模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究

第39卷第4期 2015年7月 冶金自动化 9 ，8，24 015 综述与评论 03969j000059201504003 模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究 周 平 (东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110819) 摘要：描述冶金磨矿工艺流程、运行指标及其影响因素，分析磨矿过程运行控制的复杂性，介绍磨矿过程监督 控制、磨矿过程运行优化控制、磨矿过程运行反馈控制等基于模型的磨矿过程运行控制方法和技术以及磨矿 运行控制软件的发展，最后指出在磨矿运行指标多目标智能优化、磨矿多模型运行控制、磨矿故障工况诊断 和自愈控制、多网络环境下磨矿运行控制等方面的未来研究方向。 关键词：运行控制；磨矿过程；运行指标；运行优化 文献标志码：059(2015)04on 10819，n of a he of is he of as of of as on 引言 随着信息技术、计算机技术尤其是工业自动 化技术的发展。工业控制经历了模拟控制、直接 数字控制以及阶段 和集中化，并可使工业过程能够按一定的工况 条件连续运行。然而，原料成分及性质的波动、 工艺设备的磨损和老化等因素形成了对工业过 程运行的持续扰动。这种情况下，之前设定的过 基金项目：国家自然科学基金资助项目(614730646；61333007；61290323)；中央高校基本科研业务费资助项目 (流程工业综合自动化国家重点实验章基础科研业务费资助项目(2013) 作=蕾筒介：周 平(1980一)，讲师，博士；收稿日期：2 第4期 周 平：模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究 13 程运行工作点不再与当前工况条件相匹配，即不 是最优的。为此，需要根据运行工况和过程干扰 的变化，通过上层监督或相关运行控制系统自动 修改和调整底层基础反馈控制回路的设定值，使 工业过程能长时间保持在最优运行状态，从而达 到提高产品质量和生产效率，减少原材料和能源 消耗的运行控制目标。这就是工业运行控制的 范畴，其与传统过程控制有着本质不同_l J。 传统过程控制在假定可以获得控制器设定 值的条件下，研究集中在如何设计控制器，使被 控对象在闭环系统稳定的前提下使得输出尽可 能好地跟踪设定值，从而完成特定的过程控制指 标控制，如响应速度、稳定性、收敛性、干扰抑制 能力等。传统过程控制通常忽略了偏离理想设 定点的反馈控制无法实现工业过程或系统的整 体优化运行的事实 J。 而工业过程运行控制是在保证过程安全运 行的条件下，不仅使过程底层局部单元的基础反 馈控制系统输出很好地跟踪设定值，而且要控制 整个过程运行，通过调整基础控制系统的设定 值，使反映产品加工过程中产品质量、生产效率 和消耗的运行控制指标(即运行指标)控制在目 标值范围内，同时，尽可能提高产品加工过程的 产品质量和生产效率的运行指标，降低消耗的运 行指标，实现工业过程优化运行_2一 。 流程工业中，选矿是极为重要的金属原材料 工业。特别是在中国，主要以低品位的赤铁矿、 菱铁矿、褐铁矿、镜铁矿等贫矿为主，97的铁矿 石需经选矿处理得到有用成分含量高的精矿后， 才能再进行金属的冶炼及相关处理。选矿工业 中，磨矿是最为关键的生产过程，起着承上启下 的作用，其任务就是将破碎后的矿物原料粉碎到 适宜的粒度，使有用矿物与脉石单体解离或使不 同的有用矿物相互解离，为后续选别作业提供原 料。