某金矿选矿工艺流程自动化设计及实践

某金矿始建于 1999 年，生产规模为 30 万 t/a，矿石平均入选品位为 1.25 g/t，浮选回收率约为 82%。该矿破碎系统采用三段一闭路流程，磨矿系统采用两段磨矿，一段球磨机、二段立式搅拌磨机；均与旋流器构成闭路流程。浮选系统采用一次粗选、二次洗选、三次扫选。粗选精矿经二段磨矿后进入作业；浮选精矿经浓缩机浓缩、压滤机脱水后，获得最终精矿；浮选尾矿则经隔膜泵送入尾矿库。随着采选年限的延长，矿石性质逐渐复杂，自动控制系统不完善、各工艺系统相对孤立，导致生产效率低下，矿石资源利用率低，选矿成本不断增加。综合考虑降低人工成本及提升矿山经济效益的需求，建设矿山自动化以实现其集约、生产，实现自动化减人和精确控制的目标。

1 控制现状

该矿破碎、磨矿、浮选主要设备依赖人工现场启停操作；磨浮工序的补加水、充气、阀门开度等依靠人工经验调整；泵池和浮选机均未配备液位检测装置，旋流器溢流缺少相应的流量、质量分数、压力、粒度等检测仪表。生产过程中，随着矿石性质的变化，人工经验控制会导致生产波动偏差大，如磨矿产品溢流 -74 mm 含量为 50%～ 60%，台时产量为 35～48 t/h，造成后续浮选作业随之波动，影响最终精矿回收率和品位，增加了设备能耗，工人劳动强度大，影响生产效益。主要设备清单如表1 所列。

表1 主要设备清单

2 自动化系统设计

为稳定选矿工艺指标，提高生产效率，降低生产成本，减轻人员劳动强度，该矿建设一套选矿自动化控制系统，对选矿工艺进行实时监控和精确控制，以提高工序环节的工作准确性，降低设备能耗，提高生产效率和产品质量。

针对该矿存在的问题，结合选矿工艺流程的特点，增加基础仪表装置、自动控制器和视频监控等，组成完善的自动化控制系统。

2.1 仪表装置

选矿工艺流程的关键操作、数据检测、检测仪表和自动执行机构，实时定量显示设备运行数据与自动化操控，降低人工劳动强度，提高操作的准确性。检测仪表包含料位、流量、压力和质量分数检测的装置以及电动、气动执行机构，如表2 所列。

表2 主要仪表

2.2 I/O 统计分析

根据设备及仪表清单，统计启停、备妥、运行、预警、故障信号以及传感器模拟信号和执行机构反馈信号等各类型 I/O 点，如表3 所列。

表3 控制站 I/O 点数统计 个

为提升系统的安全性和可靠性，在控制器发生故障或通信异常时，DO 和 AO 均保持预设输出、短路自保护功能。模拟量信号模块 (AI、AO) 设计配备 4～20 mA 信号隔离器，并独立供电，满足 2-3-4 线制输入灵活切换，信号隔离器的输出采用 4 线制连接至 AI模块。

输入输出模块具备自诊断功能和抗干扰能力，且功耗低。I/O 模块的每个通道不受其他通道运行影响，当一个通道出现故障或外部仪表故障时，其他通道应能正常工作，且设计各类模块的精度不低于0.1%。I/O 模块内各通道隔离，各通道与电源隔离，能够识别现场接线断路或短路，并发出报警。

2.3 系统主要硬件选型设计

根据现场实际需求和 I/O 点信息处理，对系统控制器、工作站、视频系统等进行设计。

为了确保系统的高可靠性和冗余性能，选用西门子 S7-1500 系列 1515R 为核心控制器，实现系统多任务执行及故障无缝切换；信号模块采用 ET 系列，具备丰富 I/O 点数和热插拔功能，设计时预留 15% 以上 I/O 裕量以满足未来扩展需求。

集控中心 UPS 系统具备故障切换旁路及 2 h 后备电源，应对突发停电；电源进线配置防雷器，增强安全性；24 V 供电采用开关电源，单路负荷 ≤50%，保障供电可靠。

选用高性能工作站。工程师站配备 Intel Core i7高性能处理器、16 G 运行内存以及稳定的高性能固态硬盘 (SSD)，满足复杂任务需求。操作员站配置 16 G内存、4 TB 硬盘，为长时间的数据存储和备份提供了充足的空间；配置双屏显示，为操作员提供广阔视野与便捷操作界面。

