（机械电子工程专业论文）磨矿过程优化控制及信息集成的应用研究.pdf

摘要 论文以宝钢集团梅山选矿厂综合自动化项目为对象，研究了冶金行业磨矿 过程自动控制、效益优化和信息集成技术，提出了三层实现方案。 磨矿是选矿工艺的重要一环，其主要目标是在保证矿物粒度的基础上使得 产量最大化。磨矿过程是一个复杂的多变量、非线性和大时滞过程。论文根据 控制目标，在分析系统模型基础上，结合磨矿系统特点，提出了磨矿系统的串 级控制结构。论文选取了与质量和产量密切相关的溢流粒度控制和一次磨机给 矿控制两个子系统作了重点分析，对给矿控制采用自寻优优化算法；对粒度控 制采用模糊算法，实际控制效果证明了算法的有效性。 磨矿系统的优化目标可以归结为带约束的经济效益优化问题。采用步进式 搜索自寻优优化方法，选取鲁棒性较强的分散优化策略，实现了磨矿生产运行 系统经济效益的最优化。 论文还研究了集散系统中以数据库为核心的信息集成、工业以太网及w e b 技术在d c s 中的应用。 在充分研究磨矿过程自动控制、效益优化和信息集成技术基础上，提出了 磨矿d c s 的过程控制级、过程监控级和生产管理级三层实现方案。 实际运行表明，本文设计的磨矿过程优化控制系统有效、经济、可靠，不 仅适用于冶金行业，同时对采用自动化和信息化改造传统行业都具有重要的借 鉴意义。 关键词：磨矿串级控制模糊控制优化信息集成- 集散控制系统 a b s t r a c t t h eg r i n d i n gp r o c e s sa u t o m a t i cc o n t m l ，b e n e f i to p t i m i z a t i o na n di n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o ni nm e t a i i u r g i c a li n d u s t r yi sw a ss t u d i e di nd e t a i la n dap r o p e rs o l u t i o n m e t h o dw a sp r o v i d e di nt h ep a p e r t h e8 0 l u t i o nh a sb e e nu s e di nt h ei n t e g r a t i v e a u t o m a t i o np r o j e c to f m e i s h a nc o n c e n t r a t i o np l a n t ，s h a n g h a ib a o s h a ns t e e lg r o u p t h eg r i n d i n gi s 蛐i m p o r t a n tp r o c e s si nm i n e r a lb e n - e f i c i a t i o n , i nw h i c ht h em a i n c o n t r o lo b j e c t i v ec a l lb es t a t e da sm a x i m i z i n gt h et h r o u g h p u ts u b j e c tt om a i n t a i n i n g t h ep r o d u c ts i z ew i t h i na l l 【a l l o w a b l e r a n g e g r i n d i n gs y s t e m i sa c o m p l e x m u l t i - v a r i a b l e ，n o n l i n e a ra n dl a r g et i m el a gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l o b j e c t i v ea n dt h ec h a r a c t e r so ft h eg r i n d i n gs y s t e m ，ac a s c a d ec o n t r o ls c h e m ew a s 西v e no u tt h eb a s i so fa n a l y z i n gs y s t e mm o d e l i nt h es u b s y s t e m s ，t h ep r o d u c ts i z e c o n t r o l r e l a t i n gq u a l i t