磨矿是典型的高耗能、低效率过程，其电能 消耗约占整个选矿厂的4570，生产成本约 占40一60。在磨矿生产中，磨矿运行指标即 磨矿产品粒度(质量指标)、磨矿生产效率等决定 选矿精矿品位的好坏和生产能力的高低，并与整 个选矿厂经济技术指标密切相关 。 长期以来，磨矿过程控制及优化被认为是提 高磨矿产品质量、生产效率以及整个选矿厂经济 利润的关键，受到国内外学者的广泛关注和重 视。以多回路制技术，虽然均在一定程度上达到了调控磨矿 设备局部单元、使其按照期望目标运行的目 的 1 3，然而，从过程工程的角度来看，磨矿自动控 制不仅仅是使磨矿设备局部单元系统尽可能好 地跟踪期望设定值，而且要控制整个过程运行， 实现表征过程整体运行性能的磨矿粒度和生产 效率等运行指标的优化。因此，将复杂磨矿生产 与各磨矿设备作为紧密联系的整体，构建磨矿整 体运行的分层反馈控制结构，实现控制指标、运 行指标以及经济性能指标的集成控制与优化，是 各选矿企业提高自身市场竞争力的重要手段。 磨矿过程流程长、滞后大、影响因素众多且 彼此相互制约和关联耦合。磨矿运行指标不仅 与回路控制的关键过程变量密切相关，而且其动 态特性还受原矿成分和性质、生产技术规范和操 作规范、设备能力以及各种未知动态干扰的影 响，具有较强的时变特性。因此，磨矿过程运行 控制研究具有挑战性，受到工程技术界和控制学 术界的广泛关注和重视。本文在描述冶金磨矿 过程及其运行控制问题的基础上，详细综述了基 于模型的冶金磨矿过程运行控制方法，并探讨了 磨矿过程运行控制研究的几点展望。 1 冶金磨矿过程及其运行控制问题 11磨矿过程 冶金选矿行业中，矿石冶炼入选前的准备工 作包括破碎和磨矿两大作业，其中磨矿作业是破 碎作业的继续，是入选前矿料准备的最后一道作 业。下面以典型的单阶段磨矿回路为例说明磨 矿过程。磨矿过程开始时，原矿石以一定速度由 给矿机经给矿皮带输送到磨机进行研磨，同时按 比例添加一定量的水。矿石在磨机内研磨时，一 方面，矿石和磨矿介质随着磨机的旋转被带到一 冶金自动化 第39卷 定高度，在磨机旋转离心力和摩擦力作用下自由 下落或滚下，这时，矿石受到磨矿介质的不断冲 击；另一方面，磨矿介质在磨机内沿磨机轴心的 公转和自转又产生对矿石的挤压和磨剥，从而将 矿石磨碎。磨碎后的矿石输送到分级机(螺旋分 级机或水力旋流器等)进行粒度分级，粒度合格 的矿浆从分级机排出进入下段磨矿或者直接进 入浮选、磁选等选别工序进行矿浆分选，不合格 的矿浆继续送人磨机研磨。 12磨矿过程运行指标及其影响因素 121运行指标 无论从工艺角度还是从控制角度，磨矿过程 都需要满足生产对如下运行指标的需求： (1)磨矿产品粒度(简称磨矿粒度)。磨矿 生产最为重要的质量指标，直接影响选矿产品精 矿品位的好坏和金属回收率的高低。磨矿粒度 通常以某特定粒度(如小于0074 矿石在 矿浆中的含量来表示。 (2)循环负荷。可用返回矿浆量的绝对值表 示，用绝对值表示的循环负荷即为磨机返砂量； 也可用返回矿浆量与新给矿量的比值表示。根 据磨矿动力学原理，循环负荷与磨矿生产率和磨 矿粒度指标直接相关。 (3)磨机台时处理量。在一定给矿和产品粒 度条件下，单位时间内单台磨机能够处理的原矿 量。根据磨机台时处理量可以判别磨机工作的 好坏和磨矿生产率的高低。 (4)磨机作业率。磨矿机组实际工作小时占 同期日历小时的百分比。磨机作业率反映磨机 利用程度，也是反映磨矿生产率以及运行安全的 综合性指标。 (5)能耗。实际磨矿操作中，通常认为合格 的磨矿粒度、较高的磨矿台时处理量和磨机作业 率意味着能耗最小。 