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濃密機生產過程自動化控制在廢水處理工藝中的研究與應用

文檔作者：繆天宇1 王旭2 王慶凱1 茆薪2 文檔來源： 1.北京礦冶研究總院礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室 2.德興銅礦		點擊數：	更新時間： 2025年10月03日
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數控技術數字技術
與應用
18
1 、前言
礦產資源是人類文明必需的物質基礎。隨著國民經濟的加速發
展，人類對礦產資源的需求量日益增長，在礦產資源的開采和加工
過程中所產生的工業廢水的排放量也隨之增加。這些污染物中尤其
以有色礦山廢水污染范圍最廣，危害程度最大。因此，經濟、適用、高
效、先進的礦山廢水處理控制方法對于改善礦山生態環境，消除礦
山廢水的危害具有十分重要的理論意義和現實意義。
濃密機作為重要的選礦設備在國內外有色、煤炭、環保、化工等
行業得到廣泛的應用，用于實現物料的濃縮、澄清，是目前礦山廢水
處理的核心設備。但目前國內濃縮機生產過程中大都存在以下問
題：生產過程許多關鍵環節未實現在線檢測，生產人員只能憑感覺
和經驗來判斷生產情況、進行操作；絮凝劑添加基本采用人工控制
甚至盲目添加，造成生產波動大、藥劑浪費多、環境污染嚴重；濃密
機工作負荷、濃密機溢流水濁度、濃密機即底流濃度等關鍵環節不
能得到合理、有效地控制。這些問題都嚴重地制約了濃縮生產效率
的提高，影響了后續工藝和最終產品的質量，亟待解決。
本文對在德興銅礦工業廢水處理站實施的濃密機自動化控制系
統的研究和應進行介紹。該系統對濃密機生產關鍵過程檢測儀表進行
了較好地研究與應用，同時，設計、開發了基于PLC的濃密機生產控制
系統，控制算法可以有效地對濃密機生產和絮凝劑添加進行控制。
2、生產工藝及系統方案簡介
2.1 現場生產工藝
德興銅礦精尾廠工業水處理站主要工藝流程為：酸性水、堿性
水、電石渣首先在一段反應池內中和、反應，pH值調整至8.0左右；
然后，廢水經過明渠和迷宮式反應槽流到分配槽中；在分配槽中添
加高分子絮凝劑后，濃密機中進行沉降；濃密機溢流水收集到澄清
池后外排；沉降后的泥渣部分返回一段反應池重新進行反應，用于
提高底流濃度，另外一部分則以尾礦形式排出，如圖1所示。
整個工業廢水處理生產工藝中濃密機關鍵生產控制環節包括
分配槽絮凝劑添加量控制、濃密機溢流水懸浮物含量（或濁度）和底
流排礦濃度控制、返砂流量控制。
濃密機生產過程自動化
控制在廢水處理工藝中的研究與應用
繆天宇1 王旭2 王慶凱1 茆薪2
(1.北京礦冶研究總院礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室 北京 100070；
2.德興銅礦 江西德興 334224)
摘要：本文通過對德興銅礦工業水處理站濃密機生產過程自動化控制系統設計和使用情況進行了介紹。針對主要的檢測儀表和控制算法進
行了詳細的說明。系統在工業應用中達到了很好的控制效果，取得了巨大的經濟效益、生態效益和社會效益。
關鍵詞：廢水處理 濃密機 自動化控制 過程檢測儀表
中圖分類號:TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)09-0018-03
圖1 現場工藝、設備聯系圖
電石渣堿性水酸性水
高分子絮凝劑
漿料混合
1#反應池
2#反應池
分配池
濃密機
澄清池
循環漿外排漿
底流
溢流
尾礦庫
圖2 系統網絡架構
數控技術數字技術
與應用
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在系統實施前，這些生產關鍵控制環節主要采用人工就地操
作，存在著絮凝劑無法實現根據水處理量比例精確地添加；濃密機
溢流水中的懸浮物含量沒有在線監測和控制；濃密機泥層沒有有效
測量，易導致濃密機“跑混”、“跑渣”情況發生；濃密機底流濃度低，
且波動范圍較大；濃密機負荷無法得到實時的監測和有效地控制等
問題。
2.2 生產過程自動化控制方案
生產過程自動化控制目標要完成絮凝劑添加量控制、濃縮過程
控制、返砂流量控制等三個方面關鍵生產環節自動控制，從而解決
影響濃密機生產過程穩定運行的問題。
系統采用了3+2網絡結構：三層設備、兩層網絡。系統網絡結構
如圖2所示。系統采用西門子S7-300 PLC控制器，用于集成新增加
的過程檢測儀表和執行設備信號，實現絮凝劑添加、濃密機底流控