ya n dm i n e r a lf e e d i n gc o n t r o lr e l a t i n g t h r o u g h p u tw e r e d i s c u s s e do ne m p h a s i s t h ef u z z ys t r a t e g yw a su s e di nt h ef o r m e ra n dt h e o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yw a su s e di nt h el a t t e r t h ec o m p l e xc o n t r o ls t r a t e g yw o r k e d w e l la st h es y s t e ms h o w ni nr e a lr u n n i n gc o n d i t i o n t h eg r i n d i n go p t i m i z a t i o no b j e c t i v ec a nb ec o n s i d e r e dap r o b l e mo fe c o n o m i c o p t i m i z a t i o nw i t hc o n s t r a i n t s s t e p - s e a r c h i n gs e l f - o p t i m i z i n gm e t h o dw a sa d o p t e di n s o l v i n g o p t i m i z a t i o na n dt h er o b u s t i o u sd i s t r i b u t e do p t i m i z a t i o nw a sa d o p t e di nt h e s t r a t e g y , w h i c ha l l o w e dt h es y s t e mr u ni nt h eo p t i m i z a t i o ns t a t e t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb a s e do nt h ed a t a b a s e ，t h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a l e t h e r n e ta n dw e bt e c l m o l o g yi nt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e da l s o o nt h eb a s i so ff u l l ys t u d yt h eg r i n d i n go p t i m i z a t i o nc o n t r o la n di n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n ，t h et h r e el e v e l ss o l u t i o ni nt h eg r i n d i n gd c sw a sg i v i n go u t ，w h i c hw a s m a d eu po fc o n t r o l l i n gl e v e l ，s u p e r v i s o r yc o n t r o ll e v e la n dm a n a g e m e n tl e v e l t h er e a l i t i e ss h o wt h a tt h eg r i n d i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mr u n s w e l le c o n o m i c a l l ya n dr o b u s t i o u s l y , w h i c hn o to n l yc a nb ea d a p t e dt ot h ei n d u s t r yo f m e t a l l u r g i c a lb u ta l s oh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ea u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o