周敏健 谷端宇

（河钢集团滦县司家营铁矿有限公司）

摘要：为响应国家智能矿山、绿色矿山建设要求，解决司家营铁矿红改磁新工艺下一段磨矿流程多变量耦合、工况波动大、人工调节滞后、台时与磨矿粒度难以协同稳定的生产痛点，针对选矿三四系列开展一段磨矿自动化改造，构建适配阶段磨矿-阶段磁选红改磁工艺的自适应闭环磨矿控制系统。系统以西门子S7-400 PLC、PCS7集散控制平台为硬件载体，集成在线粒度仪、矿浆浓度计、磨音频谱分析仪，采用模糊自适应PID多回路协同控制策略，建立给矿量、补加水、旋流器压力、泵池液位、溢流粒度多变量耦合闭环调节模型。改造后消除人工近距离接触粉尘、噪声等高风险作业场景，实现提质、增效、降本、本质安全多重效益。该系统为国内同类红矿改磁矿选矿厂一段磨矿智能化改造提供可复制工程范本。

 关键词：红改磁工艺；一段磨矿；自适应闭环控制；智能选矿；DCS自动化；智能矿山

1引言

1.1行业政策与转型背景

 《“十四五”矿山安全生产规划》《金属非金属矿山智能化建设指南（2025版）》明确提出矿山“机械化减人、智能化去人”核心发展方向，要求选矿工序搭建在线感知、自动调控、智能预警一体化管控体系，依托数字化技术降低高危岗位人员暴露频次，实现磨矿过程从人工经验调节向数据驱动自适应智能控制转型。传统赤铁矿选矿存在矿石性质波动大、磨矿分级耦合性强、关键粒度指标无法实时在线检测、滞后人工化验导致工况频繁失稳等共性难题，长期制约资源回收率与生产效率提升。 河钢司家营铁矿为冀东超大型露天鞍山式铁矿，矿石总储量23.48亿吨，原生产流程以赤铁矿磁重联合选别为主，完成“红改磁”工艺升级后，全面采用阶段磨矿、阶段磁选、旋流器-细筛联合分级、淘洗机精选新工艺，单系列设计台时提升至400t/h以上，工艺流程与旧有完全不同，原有老旧分散式自动化系统存在仪表缺失、控制逻辑单一、无闭环自适应调节、设备联动可靠性差等短板，已无法匹配新工艺稳定生产需求。

1.2 红改磁工艺下一段磨矿原有生产痛点

 红改磁工艺大幅改变入磨物料特性，原有开环人工调节模式暴露出多重瓶颈： 1. 多变量强耦合，人工调节滞后：入磨台时、造浆补加水、泵池液位、旋流器压力、溢流粒度相互制约，依靠中控人员依据每2小时人工化验粒度手动调整，调节滞后极易出现球磨机胀肚、旋流器跑粗、分级效率下降问题； 2. 在线感知体系缺失：改造前无在线粒度、矿浆浓度实时监测仪表，仅依靠磨音、球磨机电流间接判断磨矿状态，判断误差大； 3. 无自适应调节能力：传统固定参数PID控制器无法适配红矿、磁矿混合入料的工况变化，矿石硬度、含水率波动时系统超调量大、调节稳定时间长； 4. 岗位劳动强度大、安全风险高：每个磨矿系列配置1名现场值守操作工，长期处于高粉尘、高噪声作业环境，人员违章、机械伤害隐患突出； 5. 设备联动可靠性不足：皮带、预选磁选机、变频给矿泵、球磨机无完整联锁控制，启停依靠人工分步操作，易出现断矿、堆料、泵池抽空生产事故。

 1.3 项目改造目标

依托三四系列一段磨矿自动化改造工程，搭建专属红改磁工艺的自适应闭环磨矿控制系统，实现以下目标： 1. 控制目标：构建多变量模糊自适应PID闭环控制，稳定一段旋流器溢流粒度（P80：25~295μm），磨矿台时最大化约束下实现粒度波动区间收窄； 2. 感知目标：配齐43台套在线检测仪表，覆盖流量、浓度、粒度、压力、液位、磨音、设备温振全工艺参数； 3. 管控目标：实现设备远程集中联锁启停，磁重平台新建集控室替代现场岗位值守，现场巡检人员缩减25%； 4. 安全目标：四级分级声光语音报警体系，实现高危岗位少人化，降低机械伤害、职业病风险。

