AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOINŻYNIERII

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOINŻYNIERII ZAKŁAD PRZERÓBKI KOPALIN, OCHRONY ŚRODOWISKA I UTYLIZACJI ODPADÓW ROZPRAWA DOKTORSKA Mgr inż. Damian Krawczykowski ZUŻYCIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ JAKO SKŁADNIK WSKAŹNIKÓW OCENY I OPTYMALIZACJI PRACY WĘZŁA MIELENIA I KLASYFIKACJI RUDY MIEDZI PROMOTOR Dr hab. inż. Kazimierz Trybalski, prof. nadzw. - KRAKÓW

2 1. Wstęp 4 2. Opis obiektu badań O/ZWR Rejon Lubin Opis rudy Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna Właściwości kopaliny Opis stosowanych technologii Struktura O/ZWR Rejon Lubin Procesy technologiczne Wskaźniki wzbogacania Schemat technologiczny obiektu badań Ogólny opis schematu kontroli Opis systemu optymalizacji PlantStar Urządzenia kontrolno-pomiarowe Opomiarowanie węzła mielenia i klasyfikacji Mierzone wielkości Układy regulacji i sterowania Ogólna analiza kosztów w układzie stanowiskowym ze szczególnym uwzględnieniem kosztów energii Teza, cel i zakres pracy Podstawy teoretyczne oraz przegląd rozwiązań krajowych i światowych Energetyczne teorie rozdrabniania Wskaźniki oceny Wskaźniki technologiczne Wskaźniki techniczne Wskaźniki ekonomiczne Modele matematyczne procesów technologicznych Rodzaje modeli matematycznych Optymalizacja Podział metod optymalizacji Zadania programowania liniowego Zadania programowania nieliniowego Optymalizacja wielokryterialna Optymalizacja statyczna i dynamiczna Przykłady optymalizacji w przeróbce kopalin Eksperyment czynnikowy w O/ZWR Rejon Lubin Opis eksperymentu Charakterystyka zebranych danych Wskaźniki energetyczne oceny pracy węzła mielenia i klasyfikacji Metody obliczeniowe Modelowanie regresyjne Modelowanie sieciami neuronowymi Optymalizacja wskaźników Badania uzupełniające w O/ZWR Rejon Polkowice Cel badań Obiekt badań Zakres badań 123 2

3 8.4. Przyjęte wskaźniki oceny Analiza wyników Wnioski z badań uzupełniających istotne z punktu widzenia realizacji rozprawy doktorskiej Podsumowanie i wnioski końcowe 137 Literatura 141 Spis rysunków 146 Spis tabel 148 Załącznik 151 3

4 1. Wstęp Polskie rudy miedzi z uwagi na swoją zmienność, skład mineralny, liczbę występujących typów litologicznych oraz wielkość ziaren minerałów kruszcowych i charakter mineralizacji należy zaliczyć do trudno wzbogacalnych. Trudność ta pojawia się szczególnie na etapie ich przygotowania do wzbogacania i samej flotacji a nawet w procesie odwadniania. Polega ona na konieczności stosowania drobnego mielenia, długich czasów flotacji oraz termicznego dosuszania koncentratu końcowego. Tłumaczy to w sposób obiektywny większą energochłonność procesu wzbogacania tych rud, niezależnie od przyjętych rozwiązań projektowo technicznych (Grotowski, Banach, Pluskota, 1996). Obecnie kryterium ekonomiczne, najważniejsze kryterium decydujące o sposobie funkcjonowania przedsiębiorstw, w tym również zakładów przeróbczych, wymusza działania zmierzające do poprawy jakości i efektywności produkcji a przede wszystkim minimalizacji jej kosztów. Dlatego sprawa doboru właściwej technologii, przyjęcia możliwie najlepszych rozwiązań projektowych oraz zastosowania nowoczesnego wyposażenia technicznego wraz z szeroko rozumianą automatyzacją produkcji jest szczególnie ważna dla zapewnienia niskich kosztów przerobu. Działania te są sukcesywnie podejmowane od wielu lat, prowadzone są badania nad modyfikacją zastosowanych technologii wzbogacania oraz modernizacją znajdującego się w zakładach wyposażenia technicznego i wdrażaniem nowoczesnych systemów sterowania i kontroli procesem wzbogacania rud miedzi zmierzających do pełnej optymalizacji procesu przeróbki rud miedzi. Warunkiem skutecznej optymalizacji całego procesu wzbogacania jest możliwie pełna identyfikacja operacji technologicznych na drodze modelowania matematycznego oraz wykorzystanie uzyskiwanych w ten sposób modeli w kompleksowych systemach sterowania komputerowego poszczególnymi układami technologicznymi. Nie jest to proste zagadnienie zważywszy na złożoność, wielostadialność oraz różnorodność operacji wzbogacania wchodzących w skład procesu technologicznego przeróbki rud miedzi. Racjonalnym podejściem do zagadnienia optymalizacji jest traktowanie procesu, jako ciągu autonomicznych układów technologicznych grupujących w swojej strukturze powiązane ze sobą, często pokrewne pod względem charakteru i skutków działania operacje technologiczne wzbogacania rud miedzi (Trybalski, Krawczykowski, 2006). Podejmując działania optymalizacyjne mające na celu zminimalizowanie kosztów przerobu rud miedzi, należy przede wszystkim zidentyfikować źródła ich generowania. W rozdziale czwartym pracy przeprowadzono analizę kosztów w ujęciu stanowiskowym dla jednego z polskich 4

5 zakładów wzbogacania rud miedzi, wskazując jako główny składnik kosztów energię elektryczną. Wytypowano również procesy technologiczne oraz układy napędowe generujące najwyższe koszty. Biorąc pod uwagę powyższe uwarunkowania do badań wybrano układ technologiczny węzeł mielenia i klasyfikacji w KGHM Polska Miedź S.A. Oddział Zakłady Wzbogacania Rud Rejon Lubin. Charakterystykę obiektu badań przedstawiono w rozdziałach drugim i trzecim. Realizując cel i zakres pracy, wybrany obiekt technologiczny poddano procedurom modelowania i optymalizacji. Zaproponowano i obliczono wskaźniki energetyczne oraz ich modele opisujące charakter i siłę zależności pomiędzy wskaźnikami a danymi energetycznotechnologicznymi procesu mielenia i klasyfikacji. Sformułowano zadania optymalizacyjne mające na celu ekstremalizację wytypowanych dwóch najskuteczniejszych wskaźników oceniających pracę węzła mielenia i klasyfikacji. Słuszność wyboru wskaźników energetycznych do oceny węzła mielenia i klasyfikacji oraz możliwość ich praktycznego wykorzystania w warunkach przemysłowych potwierdzono eksperymentalnie na obiekcie technologicznym w O/ZWR Rejon Polkowice. Charakterystykę obiektu oraz zakres realizowanych badań i wynikających z nich wniosków przedstawiono w rozdziale ósmym niniejszej rozprawy. 2. Opis obiektu badań O/ZWR Rejon Lubin Zakład Wzbogacania Rudy Lubin jest najstarszym zakładem przerabiającym rudę miedzi z Legnicko-Głogowskiego Zagłębia Miedziowego. Działalność eksploatacyjna ZWR Lubin podjęta została w lipcu 1968 r., a maksymalną zdolność produkcyjną wynoszącą Mg/dobę zakład osiągnął w kwietniu 1972 r. W wyniku rozpoczętej w minionych latach i kontynuowanej obecnie restrukturyzacji polskiego przemysłu miedziowego, w lipcu 1998 r. ZWR Lubin wszedł w skład Oddziału ZWR jako Rejon Lubin, wzbogacający rudę wydobywaną przez Oddział Zakłady Górnicze Lubin Opis rudy Ruda miedzi eksploatowana z poszczególnych kopalń Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego, stanowiąca nadawę dla zakładów wzbogacania rud, różni się pod względem ilościowego udziału odmian litologicznych rudy, ich składu petrograficznego i struktury, mineralizacji kruszcowej, zawartości miedzi i pierwiastków współwystępujących oraz parametrów 5