n r e n o v a t i o no f t h eo t h e ro l di n d u s t r i e s k e y w o r d s ： g r i n d i n gc a s c a d ec o n t r o ls y s t e mf u z z yc o n t r o lo p t i m i z a t i o n i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 繇兰瘗斐 吼声j 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰i 虚韭导师签名： 日期：l 一，年；月1 7 日 1 1 选矿工艺简介 第一章绪论 选矿是指从原矿石中除去所含的脉石及有害元素，使有用的矿物得到富集， 或使共生的各种有用矿物彼此分离，得到一种或几种有用矿物的精品。从地下 开采出来的原矿一般都由有用矿物和脉石组成。原矿的品位( 有用矿物含量的百 分比) 一般都比较低，不能直接进行冶炼，因此需要先进行加工，除去大部分脉 石和有害成分得到品位较高的精矿，供下一步使用，对原矿的这一加工过程 就叫选矿。例如精铁矿中一般含有硫和磷，它们对冶炼过程有害，含量不能太 高，选矿过程中应降低含硫量和含磷量。选矿对冶炼技术的经济效果十分明显 的。例如，铁精品品位提高1 ，则高炉生铁产量可以提高2 5 ，焦比下降1 5 。 可见，选矿对于开发矿业，充分利用矿业资源有着十分重要的意义。 常用的选矿方法有重选法、浮选法、磁选和电选法等。重选法是根据矿物 相对密度的差异来分选矿物的。浮选法是根据矿物表面的物理化学性质的差别， 经浮选药剂处理，使有用矿物选择性地附在气泡上，达到分选的目的。磁选法 则是根据矿物磁性的不同，不同的矿物在磁选机中受到不同的作用力，从而使 各种不同的矿物得到分离。 选矿过程是一个极为复杂的工业生产过程，来自采矿厂的矿石要经过选矿 过程的各个作业，最后才能得到符合冶炼要求的精矿。选矿作业主要包括破碎 筛分、磨矿分级、选别、精矿脱水等环节。其中每一个环节都是一个极为复杂 的工艺过程，既有动力学过程，也包括物理过程和化学过程。 1 2 选矿自动化发展及现状 选矿过程是整个冶金工业中一个承上启下的中间环节，其作用是非常重要 的。然而随着对矿业资源的不断开发和利用，使得具有较高价值的高品位矿石 正在迅速减少，与此同时，人们对矿物资源的需求却不断的增加，因而人们只 能从遗留下来的贫、细、杂矿石中回收矿物资源。这使得仅靠改进工艺来提高 选矿厂的技术指标和经济效益变得极为困难，所以在选矿厂中必须采用先进的 一 。整至登茎奎兰墼皇羔堡堡主堂焦鲨茎二 自动化技术，来降低选矿成本，改善选矿厂的技术指标，提高选矿厂的经济效 益。 选矿自动化技术是随着自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术、检测 技术的发展而不断地发展的。国际上选矿自动化技术的发展比较迅速。5 0 年代 初期，主要是对选矿过程的某些变量进行单项检测。5 0 年代末，随着计算机广 泛地应用于工业控制，在选矿领域也开始研究计算机直接数字控制。7 0 年代又 开始了选矿过程最优化控制的研究和实验，从静态最优化开始，目前已经发展 到动态最优化控制和智能控制的研究。 我国的选矿自动化工作起步比较晚。5 0 年代主要是对矿石中金属的自动探 测和矿石的自动计量，7 0 年代末才开始对选矿作业作单变量控制的研究。在我 国，选矿所采用的自动控制大多集中在如下几个部分：对碎矿车间的集中监控， 减少空转，节能降耗：对磨矿车间分级系统的分布式控制；对浮选控制还停留 在单回路的水平上。有些选矿厂尽管采用了较先进的集散控制系统，但只是针 对某一车间或某一环节，而且即使有的选矿厂对各个车间都采用了过程控制系 统，但各个系统问没有任何联系，很少有选厂将各个环节的控制相互协调、优 化控制，并进行综合管理。 选矿厂并不是简单地由一些相互独立的车间和生产环节组合而成，这些车 间、生产环节存在相互影响和相互制约的关系。前面的环节将影响后续的作业。 如：破碎产品的粒度影响磨矿分级系统的处理量、能耗和钢耗等：磨矿产品的 粒度和浓度影响浮选作业的回收率和品位。所以单靠控制某一环节或独立的控 制几个生产环节虽能在一定程度上提高选厂的经济效益，但不可能对选厂自动 化的整个水平有很大的提高。为此选矿厂必需建立一种更完善的控制模式，使 各个生产环节之闾相互协调，进行优化控制，以取得更好的效果。 