制算法。S7-300 PLC控制系統同原有控制系統采用MPI通訊，進
行過程數據交換。同上位機WinCC軟件采用西門子工業以太網進
行數據傳輸。能夠保證系統的穩定性和可靠性。
2.3 濃密機生產過程檢測
濃密機生產過程信息和設備狀態的檢測是濃密機生產自動化
控制的基本。所以，系統對這些生產信息進行了全面的檢測，主要包
括給料瞬時流量、給料Ph值、絮凝劑添加量、濃密機泥層高度、濃密
機溢流水濁度、濃密機溢流水Ph值、排礦流量、排礦濃度、循環返砂
流量等過程信號。濃縮機設備狀態主要包括攪拌機電流、濃密機電
流和扭矩、濃密機底流泵電流和轉速，絮凝劑工作狀態等信息。
3 、控制算法
3.1 絮凝劑比例添加控制算法
絮凝過程是目前國內外眾多水處理工藝中應用最廣泛、最普遍
的工藝操作之一，是廢水處理過程中不可缺少的關鍵環節。絮凝效
果的好壞往往決定了后續流程的運行狀況。由于給料廢水性質和水
量變化較大，導致了手動調節絮凝劑添加量無法適應現場生產的需
要，必須實現絮凝劑添加的自動化控制。
系統通過計算出酸性水和堿性水的總流量。按照絮凝劑投加量
設定值計算出絮凝劑干藥量，并根據絮凝劑制備濃度計算出要投加
的絮凝劑溶液設定用量。然后，通過絮凝劑添加管道上安裝的流量
計和調節閥構成閉環控制，從而控制絮凝劑溶液實際添加量同絮凝
圖4 絮凝劑添加隨動系統控制回路
P I D控制器變頻器、渣漿泵底流泵轉速
底流流量計
輸出
流量
設定值
-
圖5 濃密機底流流量控制回路圖
P ID 控制器變頻器、渣漿泵底流泵轉速
泥水界面儀
輸出
泥層
設定值
-
圖6 濃密機泥層控制回路圖
圖3 濃密機過程檢測儀表
數控技術數字技術
與應用
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劑溶液設定用量相等。
（公式1）
公式1為絮凝劑添加量計算公式。其中， 代表絮凝劑溶液設
定用量， 代表酸性水流量， 代表堿性水流量， 代表
絮凝劑干藥投加量設定值，D代表絮凝劑溶液制備濃度。
由于工業廢水量受上游生產情況、季節變化等多方面因素影
響，會經常出現波動。所以，絮凝劑添設定加量也應隨廢水量的變化
而變化。為了達到絮凝劑精確控制的目標。需要構建絮凝劑添加的
隨動控制系統，即給定量按照事先未知的時間函數變化，要求輸出
量跟隨給定量的變化。控制流程如圖4所示：
3.2 濃密機生產自動控制算法
由于濃密機工藝機理復雜，內部狀態不易觀察，并具有大慣性、非
線性、入料性質波動頻繁的特點。所以實現濃密機的自動控制將會極
大提高工業廢水處理能力和質量。系統根據工業現場的實際情況，實
現了濃密機的底流流量自動控制、泥層自動控制、負荷連鎖控制等。
3.2.1 底流流量自動控制
操作員可以遠程設置濃密機底流流量，濃密機底流渣漿泵轉速
同底流流量構成閉環控制，可以實現濃密機流量的自動調節，確保
底流實際流量同濃密機設定流量基本相同。濃密機底流流量控制回
路如圖5所示：
3.2.2 濃密機泥層自動控制
濃密機泥層的穩定控制對于提高濃密機底流濃度、減小溢流水
懸浮物數量都有重要的作用。濃密機底流渣漿泵轉速同泥水界面儀
檢測到的泥層高度構成閉環控制，具體算法如圖6所示：
3.2.3 濃密機負荷連鎖控制
濃密機連鎖控制是針對防止濃密機負荷過大而設計的連鎖控
制程序。當濃密機的負荷超過一定數值以后，則底流泵加大轉速工
作，盡快的將濃密機的泥層排出，使濃密機到達穩定符合狀態。達到
設定的穩定負荷狀態以后，濃密機恢復之前的控制狀態，繼續生產。
3.3 排礦、返砂量遠程控制
系統集成了濃密機底流泵控制閥、排礦閥和返砂閥的遠程控
制。用戶可以在控制室中進行底流泵控制切換、排礦管路切換和返
砂量調整的功能。
4 、工業應用
濃密機生產過程控制系統于2010年在德興銅礦精尾綜合廠工
業水處理站正式投入使用。在使用過程當中對于工業廢水的處理量
和處理效率都有很大的提高。在系統投入使用期間，日處理工業廢
水量最高時可達到60000噸/天以上，酸性水處理能力最大時可達到
20000噸/天,較原有額定處理能力提高了20%。同時，系統能夠有效
地提高濃密機的底流濃度，最大底流濃度可達到30%，較系統應用
前濃度提高了15%。并且，系統可對溢流水濁度進行有效地檢測和
控制，保證了溢流水達標排放。
5 、結語
通過對濃密機生產過程的自動化控制，提高了絮凝劑添加的及
時性和精度，穩定了工業廢水處理的連續生產；提高了工業水站的
處理能力和外排清水的監控能力；降低了礦山廢水排放對環境產生
的破壞，取得了巨大的經濟效益、生態效益和社會效益。
參考文獻
[1] 耿增顯,柴天佑,岳恒.濃密機生產過程綜合自動化系統.控制工
程[M],2008(4)353-356.