6 fizyczno mechanicznych i technicznych skał złożowych. Znajomość tych właściwości ma podstawowe znaczenie dla procesów ich przeróbki mechanicznej i skutecznego wzbogacania (Spalińska, Stec, Sztaba, 1996) Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna Głównymi skałami złoża rud miedzi monokliny przedsudeckiej są skały piaskowcowe tzw. białego i czerwonego spągowca, łupki miedzionośne oraz skały węglanowe cechsztynu. Pod względem litologicznym utwory te wykazują duże zróżnicowanie, które jest wynikiem depozycji w środowisku redukcyjnym euksynicznym (Harańczyk, 1972) lub działań procesów utleniających. Na zmiany w budowie wewnętrznej poszczególnych odmian litologicznych istotny wpływ wywiera obecność minerałów siarczkowych. Ich zawartości nierzadko przekraczają 50% objętości skał. Ruda węglanowa, reprezentowana jest przez drobnoziarniste dolomity wapniste i rzadziej wapienie dolomityczne, zawiera szereg minerałów takich jak: dolomit, kalcyt, gips, anhydryt, domieszki minerałów ilastych. Minerały miedzionośne występują w niej w drobnych wpryśnięciach, przeważnie w ziarnach o wielkości od 30 do 200 μm. Utwory łupkowe pod względem litologicznym są dość zróżnicowane. Charakteryzują się zmiennym udziałem podstawowych składników, do których należą minerały ilaste (illit, montmoryllonit, chloryt) ok. 45%, substancje organiczne ok. 6,9%, węglany (głównie dolomit, rzadziej kalcyt) ok. 40% oraz detryty (głównie kwarc, rzadziej skalenie, muskowit, okruchy skał) ok. 3,5%. Występujące w nich minerały miedzionośne charakteryzują się uziarnieniem średnio od 5 do 40 μm. Ruda piaskowcowa wykształcona jest w postaci piasków jasnoszarych, drobnoziarnistych, zbitych o spoiwie węglanowym i ilastym. Zawiera głównie ziarna kwarcu, nieznaczne ilości skaleni, okruchów skał. Minerały kruszcowe, w większości o wielkościach ziarn od 50 do 200 μm, występują przede wszystkim w lepiszczu spajającym ziarna kwarcu. Udział poszczególnych odmian litologicznych rud przedstawia rysunek

7 100% 10,0% 80% 60% 40% 70,0% 10,0% 80,0% 56,0% 6,0% PIASKOWIEC ŁUPEK DOLOMIT 20% 18,7% 38,0% 0% 11,3% ZWR LUBIN ZWR POLKOWICE ZWR RUDNA Rys Skład litologiczny rudy wzbogacanej w poszczególnych ZWR. Poszczególne odmiany rud wykazują obecność tych samych podstawowych minerałów skałotwórczych, a różnice polegają na zmiennych proporcjach ilościowych (tab. 2.1). Zwraca uwagę obecność minerałów ilastych, a zwłaszcza substancji organicznej, jako składników niekorzystnych dla procesów technologicznych (Kijewski, Jarosz, 1996). Tabela 2.1 Średni skład petrograficzny odmian rud miedzi [% wag.] MINERAŁY RUDA PIASKOWCOWA ŁUPKOWA DOLOMITOWA Kwarc 72,0 5,0 3,0 Minerały ilaste 15,0 39,0 16,5 Węglany 8,0 42,0 72,0 Siarczany 2,0 5,0 Substancje organiczne ślady 6,0 0,5 Siarczki miedzi 3,0 8,0 3,0 Okruszcowanie W obszarze złożowym wyróżnić można sześć podstawowych typów okruszcowania (Piestrzyński, 1996): rozproszone, gniazdowe, żyłkowe, soczewkowe, lamin kruszcowych, masywne. 7

8 Okruszcowanie typu rozproszonego jest najbardziej rozpowszechnione w złożu. Minerały kruszcowe wypełniają wolne przestrzenie we wszystkich typach skał, często zastępują węglanowo-ilaste spoiwo piaskowca. Okruszcowanie gniazdowe występuje głównie w dolomitach, rzadziej w piaskowcu. Typy żyłkowy i soczewkowy są charakterystyczne dla łupków miedzionośnych, rzadziej dolomitów i piaskowców. Natomiast laminy kruszcowe są obserwowane wyłącznie w piaskowcu. Okruszcowanie typu masowego jest rzadko spotykane, występuje wyłącznie w stropie piaskowca oraz w otoczeniu nieregularnych struktur piaskowca o spoiwie anhydrytowym, sporadycznie obserwowane jest w dolomicie granicznym. W złożu polimetalicznym monokliny przedsudeckiej stwierdzono dotychczas ponad 100 minerałów kruszcowych, z których najważniejszymi minerałami miedzi są: Chalkozyn (Cu 2 S) jest minerałem dominującym we wszystkich trzech typach rudy na całym obszarze złoża od Lubina po Sieroszowice. Maksymalne koncentracje chalkozynu, do 90% obj., występują w pobliżu gniazdowych struktur piaskowca o spoiwie anhydrytowym. Jego średni udział względny może wynosić nawet 94% sumy wszystkich siarczków. Generalnie w piaskowcu ilość chalkozynu nie przekracza objętościowo kilku procent. Bornit (Cu 5 FeS 4 ) pod względem ilościowym bornit jest drugim minerałem kruszcowym w złożu po chalkozynie. Występuje we wszystkich litologicznych odmianach rudy. W piaskowcu średnia zawartość tego minerału waha się w granicach 0,2-0,7% obj., w łupku 0,4-1,6% obj., natomiast w dolomitach obserwuje się zróżnicowanie od 0,1 do 1,0% obj. Bornit tworzy głównie struktury rozproszone, gniazdowe i żyłkowe we wszystkich skałach złożowych. Skład chemiczny bornitu jest bardzo zróżnicowany. Bornit z obszarów złoża Lubin i Polkowice wykazuje na ogół wyższą zawartość srebra (Salamon, 1976). Digenit (Cu 9 S 5 ) podobnie jak chalkozyn, występuje we wszystkich litologicznych typach rudy. Pod względem ilościowym zajmuje trzecią pozycję wśród siarczków. Zawartość tego minerału oscyluje w przedziale 0,1-0,75% obj. Digenit występuje w postaci samodzielnych, najczęściej ksenomorficznych kryształów lub w zrostach. Często jest zastępowany przez kowelin. Występuje przeważnie w dużym rozproszeniu. Kowelin (CuS) jest obecny we wszystkich odmianach litologicznych rudy. Pod względem ilościowym zajmuje czwarte miejsce wśród siarczków. Największe jego koncentracje są spotykane w piaskowcu, gdzie tworzy struktury masywne, będące wynikiem wtórnych wzbogaceń (Mayer, Piestrzyński, 1985). W złożu kowelin występuje najczęściej w dużym rozproszeniu. Średnie zawartości tego minerału wynoszą: w piaskowcu 0,2-0,4% obj., w łupku 0,25-0,7% obj., w dolomitach 0,1-0,2% obj. Generalnie kowelin występuje w zrostach, a także tworzy struktury korozyjne. 8