1 3 集散控制系统信息集成技术简述 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是计算机( c o m p u t e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、c r t 显示和控制( c o n t r 0 1 ) 技术( 简称四c 技术) 发展的产物。 它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、 台作自治的结构形式，适应现代化的生产和管理要求。它是在为解决原有计算 机的集中d d c 控制导致的危险集中和常规模拟仪表控制功能单一的局限性，同 2 电子科技大学机电学院硕士学位论文 时在为克服d d c 控制双工系统高成本的探索中，于7 0 年代中期研究出的以多微 机系统为基础的新型控制系统。 现已有成熟的过程d e s 系统解决方案，如德国s i e m e n s 公司的p c s 7 系统、 h o n e y w e l l 盼t d e 3 0 0 0 系统、f o x b o r o 的i a s 系统、国内浙大中自的 s u n y t d e s 9 2 0 0 和北京和利时公司的h s 2 0 0 0 系统。 从9 0 年代开始，分布式集散控制系统在不断提高系统控制功能的同时向全 面企业管理功能扩充。目前，几家名牌的d e s 产品都集成了控制和管理功能。 目前都采用多层次结构，即系统分为现场控制层、协调控制层及管理控制层等。 各层功能不同：现场控制层主要完成d d e 的功能，协调控制层完成s c c 功能， 而管理控制层完成范围更广泛、更高层的管理功能。 以工业化提升改造传统产业的关键技术是软件技术、硬件技术和集成技术。 系统集成技术是整个自动化关键技术的关键，是控制软件、优化软件和软测量 技术的集成，是主控系统、智能仪表的集成，是检测、控制、优化、调度、管 理、决策、经营等功能的集成，是实现工厂综合自动化系统的基础技术。集散 控制系统目前按照“两种模式、三层结构、多功能”的方向发展，两种模式指 系统支持s e r v e r c l i e n t 、s e r v e r b r o w s e r 两种工作模式，可在本地和远程运 行。三层结构即现场控制层、协调控制层及管理控制层等。现场信号的检测和 设备的直接控制处于现场控制层，监督、优化控制处于协调控制层，生产调度 处于管理控制层。这种系统的多功能主要指系统包括实时数据平台、集散控制 系统组态、本地或远程过程监控等多项功能。信息集成是系统集成的灵魂，研。 究分布式集散控制系统控制网与管理网的信息集成，对灵活构建和高效应用自 己的分布式控制系统具有重要意义。 集散控制系统信息集成技术主要有： 1 ) 互联技术：底层控制网与上层管理防是两类具有不同功能、不同结构和 不同形式的网络。通常采用的互联方法有网关和路由器，网络扩展方法有阿桥 和中继器。w e b 技术在集散控制系统集成中得到实际应用。 2 ) 远程通讯技术：远程通讯技术是实现地理上跨距较大网络集成的有效方 法之一，主要有利用调制解调嚣的数据通讯和基于t c p i p 的远程通讯。 3 ) 动态数据交换技术：当底层控制网与上层管理网共享工作站或通讯处理 机时，可通过动态数据交换技术实现网络的信息集成。 4 ) o p c 技术：它能在各应用之间提供一种透明的数据访问。o p c 是数据交 电子科技大学机电学院硕士学位论文r 。 换的标准程序接口，它可以大大简化i o 驱动程序的开发并提高操作界面系统 的性能。o p c 标准的基础c o m 技术最初是由m i c r o s o f t 等公司提出并在w i n d o w s 环境下实现的。o p c 标准的制定，使得面向对象技术在控制系统信息集成设计中 的应用成为可能。 5 ) 数据库访问技术：上层信息网一般采用开放数据库系统，底层控制网往 往采用实时数据库映射现场状态。通过数据库访问技术可实现集散系统的信息 集成。常用的数据库访问技术有：固有访问、o d b c 访问和访问代理a g e n t 。 1 4 课题背景 上海梅山铁矿选矿厂以生产合格铁精矿为主要任务，以硫精矿为副产品。 梅山铁矿矿物组成复杂，因此选矿流程较长，生产难度较大。 梅山铁矿选矿厂综合自动化改造项目是冶金部“九五”攻关项目的延续， 其核心内容就是利用先进自动化技术改造企业，以提高铁精矿的回收率和降低 生产能耗，提高企业效益。 