除以上几个主要指标外，还需考虑的其他指 标有：磨矿生产率、磨矿效率、磨矿产量、磨机负 荷等。但这些指标在实际操作中通常可用循环 负荷、磨机台时处理量和磨机作业率间接表示。 122运行影响因素 影响磨矿运行性能的主要因素有如下几类： (1)原矿成分和性质主要包括矿石硬度、韧 性和矿粒大小。在实际工程中，通常用矿石可磨 性参数来表示这些参数对磨矿过程的影响，可磨 性参数越大表明矿石越容易磨细。 (2)磨机操作参数。主要指磨机给矿量和磨 矿浓度(或磨机给水量)。磨机给矿量指单位时 间内进入磨机的矿量，为了增加磨矿效率，应当 保持充分大的给矿量，但是不能超过磨机最大允 许给矿量，否则将造成磨机过负荷故障工况。磨 矿浓度指磨机内的矿浆浓度，通过给矿水量调 节，研究表明，磨矿浓度随被磨物料性质以及具 体的磨矿工艺而定，硬度大或者密度大的矿石磨 矿浓度大；反之，磨矿浓度小。 (3)分级机操作参数。从某种角度来说，磨 机操作主要影响磨机台时处理量和磨矿效率，而 分级机操作主要影响磨矿粒度。相对于磨机的 慢动态特性，分级机的操作响应速度较快，因而 其对磨矿粒度的影响也最为重要。分级机主要 包括螺旋分级机和水力旋流器，其中，螺旋分级 机的操作参数主要是通过稀释水量调节分级机 矿浆溢流浓度，它影响分级机的生产率；水力旋 流器的操作参数主要是旋流器给矿流量或压力、 给矿浓度等，给矿流量或压力影响旋流器的处理 量及分级粒度，而给矿浓度影响产品的浓度、粒 度和分级效率。 13运行控制复杂性 磨矿过程的复杂性表现如下： (1)关键参量难以直接在线检测。由于磨机 运行时封闭且高速运转，因而难以对磨机内矿浆 浓度和磨机负荷进行实时在线检测，磨矿粒度虽 然有专门的粒度仪对其进行在线检测，但是粒度 仪一般只适用于矿石成分和物性比较单一且稳 定的情况。 (2)多变量耦合特性。闭路磨矿是一个复杂 多变量动态系统，具有多运行控制指标、多过程 控制变量及多元外部干扰等特点。另外，多运行 第4期 周 平：模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究 15 控制指标与多过程控制变量之间及不同阶段的 磨矿回路之间均存在强烈的耦合和交互作用。 (3)非线性特性。磨矿过程影响因素众多， 虽然在做了一些假设和限定条件后，部分因素之 间可能具有明显的线性关系，但是大部分磨矿系 统变量基本都是未知的非线性动态关系，如磨矿 浓度与循环负荷、磨矿粒度与磨机给矿量和给矿 水量等。 (4)时变特性。磨矿介质和磨机衬板、螺旋 分级机螺旋片以及水力旋流器给料口、溢流口、 沉砂口的磨损，都会改变磨矿过程的时变特性。 另外，矿石可磨性和矿石块粉比等参数随原矿石 种类和性质的变化而变化，且同一类型矿石的这 些参数也往往不完全相同。 (5)时滞特性。磨矿过程是典型的长流程、 大时滞系统。磨机、螺旋分级机、水力旋流器、泵 池以及给矿皮带对原矿石的运送和管道对矿浆 的运送等是典型的时滞对象，再加上闭路磨矿自 循环再磨影响，使得从磨机给矿到形成磨矿产品 的过程具有很长的滞后时间。 2基于模型的磨矿过程运行控制 针对磨矿过程及其特点，冶金磨矿过程基于 模型的运行控制主要采用磨矿过程监督、磨矿过 程运行实时优化以及运行反馈等控制方法。 21磨矿过程监督控制 早在20世纪80年代，_6 就较早地探讨了基于模型的磨矿过程监 督控制问题。之后，中指出 基于模型的监督控制和决策依赖于优质在线模 型以及基于准确测量与适宜分布控制的精确参 数估计，作者深入研究了几种基于模型的选矿监 督控制方案，其中3种是针对磨矿过程的：第1 种是针对半自磨回路的基于模型的监督控制方 案，采用卡尔曼滤波器对矿石硬度和磨矿介质等 参数进行估计；第2种是针对一段棒磨开路、二 段球磨一旋流器闭路磨矿产品粒度和泵池矿浆 体积优化设定的监督控制策略；第3种是可以动 态优化磨机给矿和磨矿粒度的单段磨矿模型辅 助控制策略。