9 Chalkopiryt (CuFeS 2 ) jest minerałem pospolicie występującym w obszarze Lubin Sieroszowice. Obecny jest we wszystkich trzech typach litologicznych rudy. Maksymalne jego koncentracje stwierdzano przy górnej granicy strefy bornitowo-chalkozynowej oraz w strefach o malejącej intensywności okruszcowania miedziowego, zarówno w skałach dolomitowych jak i w piaskowcu. Występuje samodzielnie w postaci ksenomorficznych kryształów lub w zrostach i agregatach wielomineralnych. Jego typowymi strukturami są okruszcowania: rozproszone, gniazdowe, żyłkowe oraz wypełnienia pustych przestrzeni, w tym form organogenicznych. W tabeli 2.2 przedstawiono udziały procentowe podstawowych minerałów miedzionośnych w nadawie wzbogacanej w poszczególnych rejonach O/ZWR. Tabela 2.2 Procentowy udział podstawowych minerałów siarczkowych miedzi w nadawie dla poszczególnych Rejonów O/ZWR w 2002 r Rejon O/ZWR CHALKOZYN BORNIT CHALKOPIRYT KOWELIN Lubin 29,2 47,5 23,1 Polkowice 77,5 8,9 3,9 0,7 Rudna 64,9 18,7 4,1 1,7 Metale towarzyszące w złożu rud miedzi W złożach rud miedzi monokliny przedsudeckiej występuje szerokie spektrum pierwiastków towarzyszących. Należą do nich przede wszystkim metale ciężkie, takie jak Ag, Pb, Zn, Cd, Ni, Co, Fe, Au, Pt, Pd, V, Hg, Sn, Ge, U, Th, Mo, Re, pierwiastki niemetaliczne, jak S, Se, Ba, F oraz grupa pierwiastków o właściwościach pośrednich, jak As, Sb i Bi. W tej licznej grupie pierwiastków towarzyszących znajdują się pospolite i rzadkie, mniej i bardziej cenne, w ilościach śladowych i silnie skoncentrowane, tworzące własne fazy mineralne i izomorficznie podstawione, obojętne i szkodliwe dla środowiska naturalnego oraz dla technologii przeróbki, a zwłaszcza hutnictwa. Jeśli za kryterium klasyfikacji pierwiastków przyjąć zawartość średnią, to w złożach rud miedzi można wyróżnić grupę pierwiastków głównych Cu, S, Pb i Fe o zawartości powyżej 0,1%. Do drugiej grupy zaliczyć można te pierwiastki, których średnia zawartość oscyluje w przedziale g/Mg, jak Zn, F, As, Ni, Co, V, Ag, Mo, U. Trzecią grupę stanowią pierwiastki o średnich zawartościach poniżej 10g/Mg: Sb, Bi, Th, Sn, Cd, Se, Hg, Ge, Re, Au, Pd i Pt. Jeśli kryterium klasyfikacji byłby stopień segregacji, wówczas najlepszym wzbogaceniem rzędu 10 3 wyróżnia się srebro. Z tego punktu widzenia uzasadnione staje się traktowanie złoża monokliny przedsudeckiej jako złoża miedziowo-srebrowego (Banaś, Kijewski, Salamon, 1996). 9

10 W tabelach 2.3 i 2.4 podano zawartości pierwiastków lub związków ekologicznie czystych oraz ekologicznie niebezpiecznych w produktach bilansowych ZWR Lubin w 1994 roku. Tabela 2.3 Zawartość podstawowych składników w próbach bilansowych O/ZWR Rejon Lubin PIERWIASTKI NADAWA ODPADY KONCENTRAT UZYSK % STOPIEŃ WZB. Cu 1,32 0,14 19,43 86,6 14,7 Ag ,58 14,1 Au 0,022 0,010 0,209 57,29 9,5 Pt 0,011 0,008 0,059 31,55 5,4 Co ,9 9,8 Mo ,7 8,0 Fe 0,86 0,60 5,55 33,9 6,5 S 1,63 0,64 15,9 65,3 8,8 C org 0,68 0,26 6,99 64,15 10,3 SiO 2 48,1 50,1 18,8 2,5 0,4 CaO 12,90 13,50 6,80 4,72 0,5 MgO 6,10 6,06 6,37 13,40 1,0 Al 2 O 2 4,64 4,40 6,38 16,67 1,4 K 0,97 0,94 1,34 10,36 1,4 Na 0,07 b.d. 0,17 b.d. 2,4 Ag, Au, Pt, Co, Mo [g/mg], pozostałe pierwiastki [%] Tabela 2.4 Zawartość składników ekologicznie niebezpiecznych w próbkach bilansowych O/ZWR Rejon Lubin PIERWIASTKI NADAWA ODPADY KONCENTRAT UZYSK % STOPIEŃ WZB. Pb 0,14 0,04 1,59 73,3 11,4 As 229,0 43,0 2700,0 82,5 11,8 Sb 7,1 1,4 50,7 82,6 7,1 Se 4,1 1,1 27,7 76,2 6,8 Bi 1,3 0,7 2,9 60,8 2,2 Ni 38,0 21,0 275,0 48,4 7,2 Hg b.d. b.d. 3,1 b.d. b.d. Cl b.d. b.d. 0,19 b.d. b.d. F b.d. b.d. 0,079 b.d. b.d. As, Sb, Se, Bi, Ni, Hg [g/mg], pozostałe pierwiastki [%] 10

11 Właściwości kopaliny Parametry fizyczno-mechaniczne i techniczne Do ważnych właściwości kopaliny zalicza się parametry fizyczno-mechaniczne i techniczne. Określone są one przez: dynamiczny współczynnik zwięzłości f d, energetyczny współczynnik urabialności U oraz współczynnik ścieralności na tarczy Brehmego s i bębnie Devala S (tab. 2.5) i charakteryzują zachowanie się odmian rud w procesie urabiania, kruszenia i mielenia. Rodzaj rudy w profilu złoża Tabela 2.5 Techniczne właściwości rudy miedzi Dynamiczny wsp. zwięzłości f d Współczynnik urabialności U [N/m*9, ] Wsp. ścieralności na tarczy Brehme go s [cm] Liczba ścieralności w bębnie Devala S o [%] r. dolomitowa 7,3-7,8 8,0-8,8 0,86-1,1 7,0-10,0 r. łupków dolomitowych 5,2-6,7 7,4-7,7 2,1-3,6 8,0 r. łupków ilastych 0,6-1,9 r. piaskowcowa 0,2-0,4 1,3-2,2 1,3-3, Wysoką zwięzłością odznaczają się skały dolomitowe i łupki dolomityczne. Wiąże się to z drobnokrystaliczną, zwartą teksturą tych skał, procesami rekrystalizacji oraz lokalnie bogatą mineralizacją kruszcową, zwłaszcza w łupkach. Gwałtowne obniżenie zwięzłości wykazują łupki ilaste. Na niskim poziomie utrzymuje się także zwięzłość piaskowców, zwłaszcza z ubogim spoiwem ilastym lub ilasto-żelazistym. Energetyczny wskaźnik urabialności wprowadzony został w górnictwie węgla kamiennego jako miernik energii zużywanej na zniszczenie struktury skały. Zastosowany do określenia urabialności rud miedzi pozwala na pogłębienie znajomości zachowania się skał złożowych w procesach górniczych i technologicznych. Maksymalne wartości wskaźnika urabialności stwierdzono w rudzie dolomitowej i łupkach ilastych, pośrednie w stropowej warstwie piaskowca, a najniższe w piaskowcach o spoiwie ilastym. Pod względem ścieralności ruda łupkowo-dolomitowa należy do materiałów o niskiej ścieralności. Natomiast wysoka ścieralność rudy piaskowcowej wynika z dominującej roli kwarcu. Zachodzi tu jednak zróżnicowanie ruda piaskowcowa o obfitym spoiwie węglanowym, węglanowo-ilastym lub siarczanowym ma niższą ścieralność w porównaniu z piaskowcami, w których następuje ubytek spoiwa na korzyść detrytycznego kwarcu. Techniczne właściwości skał korelują z ich parametrami mechanicznymi i fizycznymi (Kijewski, Jarosz, 1996). 11

