第一章 绪论
1.1 研究课题
课题来源于矿山企业扩产项目，来源于矿山企业的内部项目。
某集团从事有色金属的采矿、选矿及冶练，集团历史悠久，在行业中地位举足轻重。集团随社会发展而发展，根据集团的发展目标，近些年，集团一直在进行扩产及扩展业务的工作。集团的发展主要体现在成立新的下属企业开展新业务，同时改造老的下属企业进而提高老企业的生产技术水平和生产管理水平，使老企业设备现代化、生产现代化、管理现代化。集团的生产技术、生产工艺、生产设备一直顺着自动化生产、智能化生产的道路发展。
集团管理着几个下属企业，其中一个企业主要从事采矿和选矿工作。这个采矿选矿企业伴随集团一起发展，一起成长。在进行扩产项目之前，这个企业使用的设备老旧，很多设备是几十年前的设备。因此，很多设备技术落后，只是简单的逻辑控制系统，而且，都是单机控制。随着社会发展，社会对有色金属的需求量增加，另外，集团本身亦需要发展。在这种背景下，集团发展直接的需要是扩大产能，推进企业扩产项目，在原厂的基础上新建选矿分厂。新建的选矿厂为了实现工艺过程的稳定、可控以及流程参数可追溯，同时降低生产现场的工人劳动强度，大量采用现代选矿技术、现代选矿工艺、现代选矿设备、现代控制技术、现代现代控制设备，按照自动化、全集成的要求进行选矿厂建设。工厂是新厂、工艺是新工艺、流程是新流程、设备是新设备。其中大型重载自动化球磨机是新工厂的最重要的新设备之一，其中几套球磨机由集团下属企业联合开发设计，本课题即来源于这个项目。
集团新建的选矿厂中，专门建设了一个磨矿车间。磨矿车间的主要设备是几套球磨机及其配套的自动加球机，这几套球磨机及其配套的自动加球机和其它辅助设备构成磨矿系统，磨矿系统是整个选矿流程中的一个重要环节，是一个必不可少的环节。图 1.1 是新选矿厂的磨矿车间。
1.2 课题意义
经济全球化发展，冶金行业的竞争从国内竞争上升到国际竞争。不断上升的矿石成本也增加了冶金行业的资金投入[1]。集团要保持在本行业的竞争力，提高在本行业的竞争力，需要在新的生产阶段扩大生产规模，提高产品产量，形成规模经济。要实现这种目标，使用旧设备，按老模式生产行不通。根据选矿厂的实际情况，在原来的基础上进行技术改造难以达到目标。因此，要实现保持在本行业的竞争力，提高在本行业的竞争力，扩大生产规模，提高产品产量目标，最佳途径是建设新的选矿厂。集团确立了“新建的选矿厂采用现代选矿技术、现代选矿工艺、现代选矿设备、现代控制技术、现代控制设备，按照自动化、全集成的要求进行选矿厂建设”的建厂方针。
集团投入巨资，建设新的选矿厂是一个大项目。新厂的建设规模大，产能目标大，要采购和开发设计的设备多，完成整个大系统的建设，包含很多子系统的建设。磨矿系统是选矿厂的一个重要系统，新的选矿厂中，磨矿系统也是选矿厂中必不可少的一个重要系统。
1.2.1 工厂生产现状
选矿厂前端作业流程主要有原矿输送、碎矿、磨矿、分级等作业流程。矿山选矿厂分为锡铜共生矿系统及单铜矿系统，处理能力均为数千吨，锡铜共生矿系统主要处理矿山一坑、二坑矿石。锡铜共生矿系统原有泥矿处理流程，由离心机—皮带溜槽—泥矿床组成，目前离心机已经停用，皮带溜槽已取消，只剩下泥矿床处理少部分泥矿。为平衡流程中各作业的体积量，各段摇床作业前分泥斗和分级箱产生的溢流、沉砂床前的分级溢流、一段床部份尾矿、一次和二次复洗摇床部份尾矿等都进入 Φ38m 浓密池。经浓密池浓缩后一半左右进入福利厂，一半左右经砂泵给入 Φ250mm 旋流器分级，沉砂进入沉砂床，溢流进入泥矿床选别。
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第二章 磨矿系统设备及球磨机钢球破损模式研究
2.1 新选矿厂中的磨矿设备
金属矿山选厂中的磨矿系统是现代矿山选矿生产过程中的一个必不可少的重要环节备。磨矿系统主要包括球磨机及其配套的加球机及其它辅助装备。
在球磨机磨矿过程中，钢球属于磨料，是易损品和易耗品，消耗量大，为保障磨矿工序正常进行、保证磨矿产品质量，需要经常添加。没有加球机时，需要人工添加，工作量大，劳动量大。新选矿厂的磨矿车间，配置了加球机。从理论上探讨钢球磨损理论，可以为加球机的加球策略、加球模式奠定基础。
磨矿系统的主要设备是球磨机、加球机。磨矿系统中还会有一些其它装置，例如衬板安装更换装置。衬板安装更换装置是维护检修设备，与磨矿工艺和磨矿产品质量无关，是辅助装置。
新选矿中采用大型重载筒式球磨机，如图 2.1 所示。整套球磨机主要包括支承系统（基座、轴承座、轴承等）、驱动系统（交流同步电动机）、传动系统（传动轴、齿轮）、润滑系统、磨筒、液压站、监控系统。
碎矿流程的产品从左端进入球磨机磨筒，与水混合，球磨机磨筒旋转，磨筒内所有物料（矿石、钢球、水等）随磨筒运动，磨筒内矿石与矿石、矿石与钢球、钢球与钢球、矿石钢球与衬板摩擦、碰撞、冲击，矿石磨细后与水混合成为矿浆进入后续选矿流程。磨矿过程中，钢球会不断磨损，甚至破碎。
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2.2 钢球球磨机内的运动模式
