处理以及警报等功能。基于上述基本要求，本次改造时采用西门子PLC（型号为S7-1200）作为控制系统的核心设备，CPU采用高性能的1214C型号，该型号CPU自身集成了输入和输出功能，能够实现8个信号模板、1和信号板和3个通信模板的扩展功能。中随机和细碎机是破碎筛分系统中的关键设备，因此，在控制系统选择中采用KTP600 TFT触摸屏作为人机界面，其像素分辨率能够满足矿山的实际需求。

3.3 控制系统软件改造设计

控制系统中软件改造设计是实现自动化和智能化控制的必要条件，主要针对PLC和工控机中的人机界面编程两个方面，因此，自动化改造设计采用性能优越的博途V15系统完成。博途V15系统是集成了STARTDRIVE、WINCC和STEP7等编程软件的高度集成自动化编程软件，可实现PLC、仿真操作、触摸屏以及驱动装置进行编程调试等目的。为了与矿山破碎筛分系统有效的结合，本次自动化改造设计主要对模拟量信号转化、电动机控制等方面进行了编写，如对1#大倾角带式运输机的控制设备，仅通过电机块的背景数据块即可实现，并将其改为“1#皮带机DB”命令即可，不仅实现了破碎筛分机系统的自动化改造目的，而且显著的降低了编程和通信组态的工作复杂度。

软件系统中的人机界面是员工进行监控处理的直接平台，本次自动化改造采用博途V15系统完成。根据矿山破碎筛分系统的基本现状，人机界面改造必须满足预警画面、工艺流程、趋势画面以及中碎油站和细碎油站等内容。其中，工艺流程主要显示和监控生产线的基本运行状况，并对设备运行的实时动态数据进行分析，确保设备运行状态良好。若需要单独查看时，仅需切换画面即可；警报画面是实现井下开采环境监测的基础，也是智能化分析井下开采环境是否安全的基础，可通过画面处理操作，进行前后画面的对比，为提高井下开采环境安全奠定基础。

4 结语

综上所述，矿产资源的开发与利用离不开大型机械设备的支撑，因此，强化机械设备的自动化、智能化发展不仅是提高矿山生产率的基础，也是逐步实现智能化矿山建设和绿色矿山建设的前提。文章以某小型矿山为例，分析了矿山破碎筛分系统自动化改造，主要从网络、硬件和软件等3个方面分析了改造方案，为提升矿山破碎筛分机的工作效率奠定基础。此外，通过矿山破碎筛分机的自动化改造，逐步提升了矿山自动化生产程度，减少了井下工人数量以及工作量，有效的降低了矿山生产安全事故发生率。