12 Geomechaniczna klasyfikacja skał Systematykę skał przeprowadza się na podstawie ich cech struktury i składu mineralnego oraz właściwości geomechanicznych. Dla poszczególnych odmian litologicznych występujących w złożu określa się przeciętne wartości parametrów fizycznych i mechanicznych (Kijewski, Lis, 1994). Piaskowce wykazują jednolity skład materiału okruchowego (głównie ziarna kwarcu) i znaczne zróżnicowanie jakości i ilości spoiwa. Piaskowce zawierające obfite spoiwo węglanowe są skałami zwięzłymi i wykazują najwyższe wartości wskaźników wytrzymałościowosprężystych. Takie same właściwości wykazują również piaskowce o spoiwie anhydrytowym, występujące lokalnie w obszarach złoża. Zawartość spoiwa węglanowego lub anhydrytowego wynosi przeciętnie 30% objętości. Piaskowce z przewagą spoiwa ilastego (5-15% obj.) są natomiast skałami kruchymi i rozsypliwymi o niskich wartościach wskaźników geomechanicznych. Łupki miedzionośne wykształcone są w postaci odmiany ilasto-organicznej (tzw. łupki smolące) oraz ilasto-dolomitowej. Łupki ilasto-organiczne są bardzo kruche i rozsypliwe, natomiast dolomitowe odmiany łupków wykazują znaczną zwięzłość i wyższe wartości parametrów wytrzymałościowo-sprężystych. Skały węglanowe reprezentowane są przez dolomity margliste i smugowate. Skały te charakteryzują się znaczną domieszką materiału detrytycznego oraz niższymi w stosunku do innych odmian skał węglanowych wskaźnikami wytrzymałościowo-sprężystymi. Generalnie można stwierdzić, że skały węglanowe należą do skał masywnych, zwięzłych o wysokich parametrach wytrzymałościowych i sprężystych. Świadczy to o dużej skłonności tych skał do dynamicznego rozpadu podczas ich rozdrabniania (Kunysz i in., 1996) Opis stosowanych technologii Ze względu na litologiczne zróżnicowanie polskich rud miedzi, technologie wzbogacania poszczególnych typów rud dostosowane są do ich odmiennych charakterystyk wzbogacalności i polegają na selektywnej przeróbce mieszaniny rudy piaskowcowo-węglanowo-łupkowej. Proces przeróbki polskich rud miedzi składa się z następujących operacji technologicznych: przygotowawczych kruszenia, mielenia, klasyfikacji (sitowej i przepływowej), głównych flotacji, uzupełniających odwadniania koncentratu i składowania odpadów. 12

13 Poszczególne typy litologiczne rud miedzi różnią się charakterem wzbogacalności. Najgorszą wzbogacalność wykazują łupki, w których zawartość składników organicznych i drobno wpryśniętych minerałów miedzi jest największa. Piaskowce natomiast wzbogacają się najłatwiej, wykazują największą podatność na rozdrabnianie i pozbawione są niemal zupełnie substancji organicznej i drobnych wpryśnięć. W związku z tym technologie dla obu typów rud muszą być indywidualnie dostosowane do ich charakterystyk wzbogacalności. Frakcja piaskowcowa ulega w młynach prętowych łatwemu zmieleniu i rozmyciu w wyniku czego uzyskuje się uwolnienie siarczków miedzi tkwiących w lepiszczu wapienno-ilastym. Umożliwia to jednostadialną przeróbkę tej frakcji i uzyskanie korzystnych wskaźników techniczno-technologicznych całego procesu wzbogacania. Frakcję węglanową zawierającą łupki i wapienie, wymagającą znacznie drobniejszego zmielenia w celu uwolnienia minerałów siarczkowych, wzbogaca się w układach dwustadialnych Struktura O/ZWR Rejon Lubin Zakład Wzbogacania Rudy Rejon Lubin był pierwszym zakładem, który na skalę przemysłową rozpoczął przeróbkę rudy miedzi pochodzącej z Legnicko-Głogowskiego Zagłębia Miedziowego. Wraz z rozwojem techniki oraz nabywaniem doświadczeń, w kolejnych latach, podejmowano działania zmierzające w kierunku (Zboiński, Smolarz, Krawczyk, 2000): poprawy technologii wzbogacania poprzez dostosowanie schematów technologicznych do właściwości przerabianej rudy, poprawy techniki wzbogacania poprzez zastosowanie nowych maszyn i urządzeń przeróbczych o lepszych parametrach techniczno-technologicznych, a przede wszystkim efektywniejszych ekonomicznie, kontroli procesów technologicznych poprzez postępującą ich automatyzację. Istotą rozwoju technologii w O/ZWR Rejon Lubin, na przestrzeni dziesięcioleci, był rozdział mieszaniny rud na frakcje piaskowcową i węglanową oraz selektywna przeróbka tych frakcji w autonomicznych węzłach wzbogacania obejmujących mielenie wraz z flotacją wstępną, główną i odpowiednim układem czyszczenia koncentratu. Cechą tak opracowanej technologii była możliwość dostosowania parametrów pracy poszczególnych węzłów technologicznych do zróżnicowanych wymagań w zakresie wzbogacania wyodrębnionych frakcji litologicznych (Wieniewski i in., 1996). Obecnie, wzbogacanie rudy miedzi w O/ZWR Rejon Lubin, realizowane jest w dwóch ciągach produkcyjnych o łącznej zdolności przerobowej Mg/dobę (rys. 2.2, 2.3). Każdy z ciągów przerabia rudę o odmiennym składzie litologicznym. W pierwszym ciągu przerabiana jest frakcja węglanowo-łupkowa, w drugim natomiast frakcja piaskowcowa. 13

14 Różnice pomiędzy ciągami wynikają z odmienności litologicznej przerabianych rud i polegają głównie na zastosowaniu bardziej intensywnego mielenia w cyklach zamkniętych z procesami kilkustopniowej klasyfikacji. NADAWA NA - I CIĄG MP W KLASYFIKATOR ZWOJOWY P MK HC φ 500 HC φ 500 MC FLOTACJA W OBIEGU MIELENIA O K HC φ 500 HC φ 500 FLOTACJA PIASKÓW O K1 K2 K3 HC φ 350 FLOTACJA GŁÓWNA O K1 K2 ODPAD KOŃCOWY MC ODPAD KOŃCOWY HC φ 350 FLOTACJA CZYSZCZĄCA I O K MC FLOTACJA CZYSZCZĄCA II O K FLOTACJA W OB. DOMIELANIA O K FLOTACJA CZYSZCZĄCA III O K KONCENTRAT KOŃCOWY Rys Schemat technologiczny I-go ciągu O/ZWR Rejon Lubin 14

15 NADAWA NA - I I CIĄG MP W KLASYFIKATOR ZWOJOWY P FLOTACJA WSTĘPNA MK O K HC φ 500 HC φ 500 FLOTACJA PIASKÓW O K K K FLOTACJA SZYBKA HC φ 500 K O MK HC φ 350 FLOTACJA ŁUPK. - WĘGL. O K K K MK HC φ 350 FLOTACJA CZYSZCZĄCA I O K MC FLOTACJA CZYSZCZĄCA II O K HC φ 500 FLOTACJA OB. DOMIELANIA O K ODPAD KOŃCOWY KONCENTRAT KOŃCOWY Rys Schemat technologiczny II-go ciągu O/ZWR Rejon Lubin 15

