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浓密机生产过程自动化控制在废水处理工艺中的研究与应用

文档作者：缪天宇1 王旭2 王庆凯1 茆薪2 文档来源： 1.北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室 2.德兴铜矿		点击数：	更新时间： 2025年10月03日
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数控技术数字技术
与应用
18
1 、前言
矿产资源是人类文明必需的物质基础。随着国民经济的加速发
展，人类对矿产资源的需求量日益增长，在矿产资源的开采和加工
过程中所产生的工业废水的排放量也随之增加。这些污染物中尤其
以有色矿山废水污染范围最广，危害程度最大。因此，经济、适用、高
效、先进的矿山废水处理控制方法对于改善矿山生态环境，消除矿
山废水的危害具有十分重要的理论意义和现实意义。
浓密机作为重要的选矿设备在国内外有色、煤炭、环保、化工等
行业得到广泛的应用，用于实现物料的浓缩、澄清，是目前矿山废水
处理的核心设备。但目前国内浓缩机生产过程中大都存在以下问
题：生产过程许多关键环节未实现在线检测，生产人员只能凭感觉
和经验来判断生产情况、进行操作；絮凝剂添加基本采用人工控制
甚至盲目添加，造成生产波动大、药剂浪费多、环境污染严重；浓密
机工作负荷、浓密机溢流水浊度、浓密机即底流浓度等关键环节不
能得到合理、有效地控制。这些问题都严重地制约了浓缩生产效率
的提高，影响了后续工艺和最终产品的质量，亟待解决。
本文对在德兴铜矿工业废水处理站实施的浓密机自动化控制系
统的研究和应进行介绍。该系统对浓密机生产关键过程检测仪表进行
了较好地研究与应用，同时，设计、开发了基于PLC的浓密机生产控制
系统，控制算法可以有效地对浓密机生产和絮凝剂添加进行控制。
2、生产工艺及系统方案简介
2.1 现场生产工艺
德兴铜矿精尾厂工业水处理站主要工艺流程为：酸性水、碱性
水、电石渣首先在一段反应池内中和、反应，pH值调整至8.0左右；
然后，废水经过明渠和迷宫式反应槽流到分配槽中；在分配槽中添
加高分子絮凝剂后，浓密机中进行沉降；浓密机溢流水收集到澄清
池后外排；沉降后的泥渣部分返回一段反应池重新进行反应，用于
提高底流浓度，另外一部分则以尾矿形式排出，如图1所示。
整个工业废水处理生产工艺中浓密机关键生产控制环节包括
分配槽絮凝剂添加量控制、浓密机溢流水悬浮物含量（或浊度）和底
流排矿浓度控制、返砂流量控制。
浓密机生产过程自动化
控制在废水处理工艺中的研究与应用
缪天宇1 王旭2 王庆凯1 茆薪2
(1.北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室 北京 100070；
2.德兴铜矿 江西德兴 334224)
摘要：本文通过对德兴铜矿工业水处理站浓密机生产过程自动化控制系统设计和使用情况进行了介绍。针对主要的检测仪表和控制算法进
行了详细的说明。系统在工业应用中达到了很好的控制效果，取得了巨大的经济效益、生态效益和社会效益。
关键词：废水处理 浓密机 自动化控制 过程检测仪表
中图分类号:TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)09-0018-03
图1 现场工艺、设备联系图
电石渣碱性水酸性水
高分子絮凝剂
浆料混合
1#反应池
2#反应池
分配池
浓密机
澄清池
循环浆外排浆
底流
溢流
尾矿库
图2 系统网络架构
数控技术数字技术
与应用
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在系统实施前，这些生产关键控制环节主要采用人工就地操
作，存在着絮凝剂无法实现根据水处理量比例精确地添加；浓密机
溢流水中的悬浮物含量没有在线监测和控制；浓密机泥层没有有效
测量，易导致浓密机“跑混”、“跑渣”情况发生；浓密机底流浓度低，
且波动范围较大；浓密机负荷无法得到实时的监测和有效地控制等
问题。
2.2 生产过程自动化控制方案
生产过程自动化控制目标要完成絮凝剂添加量控制、浓缩过程
控制、返砂流量控制等三个方面关键生产环节自动控制，从而解决
影响浓密机生产过程稳定运行的问题。
系统采用了3+2网络结构：三层设备、两层网络。系统网络结构
如图2所示。系统采用西门子S7-300 PLC控制器，用于集成新增加
的过程检测仪表和执行设备信号，实现絮凝剂添加、浓密机底流控
制算法。S7-300 PLC控制系统同原有控制系统采用MPI通讯，进