对由球磨机和 水力旋流器构成的典型闭路磨矿，研究了基于模 型的磨矿过程监督控制问题，底层基础反馈控制 采用常规多回路层监 督层为基于经济性能指标的优化模型，用于在线 求解适合于底层基础反馈控制系统的设定值。 。研究了基于经验模型的自磨过程监 督控制问题，其控制目标是通过严格的磨机功率 控制最大化磨机处理量，当矿石性质发生变化 时，监督控制系统能够自动调节控制回路设定值 从而优化过程运行性能，所采用的监督控制方法 可使磨机处理量提高5。 22磨矿过程运行优化控制 用子优化控制策略研究了 子优化控制算法分三步进行：辨识磨矿对象模 型；估计用于求解参数估计矩阵方程的汉密尔顿 (度；进行最优控制问题求解。文 献11提出的运行控制方法的基本思想就是在 不超过磨机最大容量的基础上最大化磨机处理 量，同时力求以一100目表示的磨矿粒度不超过 工艺要求的限值。 用稳态线性规划(化技 术研究了磨矿过程带有约束的实时优化控制问 题，底层采用多变量预测控制技术，上层为基于 实时优化控制(模型优化器，其运行控制 目标是最大化磨机处理量，约束为循环负荷、泵 池液位以及旋流器溢流和底流浓度的上下限值， 为了便于优化计算，作者采用泰勒近似算法将非 线性性能函数转化为关于底层控制回路设定值 的线性函数，然后采用线性规划方法对其进行优 化求解。用类似技术对具有多个 并行磨矿回路和一个浮选机的选矿厂进行最优 经济优化，其中底层控制采用基于线性模型的多 变量约束预测控制，而上层优化器的经济性能函 数为具有线性约束的非线性动态模型，运行优化 的目标是最大化经济利润，以此求解底层控制器 的最优设定值。 冶金自动化 第39卷 为最大化浮选过程的经济效益，对一个具有磨矿一浮选的仿真选矿过程 进行了运行优化控制研究，建立的优化模型包括 质量模型、产量模型以及经济性能指标模型，决 策变量为磨矿过程给矿量、磨机给水量和磨机排 水量等调节变量以及旋流器结构参数、磨矿介质 等参数。最后，采用by 性能指标分别进行优化求解。 李勇 研究的磨矿过程综合优化控制模型 由3部分组成：磨矿生产率模型、能耗模型及优 化求解模型。由于过程动态机理模型难以得到， 因此作者采用回归试验建模技术建立磨矿生产 率由于磨矿能耗可用磨机驱动功率P(包括有用功 率和机械损耗功率)表示，为此作者通过分析磨 机运行机理，建立学模型，磨机内部参数包括磨矿浓度、介质填 充率、料球比及磨机转速、磨机驱动转矩、物料密 度、介质密度、物料间空隙、介质间空隙等。基于 这些模型，李勇 最后通过下面求解式所示的 综合优化问题对决策变量即磨矿浓度、介质填充 率、料球比3个基础控制回路的设定值进行求解。 (0) stE i EE 00 0P 上述式中：，为单位时间磨矿生产利润的倒数， 为磨矿生产率产值系数，0数，它们都是关于磨矿浓度、介质填充率、料球 比的未知非线性函数；另外， 为任意小正数。 由于上述优化目标函数，为多变量、光滑非线性 函数，因此作者采用序列二次规划(法进 行优化计算，在实际操作中可以通过调整0 和0i 使磨矿生产利润根据市场需求的变化而变化。 23磨矿过程运行反馈控制 目前，大部分运行控制方法没有考虑实际运 行指标的实时反馈信息，因而没有真正实现运行 指标的运行反馈控制，因此难以根据复杂运行环 境的动态变化对运行磨矿过程进行及时调整。 另外，由于磨矿粒度和生产率等运行指标和基础 反馈控制回路输出之间表现为多变量耦合、多时 滞特性，因而要求运行控制时必须具有良好的解 耦和多时滞补偿能力。