16 Procesy technologiczne Poniżej opisano i scharakteryzowano poszczególne operacje technologiczne stosowane w O/ZWR Rejon Lubin. Przesiewanie i kruszenie Na przestrzeni lat schemat przygotowania rudy do procesu mielenia i klasyfikacji był kilkakrotnie modyfikowany. Stosowane niegdyś przesiewacze rusztowo-wałkowe do przesiewania rudy surowej, charakteryzowały się niską sprawnością technologiczną oraz nie zapewniały produktów o odpowiedniej granulacji. Stwarzało to utrudnienia w procesie kruszenia oraz podrażało koszty eksploatacyjne kruszarek. Etap modernizacji obejmował więc wymianę przesiewaczy rusztowo-wałkowych na przesiewacze wibracyjne dwupokładowe typu PZ. Zmiana ta zasadniczo wpłynęła na uziarnienie i skład litologiczny nadawy kierowanej do wzbogacania w poszczególnych ciągach technologicznych (Zboiński, Smolarz, Krawczyk, 2000). W celu poprawy flotowalności rudy węglanowo-łupkowej oraz obniżenia energochłonności procesu mielenia, wprowadzono kolejną zmianę w węźle przygotowania rudy. Do jednostopniowego kruszenia odbywającego się w kruszarkach młotkowych, w których ruda rozdrabniana była do uziarnienia <40 mm, w roku 1998 wprowadzona została dodatkowa operacja drugiego stopnia kruszenia z zastosowaniem kruszarek stożkowych HP-700 firmy Nordberg (Zboiński, Smolarz, Krawczyk, 2000). Aktualny schemat przygotowania rudy dla poszczególnych ciągów technologicznych przedstawia rysunek 2.4. Rozdział rudy na frakcje litologiczne odbywa się w procesie przesiewania rudy surowej w przesiewaczu wibracyjnym dwupokładowym typu PZ. W wyniku przesiewania uzyskuje się frakcję o uziarnieniu >16 mm i podwyższonym udziale węglanów i łupków do około 45-55% oraz frakcję piaskowców o zawartości powyżej 60% i granulacji <16 mm. Frakcja drobna przesiewania stanowi nadawę do procesu mielenia w młynach prętowych w II ciągu technologicznym, natomiast produkt górny przesiewania poddawany jest kruszeniu w kruszarkach udarowych młotkowych typu firmy PZBM Makrum. Rozdrobniona ruda do uziarnienia 40 mm kierowana jest na przesiewacz wibracyjny jednopokładowy o wymiarze oczka sita d T = 16 mm. Górny produkt przesiewacza podlega drugiemu stopniowi rozdrabniania w kruszarkach stożkowych. Uzyskany stąd produkt kruszenia oraz dolny produkt z przesiewacza jednopokładowego stanowi nadawę do procesu mielenia w młynach prętowych w I ciągu technologicznym. Wszystkie kolejne etapy przeróbki rudy aż do uzyskania koncentratu końcowego realizowane są z udziałem wody technologicznej na mokro. 16

17 RUDA SUROWA + 16 mm I S T O P I E Ń K R U S Z E N I A < 40 mm KRUSZARKA MŁOTKOWA P R Z E S I E W A N I E Φ = 16 mm PRZESIEWACZ WIBRACYJNY typu PZ - 16 mm I I S T O P I E Ń K R U S Z E N I A < 16 mm KRUSZARKA STOŻKOWA + 16 mm - 16 mm P R Z E S I E W A N I E Φ = 16 mm PRZESIEWACZ WIBRACYJNY typu PZ ZBIORNIK RUDY NADAWA NA I CIĄG ZBIORNIK RUDY NADAWA NA II CIĄG Rys Schemat przygotowania rudy do mielenia w I i II ciąg technologicznym O/ZWR Rejon Lubin Mielenie i klasyfikacja Najważniejszym zadaniem procesów mielenia i klasyfikacji jest uwolnienie ze skały płonnej minerałów miedzi oraz zapewnienie optymalnego i stabilnego uziarnienia nadawy kierowanej do wzbogacania flotacyjnego. Ruda rozdrobniona do uziarnienia poniżej 16 mm, za pomocą podajników rewersyjnych i przenośników taśmowych kierowana jest do układu pierwszego mielenia. Układ ten, w przypadku obu ciągów technologicznych, składa się z młynów bębnowych prętowych (MP) wypełnionych prętami o średnicy 100 mm, pracujących w układzie otwartym wraz z klasyfikatorami dwuzwojowymi. Młyny prętowe rozdrabniają rudę do uziarnienia poniżej 3 mm, a klasyfikatory dwuzwojowe na zasadzie klasyfikacji grawitacyjnej rozdzielają ją na dwa produkty: gruboziarnisty wylew o podwyższonym udziale frakcji węglanowo-łupkowej i drobnouziarniony przelew z udziałem frakcji piaskowcowej. 17

18 Wylewy klasyfikatorów dwuzwojowych kierowane są do drugiego stopnia mielenia. Drugi stopień mielenia realizowany jest w młynach bębnowych kulowych (MK) o średnicy kul φ 80 mm, pracujących w układzie zamkniętym (I ciąg technologiczny) lub otwartym (II ciąg technologiczny) z hydrocyklonami (HC) o średnicy φ 500 mm. Dalsze rozwiązania układów mielenia i klasyfikacji, (szczególnie układów domielających realizowanych na ogół w młynach cylpebsowych wraz z hydrocyklonami HC φ 350 mm), stosowane w obu ciągach technologicznych wykazują pewne różnice wynikające z odmiennych właściwości litologicznych rud przerabianych w każdym z ciągów. Przelew klasyfikatorów dwuzwojowych, w przypadku I ciągu technologicznego, kierowany jest do drugiego stopnia klasyfikacji, do hydrocyklonów o średnicy φ 500 mm. Przelew oraz wylew hydrocyklonów (po uprzednim selektywnym domieleniu) stanowi nadawę do flotacyjnego procesu wzbogacenia frakcji piaskowcowej. W przypadku II ciągu technologicznego przelew klasyfikatorów dwuzwojowych nie podlega domieleniu. Jest bezpośrednio kierowany do flotacji wstępnej, której odpad jest klasyfikowany w hydrocyklonach HC φ 500 mm i stanowi nadawę do flotacyjnego procesu wzbogacenia frakcji piaskowcowej. Flotacja W O/ZWR Rejon Lubin wyróżnia się następujące rodzaje operacji flotacyjnych: flotację wstępną, flotacja szybka (II ciąg), flotację w obiegu mielenia (I ciąg), flotacje w obiegu domielenia, flotację główną piaskowcową ( II ciąg ), flotację główną łupkowo-węglanową ( I ciąg ), flotacje czyszczące: 2 lub 3-stopniowe układy czyszczenia koncentratów. Nadawą do procesów flotacji są drobnouziarnione produkty klasyfikacji z hydrocyklonów HC φ 500 mm i HC φ350 mm, (wyjątkiem jest nadawa flotacji szybkiej w II ciągu, którą stanowi gruboziarnisty produkt wylew HC φ 500 mm) oraz wylewy młynów domielających. Zadaniem flotacji wstępnej, szybkiej oraz flotacji w obiegu mielenia i domielania jest usunięcie z nadawy kierowanej do kolejnych stopni mielenia i klasyfikacji ziaren siarczków miedzi, które gotowe są do wyflotowania a w przypadku skierowania ich do mielenia mogłyby ulec przemieleniu. Celem flotacji głównej jest przede wszystkim uzyskanie odpadów flotacyjnych zapewniających minimalne straty miedzi. Zadaniem flotacji czyszczących jest natomiast 18