2红改磁一段磨矿工艺流程与系统整体架构

2.1 红改磁一段磨矿核心工艺流程

红改磁工艺一段磨矿前置新增湿式预选工序，完整流程为：矿仓电振给料机→皮带输送机→造浆箱→造浆箱湿式预选磁选机→一段球磨机→排矿泵池→一段旋流器给矿变频泵→水力旋流器；旋流器沉砂返回球磨机形成闭路磨矿，溢流进入二段选别工序。 与传统单一球磨闭路流程相比，红改磁工艺新增湿式预选造浆环节，造浆给水浓度直接影响入磨矿浆粘度与磨矿效率，是新增关键控制变量，也是本次自适应闭环系统重点优化对象。

2.2 自适应闭环控制系统硬件架构

系统采用感知层-网络层-控制层-监控应用层四层架构，完全适配红改磁长流程磨矿工艺： 1. 感知层（现场检测仪表） 配套4台管段式在线粒度仪、15台水用流量计、2台普莱森矿浆声呐流量计、2台外夹式矿浆密度计、9台压力变送器、多套电动调节阀门、4套磨音频谱分析仪；新增3套西门子S7-400 PLC冗余分站，采集全部DI/DO、AI/AO信号，覆盖预选磁选、皮带、球磨、旋流器全设备状态与工艺参数。 2. 网络层 工业环形以太网+Profibus DP双通讯冗余架构，现场PLC分站与集控室操作员站低时延数据交互；工控网与办公网逻辑隔离。 3. 控制层（PLC集散控制） 采用西门子PCS7 V9.1平台模块化编程，划分设备联锁功能块、自适应PID调节功能块、故障预警功能块、报表统计功能块四大模块；控制器内置模糊自适应算法，实时修正PID比例、积分、微分参数，适配矿石性质时变工况。 4. 应用监控层 磁重9米平台新建隔音集控室，部署3台PCS7操作员站、6台55寸大屏、视频解码主机、WEB发布服务器；配套AI排矿量识别后台、选矿数据库分析服务器，支持工艺趋势查询、分级报警、自动生产报表、内网网页只读访问。

2.3 系统软件功能体系

 软件系统分为设备联锁逻辑、自适应闭环控制算法、智能预警、HMI可视化、数据存储分析五大模块： 1. 设备联锁逻辑模块：实现皮带、预选磁选、给矿泵、球磨机一键顺序启停，配置急停、跑偏、撕裂、断矿安全联锁，异常工况自动连锁停机； 2. 自适应闭环控制模块：核心为多回路耦合模糊PID算法，是适配红改磁工艺的核心创新点； 3. 智能预警模块：四级分级预警（提示、一级弹窗、二级声光、三级紧急停机），融合磨音、AI排矿视觉、设备温振、工艺参数多维度故障诊断； 4. HMI可视化模块：绘制红改磁专属工艺流程图，实时动态展示设备状态、参数趋势曲线，支持参数权限分级修改； 5. 数据存储分析模块：实时数据库秒级存储工艺数据，历史数据留存半年以上，自动生成班/日/周磨矿台时、粒度、能耗统计报表。

3适配红改磁工艺的自适应闭环磨矿控制策略

3.1 传统固定PID控制工艺缺陷

常规磨矿单回路固定参数PID控制器仅适用于物料性质稳定的单一磁矿流程，红改磁工艺存在两大干扰源：一是湿式预选造浆浓度波动，二是赤铁矿、磁铁矿混合入料导致矿石可磨性持续变化。固定PID参数出现明显短板： 1. 矿石硬度升高时，给矿调节响应慢，易欠磨、旋流器溢流跑粗； 2. 矿浆浓度突变时，积分作用易累积，系统超调量大，泵池液位剧烈波动； 3. 多回路之间无耦合解耦逻辑，调节给矿量会同步扰动旋流器压力、磨矿浓度，出现系统振荡。

3.2 红改磁多变量耦合自适应模糊PID控制模型

针对红改磁新增预选造浆变量的工艺特点，设计五层多回路协同自适应闭环调节体系，控制输入、输出变量如表1所示。

 表 1 一段自适应闭环控制输入输出变量

控制算法核心逻辑：以旋流器溢流粒度为主控指标，实时采集粒度偏差e(t)、偏差变化率ec(t)送入模糊推理器，结合红改磁预选造浆浓度修正系数，在线动态修正各回路PID的Kp、Ki、Kd三组参数；同时增加回路解耦补偿，当调节给矿量时，自动限制补加水、泵频率调节幅度，消除多变量耦合振荡。 模糊推理规则依据现场红改磁生产大数据建立： 1. 粒度偏粗（e＞阈值）：增大Kp快速降低给矿量，提升Ki消除静差，适度增大Kd抑制波动； 2. 粒度偏细（e＜阈值）：小幅提升台时给定，降低积分作用避免过磨； 3. 造浆浓度大幅偏离设定值：优先调节造浆给水回路，同步补偿给矿PID参数，消除前置工序干扰； 4. AI视觉识别排矿量激增（胀肚风险）：强制降低给矿频率，开大泵池补加水，触发二级声光报警。