本着一次规划、分步实旆的原则，我们先期已对细碎、中碎、重选筛洗和 联合泵站进行了自动化改 造，投运效果良好。在前 款项目基础上，拟对磨矿 系统进行自动化改造，主 要目的是对磨矿系统实现 自动监视与控制，以及写 其它车间综合自动化系统 实现联锁、联网、统一管 理。本课题是以此为背景 提出的，对磨矿过程优化 控制及信息集成技术做出 研究，目的是有效控制磨 机，建立高可靠、开放的 控制和管理一体化d c s 系 统。 出 产 管 理 级 过 程 监 控 层 i n t e r n e t 一- 管理计算机i 管理计算杌2管理计算机n 向向一圃 务器 蜜画画蜜画 - t - t t 1 t 以太网 壤唯站i操卅站2操作杠m - 1 操键站m藤 一面一f 褊i ；侧两 譬i 细碎、中碎、重 譬i 选筛洗和联合泵 制f 站控制站、现场 级i 设备和仪表 一降叠嘲一 磨矿系统各控制 站、现场设备和仪 表现场仪表 图i l 梅山铁矿分布式控制结构图 4 电子科技大学机电学脘硕士学位论文 系统结构采用采用三层网络结构，如图l l 所示： 过程控制级：它是整个自动化系统的控制核心。采用总线技术、可编程序 控制器( p l c ) 控制技术，通过对现场设备及仪表的监测、采集现场信号，实现 对生产流程和设备的自动控制。先期项目我们采用o m r o n 公司c o n t r o l l e rl i n k 控制网及协议宏实现现场各p l c 站点及智能仪表的连接；在磨矿系统自动化项 目改造中，我们用p r o f i b u s 总线实现现场各p l c 站点及智能仪表的连接。 过程监控级：它采用先进的计算机网络技术，以组态软件的实时数据库为 核心，主要实现对工艺流程和所有现场设备运行状态显示、工艺参数调整及报 表查询功能。先期项目我们采用i n t e l l u t i o n 的f i x 组态软件开发监控级，该 级通过c o n t r o l l e rl i n k 控制网与对应现场控制级相连；在磨矿系统自动化项 目改造中，我们用i n t e l l u t i o n 的i f i x 组态软件开发该级，通过p r o f i b u s 总 线实现与过程控制级的连接。同时，在该级通过不同的信息集成技术，实现控 制网与信息网的信息集成。 生产管理级：它主要是管理人员根据当前的生产画面和设备运行情况，便 于指导生产、合理调度、加强管理。在该层我们采用信息集成技术建立了基于 w e b 的系统监控、信息查询应用：同时通过该e t h e r n e t 网与企业m i s 系统互联， 系统具有更高级的远程访问功能，方便访问、共享有关信息( 如宝钢集团总部) 。 1 5 论文思路及内容 本课题着重对磨矿过程优化控制及信息集成技术做出研究，建立可靠、开 放、有效的控制和管理一体化磨矿d c s 系统，并与已有系统集成。在分析磨矿 机理，建立控制对象模型基础上，重点介绍了系统过程优化控制方法：在系统 实现上，重点阐述了控制网与管理网的信息集成方法；最后给出了磨矿集散控 制系统的实现。论文内容及思路如下： 第一章：介绍了选矿厂自动化的发展及现状，简述了分布式集散控制系统 底层控制网与上管理网信息集成技术：介绍了本论文的课题背景，概括了论文 所要做的工作。 第二章：介绍磨矿过程工艺流程，阐述磨矿过程控制及信息集成的发展和 现状。 第三章：对磨矿过程优化控制做出研究。给出了系统的控制目标分析了 电子科技大学机电学院硕士学位论文 系统的输入、输出变量间关系，提出系统串级控制的整体控制方案。分析了串 级控制特性，介绍了各子系统的控制方法。在串级控制基础上，提出系统优化 指标，给出优化方法。 第四章：对系统信息集成技术做出研究。介绍了d c s 系统中的信息集成技 术；阐述了磨矿系统信息集成方案。 第五章：主要讨论的磨矿分布式d c s 系统的整体实现。从过程控制级、过 程监控级和生产管理级三各层次，利用硬件集成技术、软件集成技术和信息集 成技术加以实现。 第六章：对整个论文做出总结，同时提出仍需研究的工作。 6 一。丢： 一囊i ：i 燮銮耋垫塞耋丛堡主兰焦鲨塞j 。 。 第二章磨矿过程控制及信息集成概述 2 1 磨矿系统简介 磨矿是破碎过程的继续，是矿石在选别前的最后一次加工。磨矿的目的是 使矿石中的有用成分全部或大部分达到单体分离，同时又尽量避免过磨现象， 并达到选别作业的粒度要求，为选别作业有效的回收矿石中的有用成分创造条 件。 磨矿作业与选别作业有很大的关系，选别指标( 精品质量和金属回收率) 的好坏很大程度上取决于磨矿产品的质量。