19 sukcesywne podwyższanie jakości koncentratów pośrednich, aż do osiągnięcia koncentratu końcowego w postaci produktu o wymaganych parametrach jakościowych. Różnice w układach flotacyjnych pomiędzy ciągami technologicznymi, podobnie jak w układach mielenia i klasyfikacji, wynikają z różnych charakterystyk wzbogacalności poszczególnych typów rud. Polegają głównie na niewielkich różnicach w reżimie technologicznym poszczególnych flotacji (np. w ilości i jakości dozowanych odczynników, gęstości mętów flotacyjnych), a także istotnych różnicach w realizacji zawrotów odpadów flotacyjnych. Odpady flotacji głównej, jako końcowe odpady wzbogacania rud miedzi, zawierające ok. 0,19% Cu kierowane są na składowisko odpadów poflotacyjnych Żelazny Most. Natomiast koncentraty końcowe flotacji czyszczących i szybkich (II ciąg), zawierające średnio około 17-18% miedzi, poddawane są zagęszczaniu stanowiącemu pierwszy etap ich odwadniania. Zasadniczy wpływ na efektywność flotacji mają odczynniki flotacyjne, przede wszystkim zbierające i pianotwórcze. Jako odczynniki pianotwórcze stosowane są mieszaniny ksantogenianów etylosodowego i izobutylowego oraz flotanu w ilości około 55 g/mg rudy w.s. W charakterze odczynnika pianotwórczego stosowany jest Corflot w ilości ok. 19 g/mg rudy w.s. Poza odczynnikami flotacyjnymi duży wpływ na efektywność procesu flotacji mają zastosowane maszyny flotacyjne. Proces flotacji prowadzony jest w maszynach pneumo-mechanicznych IZ konstrukcji IMN w Gliwicach. Do flotacji wstępnej w obiegu mielenia oraz flotacji głównej zarówno frakcji piaskowcowej jak i węglanowej stosowane są maszyny IZ-12. W układach flotacji czyszczącej koncentratów stosowane są maszyny IZ-5 oraz HG-8 produkcji fińskiej firmy Outomec. Odwadnianie koncentratu Ze względu na uziarnienie oraz skład mineralny koncentratów końcowych, konieczne jest zastosowanie kilkustopniowego ich odwadniania obejmującego zagęszczanie, filtrację i suszenie termiczne w celu osiągnięcia wymaganej wilgotności wynoszącej około 8,5%. Rysunek 2.5 przedstawia aktualny schemat instalacji odwadniania koncentratów w O/ZWR Rejon Lubin. Po przeprowadzonej modernizacji węzła w miejsce filtrów próżniowych zainstalowano cztery prasy filtracyjne, co spowodowało obniżenie zawartości wody w koncentratach kierowanych do suszenia i umożliwiło zredukowanie liczby suszarek z 10 do 4 (2 pracujące i 2 rezerwowe). 19

20 Rys.2.5. Schemat odwadniania koncentratów w O/ZWR Rejon Lubin Proces odwadniania koncentratów flotacyjnych rozpoczyna się od ich zagęszczania w zagęszczaczach promieniowych Dorra o średnicy 25 m. Zawiesina koncentratu o gęstości około g/dm 3 doprowadzana jest przez rurę centralną, której wylot znajduje się na głębokości 1 m pod powierzchnią lustra zawiesiny w celu wyeliminowania zakłóceń. W zagęszczaczu następuje sedymentacja części stałych w czasie i stopniowa koncentracja osadu na jego dnie. Na powierzchni tworzy się warstwa sklarowanej wody, która zawracana jest do obiegu technologicznego. Zagęszczony do około g/dm 3 koncentrat kierowany jest za pośrednictwem wolno obracających się grabi w kierunku otworu odpływowego, skąd hydraulicznie transportowany jest do pras filtracyjnych poziomych typu ROW. Filtracja jest kolejnym etapem odwadniania zagęszczonego koncentratu flotacyjnego. W procesie filtracji ciśnieniowej w prasach powstają dwa produkty: filtrat zawierający niewielką ilość części stałych w postaci bardzo drobnych ziaren, zawracanych do zagęszczaczy Dorra, placek filtracyjny o wilgotności od 12 do 13%. Ostatnim etapem odwadniania koncentratów jest suszenie termiczne. Placek filtracyjny transportowany systemem przenośników taśmowych trafia do dwóch suszarek obrotowych opalanych gazem ziemnym. Po wysuszeniu koncentrat osiąga wymaganą wilgotność wynoszącą 20

21 około 8,5%. Zanieczyszczone gazy z procesu suszenia wyprowadzane są wentylatorami z przestrzeni roboczej suszarki i oczyszczane w płuczkach uderzeniowych wodnych. Na tym etapie kończy się w O/ZWR proces mechanicznej przeróbki rudy miedzi. Wysuszony koncentrat transportowany jest drogą kolejową do hut, w których rozpoczyna się końcowy etap odzysku miedzi z koncentratów (metodami pirometalurgicznymi), prowadzący do uzyskania finalnych produktów handlowych Wskaźniki wzbogacania Podstawą oceny przebiegu i wyników procesu przeróbki rudy jest bilans materiałowy polegający na zrównoważeniu masy nadawy i powstałych produktów w wartościach bezwzględnych (Mg) i względnych (w % w stosunku do masy nadawy procesu lub operacji) oraz bilans składników użytecznych, polegający na zrównoważeniu masy metalu zawartego w nadawie i w powstałych produktach również w wartościach bezwzględnych i względnych (Sztaba, 2003). W tabeli 2.6 przedstawiono bilans materiałowy dla miedzi, wyrażony wartościami podstawowych wskaźników wzbogacania. CIĄGI Tabela 2.6 Zestawienie podstawowych wskaźników wzbogacania oraz bilansu technologicznego dla O/ZWR Rejon Lubin za 2002r. Q ww [Mg] NADAWA ODPADY KONCENTRAT UZYSK H 2 O [%] Cu [%] Cu [Mg] Cu [%] γ [%] γ [Mg] Cu [%] Cu [Mg] I ciąg ,25 1, ,19 6, , ,56 II ciąg ,25 1, ,18 7, , ,78 ε [%] Schemat technologiczny obiektu badań Głównym obiektem badań, w którym zrealizowano zasadniczą część eksperymentów doświadczalnych mających na celu rozwiązanie sformułowanego celu badawczego, był węzeł mielenia i klasyfikacji II-go ciągu technologicznego O/ZWR Rejon Lubin. Doświadczenia prowadzono w tercji drugiej ciągu, składającego się z trzech niemal identycznych sekcji technologicznych tercji. Rysunek 2.6 przedstawia schemat technologiczny obiektu badań, który obejmuje następujące operacje technologiczne: mielenie w młynach prętowych (MP 221), mielenie w młynach kulowych (MK 222), klasyfikację w klasyfikatorach zwojowych (KZ 221/222), 21