现有可对运行指标进行 多变量解耦的方法主要为基于模型预测控制 (方法。近年来，笔者_1 研究了基于 扩展多变量解耦的大时滞磨矿过程运行反馈控 制方法，将对设定值跟踪和干扰抑制分别优化 设计的双自由度(2析解耦技术 在运 行控制过程进行扩展和推广，提出基于改进2 方法。首先，通过最优化特定的经济性能函数 计算出最上层的稳态最优运行点；然后，运行反 馈控制系统的回路预设定控制器根据稳态最优 运行点计算出底层基础控制的标称设定值。方 法采用反馈补偿器增强系统的控制性能，即根据 大测量滞后得到的磨矿运行指标控制误差，通过 反馈补偿算法计算出基础反馈控制系统相应的 补偿增量。基础反馈控制系统跟踪修改后的设 定值，从而快速消除或减小过程运行指标控制误 差，获得期望的磨矿运行指标。 针对冶金磨矿过程运行中存在的各种动态 干扰(如原矿石颗粒大小和矿石硬度的波动、各 种不确定动态以及耦合效应等)以及常规基于 不确定动态过程时控制性能的不足，笔者引入 干扰观测(术 。 ，研究了具有层次结 构的基于制方法n。通过最大化经济利润函数计算 出最上层磨矿运行的最优运行点，并下达给运行 层相关边界约束条件，通过最优化特定的性能指 标(如最优跟踪性能)计算出底层基础控制系统 的回路预设定值。补偿器根据观测到的各种动态干扰给出基础 控制设定值的补偿增量以增强系统的运行控制 第4期 周 平：模型驱动的冶金磨矿过程运行控制研究 性能。在具体设计方法方面，文献18针对已有 问题，提出非最小相位时滞系统的改进计方法，在此基础上，文献19提出基 于开路、二段球磨机一旋流器闭路磨矿的仿真实 验及比较研究，文献20针对已有变量本质，提出基于多输人多输出( 统近似逆的多变量干扰观测器(计方 法，并提出基于方法及磨矿过程的仿真实验和比较研究。 3 基于模型的磨矿过程运行控制软件 在基于模型的磨矿过程运行优化与控制专 用技术及软件方面，美国于现场基金会总线的 该系统中包含两个用于选矿行业的软件包：司的鲁棒多变量预测控制技术，通过分析过程 的动态因素，包括操作模式、产量和进料质量等， 在保证过程约束的同时，对磨矿控制系统进行优 化设定；而控制系统进行优化设定。据报道，使用 化磨矿产品粒度，使矿石处理量提高2一5， 磨矿系统运行能耗降低1一2；而以稳定精矿品位并使其增加1，回收率提高 l3，药剂消耗减少220，带来可观的 利润。 南非技术开发了磨矿过程优化控制的一系列软件 系统 ，包括磨矿过程优化控制软件系统 矿粒度软测量软件系统流器 非接触角度测量软件系统中， 、给水以及旋流器给矿压力等基础控制的设定 值参数以稳定磨矿粒度；另外，通过引入给矿量 的摄动自动寻找最佳磨机负荷，以适应矿石性质 的变化。据报道，溢流浓度和粒度的前提下，可提高磨机处理能 力616。 澳大利亚司开发了 用于磨矿先进控 制。该系统采用基于模型的约束控制、前馈控 制、解耦控制、增益调度等控制技术，能够有效克 服给矿量和矿石成分的扰动，稳定磨矿生产与产 品质量，使磨矿处理量提高约6。 4结论与展望 现有磨矿过程运行优化与控制方法虽然对 磨矿过程的节能降耗、优质高效生产起到积极作 用，但是在以下方面还有待进一步深入或进行后 续研究。 (1)磨矿运行指标多目标智能优化决策。磨 矿过程的运行与优化控制需要将磨矿产品质量、 效率和消耗等多运行指标控制在目标值范围内， 尽可能提高质量和效率指标，尽可能降低消耗指 标。因此，如何决策运行指标的优化目标值成为 关键。磨矿运行指标与选矿生产全流程的产品 质量、产量、能耗等指标密切相关，其动态特性随 原料成分波动、生产设备磨损等生产条件的变化 而变化。