自动化集控配备了视频监控系统和海康高清网络摄像机，包括 400 万像素枪式 (DS-2CD3T46G0-I5) 和球型摄像机 (DS-2DF8627I-A)，以高分辨率和广视角选捕捉生产现场细节，并通过网络实时传输至监控中心。系统采用 DS-6908HFK-S 视频，将数字视频信号转换为模拟信号，输出至无缝拼接大屏 (DS-D1000MF 系列高清液晶显示屏)，通过图像处理技术为管理人员提供直观的监控画面，提升监控效率和决策准确性。

2.4 自动化系统架构设计

该矿自动化系统架构设计如图1 所示。

图1 自动化控制结构

现场设备层是数据采集与接收控制信号的前沿，覆盖了所有生产设备及在线检测仪表。通过 I/O 模块，设备状态数据与过程数据被读入控制系统，控制指令发送至现场设备。I/O 站利用光纤、以太网技术，实现了点对点的数据传输，确保了数据的实时性与准确性。

控制层作为系统的运算与控制核心，使用高性能的控制器。从 I/O 模块收集的数据送入控制器，实时运行逻辑控制算法，实现生产过程的精确调控。

系统控制采用以太网技术，实现设备之间的点对点通信，选用工业级网络交换机，千兆主干网络传输，保证数据的高速传输。

管理层的上位机采用了 C/S 架构，使得自动化系统更加灵活和易于管理。工程师站负责系统硬件组态、编程、调试及维护等任务，确保系统的稳定运行；而操作员站则成为操作人员监控生产过程、执行操作任务的重要平台。

2.5 视频监控

基于对各工序主要设备运行状态及工艺流程调控参数特点的深入分析，以及日常巡检中发现的常见生产问题，如设备关键参数运行状态的实时监控需求、故障预警及快速响应机制的建立等，设计了一套完善的视频监控系统。

此次项目视频监控点位为 16 台，冗余 4 台，视频监控点如表4 所列。

表4 视频监控点

视频监控系统采用两层网络架构，在集中控制室设计视频监控网络核心交换区，在车间、设备监控点设置视频接入层。

(1) 视频监控核心层网络设计 设置核心交换机，担负核心层的通信转发，提供优化、可靠的骨干传输结构，该交换机具有高可靠性、高吞吐量。

(2) 视频监控接入层网络设计 接入层网络用来连接前端摄像机，为了节省施工布线成本，前端摄像机选择 POE 供电模式，接入层交换机选择 POE，配置光电收发器，实现视频信号远距离传输。

3 建设成效

3.1 集控系统界面展示

建设自动化集控系统后，该矿的操作人员和管理人员能够实时监控并掌握整个生产流程的动态，实现了生产过程的集中控制和管理。通过集成的连锁保护程序和精细的回路控制策略，有效地把握生产情况，稳定了工艺指标，提高了生产安全性和效率。DCS 系统提供的直观画面使得监控和操作更为便捷，增强了对生产过程的直观理解和快速响应能力，从而优化了生产调度和管理决策，为该矿的可持续发展提供了强有力的技术支持。DCS 工艺流程如图2 所示。

图2 DCS 工艺流程

3.2 自动化改造后的应用效果与效益

通过对该矿选矿工艺流程的自动化改造，增加控制传输系统、摄像机、传感器和仪表，实现了对主要运行设备和工艺参数定性和定量的实时检测、控制，解决了关键参数的粗放调节问题，达到了工艺运行参数的实时控制；通过增加的视频监控系统，能够及时发现设备故障及工艺流程异常状况，降低人工劳动强度，达到减人的效果；通过增加 DCS 系统，实现稳定生产指标的目标，达到提升产量和经济效益的目的。

4 结语

(1) 通过对该矿各要素数字化、自动化和协同化管控，进行数字化的监视、控制和智能化管理的优化设计，进一步挖掘生产设备的潜能，最终实现应用后，现场操作人员减少了约 60%，产能提高了 22%，单位电耗降低了 2.38%，回收率提高了 1.06%。

(2) 该矿选矿工艺流程自动化设计原理及实践应用，为同类型选矿工艺流程的改造提供参考依据，推动了选矿行业向自动化、智能化方向发展。