22 klasyfikację w hydrocyklonach φ 500 (HC 209/210, 217/218), flotację wstępną (MF 212), flotację szybką (MF202). NADAWA MP221 KL 221/222 KONCENTRAT POŚREDNI MK222 Rząpie 1B MF212 Rząpie 3B HC218 DO FLOTACJI PIASKÓW Rząpie 2B HC209 DO FLOTACJI ŁUPKÓW MF202 KONCENTRAT KOŃCOWY Rys Schemat technologiczny węzła mielenia i klasyfikacji w II ciągu technologicznym O/ZWR Rejon Lubin tercja druga Ruda do węzła mielenia i klasyfikacji dostarczana jest ze zbiorników buforowych znajdujących się nad halą maszyn. Przy pomocy podajników podawana jest na taśmociąg transportujący nadawę do młynów prętowych (MP221). Na taśmociągu zainstalowana jest waga izotopowa wskazująca masę przepływającej rudy. W młynie prętowym następuje ustalenie gęstości mielenia nadawy poprzez dodanie odpowiedniej ilości wody. Zmielona ruda poddawana jest następnie rozdziałowi w klasyfikatorze zwojowym (KZ221/222) na dwa produkty. Przelew klasyfikatora traktowany jako strumień frakcji piaskowcowej kierowany jest do rząpia (1B), gdzie następuje ustalenie wymaganej gęstości mętów oraz dodanie części dawki odczynników flotacyjnych, po czym przelew zostaje przepompowany do maszyn flotacji wstępnej (MF212) i poddany wzbogaceniu. Wylew klasyfikatora stanowią w głównej mierze twardsze ziarna węglanowo-łupkowe zawierające dużą ilość wpryśnięć minerałów miedzionośnych, które kierowane są do domielenia w młynie kulowym (MK222). Koncentrat z flotacji wstępnej (pośredni) poddawany jest flotacji czyszczącej II, natomiast produkt komorowy trafia do rząpia zbiorczego (3B), z którego przy ustalonej gęstości i pod określonym ciśnieniem jest 22

23 przepompowywany do hydrocyklonów (HC218). Wylew tych hydrocyklonów jest zawracany do młyna kulowego i domielany razem z wylewem klasyfikatora zwojowego, natomiast przelew stanowi nadawę do flotacji głównej rudy piaskowcowej. Wylew młyna kulowego kierowany jest do rząpia (2B), a następnie po ustaleniu gęstości i ciśnienia mętów do klasyfikacji w hydrocyklonach (HC209). Wylew hydrocyklonów natomiast kierowany jest do flotacji szybkiej (MF 202), a przelew do flotacji rudy węglanowo-łupkowej. Koncentrat flotacji szybkiej stanowi produkt końcowy, a produkt komorowy zawracany jest do młyna kulowego Ogólny opis schematu kontroli W KGHM Polska Miedź S.A w O/ZWR Rejon Lubin wprowadzono nowoczesny system sterowania, monitorowania i optymalizacji produkcji firmy MINTEK. System obejmuje procesy mielenia i klasyfikacji (system młynowni) oraz proces wzbogacania flotacyjnego (system flotacji). Wprowadzono dwa współpracujące ze sobą systemy komputerowego sterowania: ifix - system nadrzędnego sterowania, parametryzacji i monitorowania produkcją oraz PlantStar - system stabilizacji i optymalizacji, składający się z aplikacji MillStar i FloatStar. Dzięki rozbudowanej strukturze całego systemu wykorzystującego zainstalowaną w zakładzie aparaturę kontrolnopomiarową można parametryzować, monitorować oraz analizować przebieg produkcji na różnych poziomach struktur zarządzania zakładem (Juszczyk, 2005; Trybalski, Juszczyk, 2006). System złożony jest z serwera plików ifix v2.5., w którym zastosowano: 33 obrazy synoptyczne (wizualizacyjne, animacyjne), 170 trendów on-line i historycznych, 12 stacyjek sterujących parametrami na zasadzie Tagów grupowych. Baza zmiennych aplikacji składa się z 3419 sygnałów typu AI, CA, DI, DR, ETR, w tym 2256 to zmienne PLC. W sieci ogólnozakładowej z serwerem plików ifix współpracują: dwie stacje dwumonitorowe iclient, jedna stacja jednomonitorowa iclient, stacja inżynierska HMI DEVELOPER oraz pięć stacji typu iclient ReadOnly. Serwer plików ifix za pomocą sieci TCP/IP komunikuje się ze sterownikami programowalnymi PLC firmy GE-Fanuc: sterownik typu dla systemu młynowni oraz 3 sterowniki typu dla systemu flotacji (rys. 2.7). Podobnie system optymalizacji parametrów produkcji PlantStar FloatStar dla systemu flotacji oraz MillStar dla systemu młynowni bezpośrednio współpracuje ze sterownikami PLC za pomocą protokołu TCP/IP (Internet). Stacje dwumonitorowe zaprojektowano w systemie wielookienkowym. Oznacza to, że na dowolnym monitorze każdej ze stacji można wyświetlać dowolną konfigurację okien synoptycznych oraz wykresów jednocześnie. 23

24 Schemat sieci wymiany danych w systemie automatyki Na rysunku 2.7 przedstawiony jest schemat konfiguracji sprzętowej systemu sterowania procesem mielenia i flotacji. HP Vectra MILLSTAR 2 2 HP Vectra FloatSTAR 2 HP Vectra SERWER ifix 1 SWITH GENIUS LAN HP Vectra iclient HP Vectra iclient HP Vectra iclient HP Vectra HMI DEVELOPER ROUTER iclient ReadOnly iclient ReadOnly iclient ReadOnly iclient ReadOnly iclient ReadOnly FANUC AC1 FANUC AC2 FANUC AC3 FANUC AC4 FB 1 FB 2 FB 3 FB 8 SS 4 SS 5 SS 6 SS 10 SS 11 SS 12 SS 13 SS 14 SS 15 FB 4 FB 7 FB 5 FB 6 SS 1 SS 2 SS 3 SS 18 SS 7 SS 8 SS 9 SS 16 SS 17 Rys Schemat konfiguracji sprzętowej systemu sterowania procesem mielenia i flotacji Poniżej przedstawiono opis rysunku, poszczególne cyfry oznaczają: 1 linie przedstawiające stan połączenia serwera ze stacją wymieniającą dane z serwerem. Statusy połączeń między komputerami MillStar i FloatStar nie są prezentowane, ponieważ komputery te wymieniają dane tylko ze sterownikami PLC, a nie z siecią danych ifix. 2 stacje wraz z opisem ich funkcji: SERWER ifix jest to serwer systemu plików aplikacji pracujący w środowisku ifix, odpowiada on za połączenia ze stacjami AC sterownikami PLC oraz za umożliwienie połączeń sieciowych z klientami ifix, iclient klient sieci ifix umożliwia sterowanie procesem w pełnym zakresie, iclient ReadOnly umożliwia tylko podgląd procesu produkcyjnego, w związku z tym nie posiada możliwości sterowania i zmiany parametrów, 24