3.3 闭环控制完整调节流程

1. 感知采集层：在线粒度仪、流量计、密度计、磨音传感器上传实时数据至PLC； 2. 偏差计算层：PLC对比各工艺参数设定值，计算粒度、液位、浓度、压力偏差与变化速率； 3. 模糊自适应整定层：依据红改磁专属模糊规则库，实时更新各控制回路PID参数； 4. 执行调节层：输出4~20mA模拟信号控制电动调节阀、设备变频器，完成自动调节； 5. 反馈校验层：调节后采集新的工艺数据形成闭环，持续迭代修正控制参数； 6. 预警干预层：参数超出安全区间自动分级报警，极端工况联锁停机，保障设备安全。

 4项目分阶段编程调试实施流程

项目严格按照静态无负荷调试、动态空负荷调试、48h带矿负荷试运行三阶段标准化实施，匹配红改磁新工艺设备多、联锁复杂特点，调试方案标准化。

 4.1 阶段一：静态无负荷调试

1. 硬件核查：全部AI/AO/DI/IO通道逐点强制校验，仪表回路单点测试记录存档； 2. 软件仿真：工程师站模拟预选磁选、皮带、球磨虚拟信号，离线仿真自适应PID逻辑、安全联锁、报警程序，提前修正逻辑漏洞； 3. 通讯调试：对应PLC分站与主站、集控室操作站工业以太网、DP通讯联调，消除信号丢失、延迟问题。

4.2 阶段二：动态空负荷调试

1.单体设备远程测试：皮带、电动阀门、变频给矿泵远程启停，验证开度线性调节、运行反馈信号准确性； 2. 子系统联动调试：依次完成预选给料子系统、球磨闭路子系统、尾矿辅助子系统一键联动启停，校验联锁时序； 3. 自适应控制空载仿真：模拟不同粒度、浓度干扰信号，验证模糊PID参数自整定响应速度，优化算法阈值。

4.3 阶段三：48h带矿负荷试运行

利用月度检修后复产窗口期开展连续带矿试验，全程记录台时、溢流粒度、电耗、设备故障率、报警频次数据，分步优化自适应PID补偿系数、造浆浓度控制区间、分级报警阈值；试运行完成后出具《48小时试运行数据报告》，调试方、生产车间、监理三方签字验收，系统正式移交生产运维。

5  现存问题与后续升级优化方向

5.1 当前系统运行短板

 1. 多系统数据融合不足：一段磨矿DCS系统与边坡监测、双重预防安全平台存在少量数据孤岛，统一数字孪生深度融合不足； 2. 智能预测模型单一：当前仅采用模糊PID自适应控制，未引入神经网络长周期工况预判模型，中长期矿石性质波动预控能力不足； 3. 矿山智能复合型运维人才缺口较大，同时掌握选矿工艺、PLC编程、智能算法的技术人员储备不足。

5.2 2026—2028年智能化升级规划

结合矿山整体智能矿山建设规划，分三步优化一段自适应闭环磨矿系统： 1. AI模型拓展：新增管路泄漏、磁选堵矿、皮带撕裂智能识别算法，AI预警模型扩充至12类磨矿典型故障； 2. 全域数据打通：深度融合安全、环保、设备监测系统数据，实现一段磨矿风险数字孪生仿真、应急处置路径自动规划； 3. 人才体系建设：联合高校开展智能选矿专项实训，培养工艺+自动化复合型运维技术人员，保障智能系统长效稳定运行。

6结论

司家营铁矿针对红改磁阶段磨矿-阶段磁选新工艺定制开发的一段自适应闭环磨矿控制系统，依托多层级在线感知网络、模糊自适应PID多变量耦合控制算法、远程集中联锁管控体系，有效解决传统开环人工调节工况波动大、产能受限、安全风险高的行业痛点。改造后实现一段磨矿产能提升、能耗下降、指标稳定、现场岗位少人化多重收益，完全契合国家智能矿山、绿色矿山、本质安全矿山建设政策导向。 本项目形成一套适配磁铁矿改磁铁矿选矿工艺的一段磨矿自动化改造标准化技术路径，硬件配置、控制算法、分阶段调试方案可直接复制应用于国内同类大型露天铁矿选矿厂，为低品位难选铁矿智能化提质增效提供成熟工程实践范本。后续通过AI模型迭代、多系统数据融合、预测算法升级，可进一步推动磨矿工序向无人值守“黑灯产线”演进，持续挖掘选矿智能化、数字化转型潜力。

参考文献

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[2]  DZ/T 0376-2021 智能矿山建设规范[S]

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[4]  郭振宇.磨矿分级过程多变量自适应模糊PID控制方法[P].中国专利:CN202410790291.2,2026