[2] 楊慧.高壓縮性濃密機系統的自動控制.礦冶工程[M],2004(8)44-46.
以太網傳輸無干擾。RJ45連接器的屏蔽將被連接到CP 243-1的接
地端子。
3.2 CPU 和 CP 243-1 通訊處理器的組態
安裝好后，所有模塊上電通過網線連接，必須使用S T E P 7
Micro/WIN 32（版本3.2.1或以上）軟件，PC/PPI電纜或MPI電纜，
使用STEP 7 Micro/WIN 32中的向導程序對CP 243-1進行組
態，將1號泵的CP 243-1 IP地址設為192.168.3.1、2號泵設192.
168.3.2、3號泵設為192.168.3.2、4號泵設為192.168.3.4、5號泵設
為192.168.3.5，子網掩碼255.255.255.0也必須進行組態，子網掩
碼255.255.255.0。設置完成后分別下到各自的PLC系統中。如果CP
243-1識別到一個無效的組態，它將嘗試通過BOOTP服務器檢索其
TCP/IP地址參數（IP地址、子網掩碼、網關的IP地址）。CP 243-1
繼續該嘗試將持續大約1分鐘。如果在該時間內它不能從BOOTP服
務器中收到一個響應，或如果響應無效或錯誤，紅色指示燈（“SF”）
將閃亮大約30秒鐘。該步驟將循環進行，直到CP 243-1在S7-200
CPU存儲器中找到一個有效的組態或從BOOTP服務器中接收到一
個有效的響應。
4 、系統功能
PLC可控制系統對整個系統進行統一協調的控制，使深井泵處
于最佳工作狀態，能保證恒定的冶煉系統提供水壓，能穩定的運行。
人際交互界面能方便的提供電機運行、水壓、流量的參數。操作員可
以隨時了解整個水泵系統的工況、相關參數及時處理一些問題，以
滿足系統控制要求。由于系統的顯示和通訊功能,可以對系統工作
情況進行全面監測。考慮到管網覆蓋面積大,泵站遠端供水壓力需
維持0.4MPa，因此泵站出水口壓力必須維持0.5Mpa。
(1)集中監控系統完成對現場實時數據采集、監測設備運行中
的狀態參數，跟蹤供水工藝情況。
(2)集中監控系統完成控制每一臺泵的變頻器和工頻的啟動、
停止。
(3)集中監控系統可以查詢歷史數據和實時數據，可以根據數
據進行數據分析。
(4)集中監控系統可以完成自動調整變頻器的頻率改變所需供
水水壓。
(5)集中監控系統可以對每一臺泵的通訊、非正常停機、電流、
溫度、壓力異常的故障進行報警。
5 、結語
該恒壓供水系統已經運行一年多了，系統比較穩定。對設備運
行起到很好的監控作用，提高供水的自動化程度，大大降低了工人
的勞動強度和勞動成本，而且保證了我公司冶煉系統的恒壓供水，
確保了生產的正常進行。
參考文獻
[1] CP 243-1 工業以太網通訊處理器手冊.
[2] 智慧.世紀星與西門子S7200 以太網.世紀星月刊.
[3] 張建奇.數字PID 變頻調速在PLC 恒壓供水中的應用.北京:微計
算機信息.
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