行过程数据交换。同上位机WinCC软件采用西门子工业以太网进
行数据传输。能够保证系统的稳定性和可靠性。
2.3 浓密机生产过程检测
浓密机生产过程信息和设备状态的检测是浓密机生产自动化
控制的基本。所以，系统对这些生产信息进行了全面的检测，主要包
括给料瞬时流量、给料Ph值、絮凝剂添加量、浓密机泥层高度、浓密
机溢流水浊度、浓密机溢流水Ph值、排矿流量、排矿浓度、循环返砂
流量等过程信号。浓缩机设备状态主要包括搅拌机电流、浓密机电
流和扭矩、浓密机底流泵电流和转速，絮凝剂工作状态等信息。
3 、控制算法
3.1 絮凝剂比例添加控制算法
絮凝过程是目前国内外众多水处理工艺中应用最广泛、最普遍
的工艺操作之一，是废水处理过程中不可缺少的关键环节。絮凝效
果的好坏往往决定了后续流程的运行状况。由于给料废水性质和水
量变化较大，导致了手动调节絮凝剂添加量无法适应现场生产的需
要，必须实现絮凝剂添加的自动化控制。
系统通过计算出酸性水和碱性水的总流量。按照絮凝剂投加量
设定值计算出絮凝剂干药量，并根据絮凝剂制备浓度计算出要投加
的絮凝剂溶液设定用量。然后，通过絮凝剂添加管道上安装的流量
计和调节阀构成闭环控制，从而控制絮凝剂溶液实际添加量同絮凝
图4 絮凝剂添加随动系统控制回路
P I D控制器变频器、渣浆泵底流泵转速
底流流量计
输出
流量
设定值
-
图5 浓密机底流流量控制回路图
P ID 控制器变频器、渣浆泵底流泵转速
泥水界面仪
输出
泥层
设定值
-
图6 浓密机泥层控制回路图
图3 浓密机过程检测仪表
数控技术数字技术
与应用
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剂溶液设定用量相等。
（公式1）
公式1为絮凝剂添加量计算公式。其中， 代表絮凝剂溶液设
定用量， 代表酸性水流量， 代表碱性水流量， 代表
絮凝剂干药投加量设定值，D代表絮凝剂溶液制备浓度。
由于工业废水量受上游生产情况、季节变化等多方面因素影
响，会经常出现波动。所以，絮凝剂添设定加量也应随废水量的变化
而变化。为了达到絮凝剂精确控制的目标。需要构建絮凝剂添加的
随动控制系统，即给定量按照事先未知的时间函数变化，要求输出
量跟随给定量的变化。控制流程如图4所示：
3.2 浓密机生产自动控制算法
由于浓密机工艺机理复杂，内部状态不易观察，并具有大惯性、非
线性、入料性质波动频繁的特点。所以实现浓密机的自动控制将会极
大提高工业废水处理能力和质量。系统根据工业现场的实际情况，实
现了浓密机的底流流量自动控制、泥层自动控制、负荷连锁控制等。
3.2.1 底流流量自动控制
操作员可以远程设置浓密机底流流量，浓密机底流渣浆泵转速
同底流流量构成闭环控制，可以实现浓密机流量的自动调节，确保
底流实际流量同浓密机设定流量基本相同。浓密机底流流量控制回
路如图5所示：
3.2.2 浓密机泥层自动控制
浓密机泥层的稳定控制对于提高浓密机底流浓度、减小溢流水
悬浮物数量都有重要的作用。浓密机底流渣浆泵转速同泥水界面仪
检测到的泥层高度构成闭环控制，具体算法如图6所示：
3.2.3 浓密机负荷连锁控制
浓密机连锁控制是针对防止浓密机负荷过大而设计的连锁控
制程序。当浓密机的负荷超过一定数值以后，则底流泵加大转速工
作，尽快的将浓密机的泥层排出，使浓密机到达稳定符合状态。达到
设定的稳定负荷状态以后，浓密机恢复之前的控制状态，继续生产。
3.3 排矿、返砂量远程控制
系统集成了浓密机底流泵控制阀、排矿阀和返砂阀的远程控
制。用户可以在控制室中进行底流泵控制切换、排矿管路切换和返
砂量调整的功能。
4 、工业应用
浓密机生产过程控制系统于2010年在德兴铜矿精尾综合厂工
业水处理站正式投入使用。在使用过程当中对于工业废水的处理量
和处理效率都有很大的提高。在系统投入使用期间，日处理工业废
水量最高时可达到60000吨/天以上，酸性水处理能力最大时可达到
20000吨/天,较原有额定处理能力提高了20%。同时，系统能够有效
地提高浓密机的底流浓度，最大底流浓度可达到30%，较系统应用
前浓度提高了15%。并且，系统可对溢流水浊度进行有效地检测和
控制，保证了溢流水达标排放。
5 、结语
通过对浓密机生产过程的自动化控制，提高了絮凝剂添加的及
时性和精度，稳定了工业废水处理的连续生产；提高了工业水站的
处理能力和外排清水的监控能力；降低了矿山废水排放对环境产生
的破坏，取得了巨大的经济效益、生态效益和社会效益。
参考文献
[1] 耿增显,柴天佑,岳恒.浓密机生产过程综合自动化系统.控制工
程[M],2008(4)353-356.