因此运行指标优化决策涉及到多目标 智能优化，研究以选矿全局优化为目标的运行指 标多目标智能优化决策方法，对于实现磨矿过程 的运行控制至关重要。 (2)多模型运行控制系统设计。复杂磨矿生 产中，原矿石成分和性质以及颗粒大小的显著波 动、各种磨矿运行设备或子系统故障、其他外部 不可测干扰等多种因素常常导致磨矿系统从一 个工作点变到另一个工作点，造成系统参数往往 发生大范围跳变，这时常规基于单一模型的运行 控制系统设计方法无法得到令人满意的控制效 果。为了解决上述问题，必须研究基于多模型的 磨矿过程运行控制方法。 (3)故障工况诊断和自愈控制。磨矿运行控 制系统运行过程中，尽管控制器、执行机构、检测 仪表均运行正常，但操作不当造成基础控制系统 的设定值不合理将导致故障工况。故障工况直 18 冶金自动化 第39卷 接影响磨矿运行指标，会造成产品质量下降、效 率降低、消耗增高，甚至造成磨矿系统瘫痪并危 及操作者人身安全。因此，必须研究磨矿故障工 况的诊断、预报及排除故障工况的自愈控制方法。 (4)多网络环境下的磨矿运行控制。为了保 证磨矿运行控制的可靠性，常规磨矿过程运行控 制采用基础反馈控制层和运行控制层两层结构 实现。基础反馈控制层输入与输出信息传输采 用设备网，运行控制的信息传输采用工业以太 网，而采用工业以太网传输信息有时可能出现丢 包、延时等现象。为了克服复杂磨矿过程的运行 过程动态特性的不确定性，通常需要采用运行反 馈控制来实现磨矿过程的运行优化和控制 ， 此种情况下，就必须考虑以太网可能出现的丢 包、延时等对闭环运行控制的影响。 (5)磨矿运行控制系统性能分析。磨矿过程 运行控制要将运行指标控制在目标值范围内。 因此，对于磨矿过程运行反馈控制，不仅要具有 良好的动态性能，还必须考虑运行反馈控制系统 的稳定性。由于磨矿过程运行反馈控制具有分 层反馈控制结构，难以采用已有的控制系统稳定 性分析工具，因此，采用解析方法与实验方法相 结合，研究磨矿过程运行反馈控制的动静态性能 分析方法，是解决这一问题的可能途径之一。 参考文献： 1段希祥碎矿与磨矿M北京：冶金工业出版社， 2006 2穆拉尔，杰根森碎磨回路的设计和装备M北京： 冶金工业出版社，1990 3周平复杂磨矿过程运行反馈控制方法及应用研究 D沈阳：东北大学，2013 4et of 014，1 1(4)：10041019 5陈炳辰磨矿原理M北京：冶金工业出版社， 1989 6 A， J， T，et of 988，22(12757，in 1985，13(2)：111120 8 A， T， Eof 992，69(1)：219 Rof a 999，9(3)：19510， 0，of 996(44_45)：33711， P，et of 998， 11(12)：11191142 12，of a u 000，124(3)：25413Z C，An of 999，12(6)： 62714，et of a 000，13(10- 11)：99915李勇磨矿过程参数软测量与综合优化控制的研究 D大连：大连理工大学，2006 16周平，柴天佑，陈通文工业过程运行的解耦内模控 制方法J自动化学报，2009，35(10)：1362 1368 17，a 2011，213(114(下转第24页) 24 冶金自动化 第39卷 “业务服务一技术服务一配置项”是标准化 的私有云服务建模的核心思想，同时也是云计算 数据中心服务管理的统一结构及运营管理和运 维管理的主线。遵循该管理主线，有的业务服务 在履行时需要同步履行技术服务，包括使用云中 心一些新的资源、创建一些关联的配置项等等， 如的业务服务在履 行时，