25 HMI DEVELOPER umożliwia sterowanie procesem w pełnym zakresie oraz konfigurowanie i wprowadzanie zmian do aplikacji (posiada klucz inżynierski), MillSTAR komputer umożliwiający sterowanie procesem młynowni wg systemu optymalizacji MINTEK, FloatSTAR komputer umożliwiający sterowanie procesem flotacji wg systemu optymalizacji MINTEK, AC1 sterownik odpowiedzialny za pracę systemu młynowni sterowanie napędami, przekazywanie pomiarów i sygnalizacji do systemu SCADA, AC2 sterownik odpowiedzialny za pracę systemu flotacji strumieni MF224 i MF225 sterowanie napędami, oraz przekazywanie pomiarów i sygnalizacji do systemu SCADA, AC3 sterownik odpowiedzialny za pracę systemu flotacji strumieni MF222 i MF223 sterowanie napędami oraz przekazywanie pomiarów i sygnalizacji do systemu SCADA, AC4 - sterownik odpowiedzialny za pracę systemu flotacji strumieni MF211, MF212 i MF221 sterowanie napędami, oraz przekazywanie pomiarów i sygnalizacji do systemu SCADA. 3 moduły wraz z graficznym przedstawieniem ich stanu. Charakterystyka możliwości systemu ifix System ifix umożliwia śledzenie wielu etapów produkcji jednocześnie. Umożliwia diagnozowanie za pomocą plansz graficznych statusów komputerów dyspozytorskich, sterowników PLC oraz innych urządzeń współpracujących i wymieniających dane między sobą na różnych poziomach sprzęgnięcia. Umożliwia to np. stwierdzenie, która ze stacji ifix w danym momencie jest aktywna w sieci lub w przypadku sterowników PLC wyświetlenie tablicy błędów systemowych i zarządzanie nimi (Internet). System ifix pozwala konfigurować ilość, rozmiar i powiększenie dowolnych okien synoptycznych (wizualizacyjnych) według potrzeb operatorów. Wykonywanie raportów w systemie oparte jest na MS Excel. Dzięki temu przez źródła ODBC można pobierać wszystkie dane historyczne oraz dane czasu rzeczywistego, które są generowane przez ifix. Można również generować w zależności od potrzeb dowolne raporty wykorzystując możliwości obliczeniowe programu MS Excel. W systemie ifix szeroko rozbudowana jest opcja alarmowania, istnieje możliwość jej konfigurowania według indywidualnych potrzeb procesu technologicznego. Przy pomocy interfejsu graficznego użytkownika można aktywować lub dezaktywować alarmowanie zmiennej, 25

26 wprowadzać zmiany wartości progów alarmowych, priorytetu alarmu, symulować wartości zmiennych mierzonych. W przypadku awarii czujnika bądź jego konserwacji prowadzenie procesu produkcji jest możliwe dzięki przekazywaniu parametrów do jednostki sterującej niższego rzędu (np. PLC) Opis systemu optymalizacji PlantStar (PlantStar 2000, 2001) System PlantStar ma budowę blokową, posiada trzy niezależne warstwy: najniższą, warstwę sterownikową w obrębie procesu flotacji warstwa jest całkowicie niezależna (panele operatorskie), w obrębie młynowni jest niezbędna wyższa warstwa (brak panelu operacyjnego), warstwę wyższą (ifix) z serwerem danych umożliwia wyprowadzanie sterowań, trendów, raportów, najwyższą (PlantStar) umożliwia bezpośrednią komunikację komputerów ze sterownikami obsługującymi procesy mielenia i klasyfikacji oraz flotację. MillStar, wchodzący w skład systemu PlantStar, nadzoruje proces przygotowania rudy do flotacji węzeł mielenia i klasyfikacji. FloatStar natomiast, stabilizuje poziom mętów w maszynach flotacyjnych. Aplikacje te mogą być konfigurowane do sterowania i wizualizacji (monitorowania) dowolnego procesu przemysłowego. Struktura systemu PlantStar jest w pełni otwarta, pozwala na stosowanie dowolnej liczby zmiennych obiektowych i pętli regulacyjnych realizowanych przy pomocy dowolnych strategii sterowania (prostych i złożonych). Wymaganiami systemu PlantStar są: jasno zadeklarowane dla algorytmu sterowania zmienne wejściowe (wielkości mierzone) oraz wartości parametrów zadanych. Wartości te powinny być uaktualniane co kilka sekund, automatyczna aktualizacja wyjść (działania sterujące) algorytmu sterowania co kilka sekund, algorytm sterowania ściśle sprecyzowany i przedstawiony w formie matematycznej. PlantStar charakteryzuje się uniwersalnymi właściwościami i cechami, do których należą: 1. Zaawansowany system sterowania (Advanced Control System), który może być konfigurowany przez użytkownika. PlantStar został opracowany pod kątem umiejscowienia go na szczycie istniejącego, niskopoziomowego systemu sterowania procesem technologicznym (PLC, DCS, itd.) i zaimplementowania bardziej złożonych strategii sterowania niż zazwyczaj mogą być 26

27 realizowane przez PLC czy DCS. Zakres działań zaawansowanego systemu sterowania może obejmować: zmienne procesowe, które są trudne do sterowania z uwagi na dużą nieliniowość, sterowanie wartościami zadanymi, które z reguły ustawiane są ręcznie w celu uzyskania w dłuższym okresie czasu pożądanych parametrów, np. wskaźników produkcyjnych, tzw. kaftany bezpieczeństwa, polegające na chwilowym zaprzestaniu zwykłych strategii sterowania w celu opanowania anormalnych stanów procesu technologicznego. 2. Plansze synoptyczne (wizualizacyjne, animacyjne) (Mimic Screen), pokazujące schemat procesu oraz wartości pomiarów technologicznych aktualizowanych w czasie (zazwyczaj co kilka sekund). 3. Objaśniający system ekspertowy (Interpreting Expert System), wyświetlający słowne komunikaty objaśniające działania podejmowane przez system sterowania oraz alarmy dostarczające informacji krytycznych o procesie lub systemie. 4. Trendy bieżące (On-Line Graphs), przedstawiające zmienne procesu uaktualniane w stałych odstępach czasu (co kilka sekund), wyświetlane na monitorach w postaci listy zmiennych i ich wykresów dowolnie wybieranych przez użytkownika. 5. Samodostrajanie (Auto Tuning) stosowane dla różnego rodzaju pętli regulacji. 6. Możliwości wyświetlania interfejsu systemu PlantStar w formie strony, w dowolnej przeglądarce internetowej. Elementy składowe systemu PlantStar System PlantStar zbudowany jest z następujących elementów składowych: OPC Server (Serwer OLE dla procesów przemysłowych), PlantStar Executive (zarządzający), PlantStar Service (usługowy), User Manager (użytkownika), Web Server, Client(s). 27

28 Moduł kontrolera Do zadań modułu kontrolera systemu PlantStar należy odczytywanie danych z pliku definicji obiektu. Dane te zawierają: zmienne obiektowe regulowane (zmienne PV), zmienne obiektowe używane jako działania sterujące (zmienne MV), wartości zadane (SV), wartości progowe z możliwością ich ustawiania, algorytmy sterowania, parametry algorytmów sterowania (wzmocnienie, czasy całkowania i różniczkowania, inne czasy). Dane te są wykorzystywane przy użyciu określonych algorytmów do wyliczania nowych wartości sterujących. Moduł kontrolera udostępnia również wartości dla systemu eksportowego, co pozwala na generowanie komunikatów i alarmów. a) Opis aplikacji MillStar Aplikacja MillStar, zaimplementowana na platformie PlantStar, obsługuje sekcje młynowni w trzech tercjach II-go ciągu technologicznego O/ZWR Rejon Lubin. Zadaniem aplikacji jest zapewnienie: maksymalnego przerobu rudy w różnych warunkach technologicznych wynikających ze zmiennej jej podatności na mielenie, stałej gęstości zawiesiny w młynach, stabilnego uziarnienia i gęstości produktów mielenia, bezpiecznego poziomu mętów w rząpiach. Procedura sterowania aplikacji MillStar Sterowanie wszystkimi tercjami II ciągu technologicznego odbywa się wg tej samej procedury. Procedura sterowania składa się z trzech warstw: podstawowej warstwy stabilizacji - pętle regulacyjne, zaawansowanej warstwy stabilizacji - pętle stabilizacyjne, algorytmu optymalizacyjnego - pętla optymalizacyjna. Na rysunku 2.8 przedstawiono schemat układów regulacji procesu przygotowania rudy do flotacji w drugim ciągu technologicznym OZWR/ Rejon Lubin. 28