球磨机的工作原理为钢球通过球磨机的圆周运动带动钢球运动，从而依靠钢球来冲击和研磨物料。球磨机工作时球磨机的滚筒绕水平 轴作匀角速转动，滚筒中装入需要磨碎的原料和钢球，钢球依靠滚筒内壁与钢球之间足够大的摩擦力上升到一定的高度，然后钢球脱离 圆周轨迹沿抛物线下落，对筒体内物料进行冲击粉碎和研磨。球磨机内的使用的钢球一般都有几种不同的直径，根据固定的配合比配合使用，故钢球的运动形式较为复杂。图 2.3 中体现了筒体内钢球的运动，其一般有两种运动形式：1、钢球未脱离滚筒壁之前，钢球通过和筒体的摩擦力跟随滚筒一起作圆周运动；2、钢球在上升至一定高度后随着摩擦力和重力的变化离开滚筒壁作抛射体的运动。钢球在完成上述运动的同时还有一定程度上的自转运动，钢球叠层间还有相对滑动。一般为了为简化分析钢球运动，我们一般忽略钢球的自转以及相对滑动。
钢球在球磨机内堆叠，分层循环运动，每一层钢球以筒体轴为圆心，不同层之间线速度、脱离点、落点不一致。在脱离前其线速度为钢球球心所在位置处的线速度，脱离筒体后分层按抛物线轨迹下落。我们以最外层的钢球为研究对象，在计算中需要忽略物料对钢球的影响。图 2.4 列出了球磨机内钢球的运动轨迹及受力情况。
钢球在球磨机磨筒中的磨损过程十分复杂。球磨机钢球在磨筒中随磨矿过程的进展逐渐被磨损。球磨机钢球的损耗受很多因素影响，钢球的几何特征（显微结构、尺寸），钢球的特性（化学成分、硬度）、钢球的运动特征（速度、轨迹、加速度）、前端流程（碎矿产品、给矿中矿石的粒度分布）、磨矿方式等因素都对球磨机钢球的损耗有影响。
金属材料的耐磨性与含碳量有关，含碳量增加硬度增大，耐磨性能也随含碳量增加而提高，但材料中含碳量增加后，金属材料的韧性会降低而变得容易破碎。改变金属材料的成分例如加入合金元素可以提高钢球的硬度，同时提高耐磨性能。磨矿系统一直在寻求新材料钢球。
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第三章 磨矿子系统监控系统总体设计方案 .............................. 21
3.1 需求分析 .......................................... 21
3.2 监控系统功能设计 ................................. 22
3.3 磨矿监控系统总体结构 ................................. 23
第四章 磨矿监控系统硬件设计 .................................... 29
4.1 背景介绍 ................................... 29
4.2 球磨机监控系统硬件设计 .............................. 29
4.2.1 系统 I/O 设计 ...................................... 29
4.2.2 PLC 与 HMI 选型 .................................... 36
第五章 磨矿监控系统的软件设计 ...................................53
5.1 磨矿监控系统监控软件的总体架构 ................................53
5.2 球磨机监控系统软件开发.................................................54
第五章 磨矿监控系统的软件设计
5.1 磨矿监控系统监控软件的总体架构
新选矿厂监控系统按全集成自动控制系统设计，输送系统、破碎系统、磨机系统、分级系统、选矿系统多位一体。
磨机系统监控软件包括三大块：球磨机监控软件、加球机监控软件、总监控中心的上位机监控软件，如图 5.1 所示。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文涉及到的课题经历了选矿球磨机及其自动加球机开发设计的全过程、系统安装调试的全过程。系统投入使用后实现了：1、一线操作工实现了不用手工进行磨球添加，只需在加球机料仓提示空仓时操作叉车往料仓内一次大量添加钢球即可，系统会根据设定值自动加球至球磨机；2、磨球加球数量不用人工记录，系统自动记录加球数，避免了人为漏记；3、联动控制系统中增加了大量有效的保护联锁，通过各个监控点的数据系统自动判断是否达到触发报警或者停机保护机制，该系统稳定运行几个月磨机没有出现“烧瓦”情况，而在没有使用该系统的其余三台磨机上出现了一次“烧瓦”现象，产生了进行损失（这三台磨机由外包公司负责）；4、磨机运行参数实现了全过程记录，可以实现随时调用。
在集团新建的选矿厂中，总共使用了 7 套大型重载球磨机，这些球磨机对实现新选矿厂的设计产能至关重要，这些球磨机是选矿流程中的关键设备，提高球磨机系统的自动化水平，可以减少现场操作者，可以减轻现场操作者的劳动强度，可以优化选矿工艺，可以实时监控球磨机状态，可以把球磨机集成到整个选矿系统中，可以及时判断球磨机故障并处理及及时检修，可以提高设备可靠性，可以更好的保障设备安全，可以提高选矿效率。监控系统对新选矿厂中的球磨机十分重要。本文立足于应用理论知识进行系统开发解决实际问题。开发设计了球磨机及其自动加球机监控系统的总体方案，据此进行监控系统的硬件设计及软件设计，实现了集成创新。同一车间，还有其它公司的三台球磨机，本文开发设计的监控系统在故障保护上比同类的这三台球磨机完善。监控软件达到了预期的目的，磨矿监控系统运行成功，达到了新选矿厂的要求，并为后续工艺优化提供了支撑。
参考文献（略）