[2] 杨慧.高压缩性浓密机系统的自动控制.矿冶工程[M],2004(8)44-46.
以太网传输无干扰。RJ45连接器的屏蔽将被连接到CP 243-1的接
地端子。
3.2 CPU 和 CP 243-1 通讯处理器的组态
安装好后，所有模块上电通过网线连接，必须使用S T E P 7
Micro/WIN 32（版本3.2.1或以上）软件，PC/PPI电缆或MPI电缆，
使用STEP 7 Micro/WIN 32中的向导程序对CP 243-1进行组
态，将1号泵的CP 243-1 IP地址设为192.168.3.1、2号泵设192.
168.3.2、3号泵设为192.168.3.2、4号泵设为192.168.3.4、5号泵设
为192.168.3.5，子网掩码255.255.255.0也必须进行组态，子网掩
码255.255.255.0。设置完成后分别下到各自的PLC系统中。如果CP
243-1识别到一个无效的组态，它将尝试通过BOOTP服务器检索其
TCP/IP地址参数（IP地址、子网掩码、网关的IP地址）。CP 243-1
继续该尝试将持续大约1分钟。如果在该时间内它不能从BOOTP服
务器中收到一个响应，或如果响应无效或错误，红色指示灯（“SF”）
将闪亮大约30秒钟。该步骤将循环进行，直到CP 243-1在S7-200
CPU存储器中找到一个有效的组态或从BOOTP服务器中接收到一
个有效的响应。
4 、系统功能
PLC可控制系统对整个系统进行统一协调的控制，使深井泵处
于最佳工作状态，能保证恒定的冶炼系统提供水压，能稳定的运行。
人际交互界面能方便的提供电机运行、水压、流量的参数。操作员可
以随时了解整个水泵系统的工况、相关参数及时处理一些问题，以
满足系统控制要求。由于系统的显示和通讯功能,可以对系统工作
情况进行全面监测。考虑到管网覆盖面积大,泵站远端供水压力需
维持0.4MPa，因此泵站出水口压力必须维持0.5Mpa。
(1)集中监控系统完成对现场实时数据采集、监测设备运行中
的状态参数，跟踪供水工艺情况。
(2)集中监控系统完成控制每一台泵的变频器和工频的启动、
停止。
(3)集中监控系统可以查询历史数据和实时数据，可以根据数
据进行数据分析。
(4)集中监控系统可以完成自动调整变频器的频率改变所需供
水水压。
(5)集中监控系统可以对每一台泵的通讯、非正常停机、电流、
温度、压力异常的故障进行报警。
5 、结语
该恒压供水系统已经运行一年多了，系统比较稳定。对设备运
行起到很好的监控作用，提高供水的自动化程度，大大降低了工人
的劳动强度和劳动成本，而且保证了我公司冶炼系统的恒压供水，
确保了生产的正常进行。
参考文献
[1] CP 243-1 工业以太网通讯处理器手册.
[2] 智慧.世纪星与西门子S7200 以太网.世纪星月刊.
[3] 张建奇.数字PID 变频调速在PLC 恒压供水中的应用.北京:微计
算机信息.
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