如果磨矿产品的细度不够，矿物粒 子间不能达到充分分离，选别的指标不会太高；如果过磨就会产生矿泥，不能 对矿物进行有效的回收。而且，磨矿产品还要符合选别作业所要求的浓度，各 种选别作业都有自己合适的浓度范围，过高或过低都不合适。 磨矿作业对选矿的经济指标影响很大。磨矿是选矿厂动力消耗最多的一个作 业，磨机消耗掉的电能占选矿厂的3 0 4 0 9 6 左右，磨机作业的金属消耗也很大。 据统计，磨碎一吨矿石，磨矿介质( 钢球) 和衬板的总损耗量达0 4 3 0 公斤。 从上面可以看出，磨矿费用占的比例很 大。 由以上分析可知改善磨矿作业， 提高磨矿产品质量，降低磨矿费用，提 高磨矿机的生产率，不仅能提高磨矿产 品的质量和金属回收率，而且对降低选 矿成本。提高选矿厂的生产率有很重要 的意义。 2 2 磨矿过程工艺流程 至浮选 磨矿工艺多种多样，其中以二段磨 矿最为典型，梅山选矿厂磨矿分级车问2 1 磨矿分级过程工艺流程图 电子科技大学机电学院硕士学位论文 共有5 个系列，各系列工艺流程相同，如图2 1 所示，均为两段闭路磨矿。 图 入磨矿石粒度为1 4 r a m ，入磨矿由2 7 # 矿仓摆式给矿机给至集矿皮带，再转至 给矿皮带，继而送入由2 7 0 0x3 6 0 0 r a m 格子型球磨机，进行一段磨矿。一段球磨 机的排矿给入由2 0 0 0 m m 高堰式螺旋分级机，进行一次分级。一次分级返砂返回 一段球磨机进行再磨。一次分级溢流自流进入二段由2 0 0 0 m 沉没式螺旋分级 机，进行二次分级。二次分级返砂由螺旋分级机直接给入二段巾2 7 0 0 x3 6 0 0 m m 格子型球磨机进行二段磨矿。二段球磨机的排矿再进入二段螺旋分级机进行分 级，分级返砂返回二段球磨机进行再磨。二次分级溢流则作为磨矿分级系统产 品，进入下道浮选脱硫选别作业工序。 系统的主要技术参数如下： 处理量：7 0 吨时 一段磨矿浓度：8 5 8 8 一段溢流浓度： 8 0 8 5 一段返砂比：5 0 1 0 0 二段磨矿浓度： 8 0 8 3 二段溢流浓度：4 0 4 5 二段溢流细度： 7 2 + 2 ( 一2 0 0 目) 二段返砂比： 2 0 0 3 0 0 2 3 磨矿过程控制发展及现状 由于磨矿过程机理复杂，是一个多变量输入输出系统，生产过程缓慢，滞 后时间长，同时具有非线性时变特性及干扰因素多而严重等特点，因此给系统 控制和优化带来一定的困难。多年来，国内外选矿工作者和自动化科技工作者 一直关注和潜心研究磨矿分级生产过程的自动控制问题。研究主要集中在各种 控制策略的应用上。 磨机自动化技术是随着控制理论的发展而发展的。早期的磨机分级基本采 用p i d 控制方式，一般采用单个控制回路( 给矿控制回路、分级溢流控制回路、 磨矿浓度控制回路等) 。此外，针对时间滞后问题设计了预估计补偿器，针对变 量耦合问题设计的解耦补偿器。随着计算机技术的发展和过程模拟与仿真技术 的应用，一系列新型控制策路在实际中得到应用。利用自适应理论设计的自姣 8 正控制器，已取得较好的仿真效果。预测控制理论也得到部分应用。 在这些研究中，国外一些国家一直保持着领先地位，这些国家包括南非、 芬兰、澳大利亚和加拿大等。他们主要集中在系统优化和过程监控上，在提高 磨矿效率，降低成本上取得了很多成果。文献( m e t z n e r gm u l t i v a r i a b l ea n d o p t i m a l l “m i l lc o n t r o l t h es o u t ha f r i c a ne x p e r i e n c e p r o c e e d i n g so f 1 8 t hi n t e r n a t i o n a lm i n e r a lp r o c e s s i n gc o n g r e s s s y d n e y ，a u s t r a l i a ，m a y 1 9 9 3 给出了南非1 3 个选矿厂运用自动控制的经验，给出许多有用结果。文献 c r a i g ，i k ，h u l b e r t ，d go p t i m i z e dm u l t i v a r i a b l ec o n t r o l ：o f a n i n d u s t r i a lr u n o f m i n em i i i i n gc i r c u i tj o u r n a lo fs o u t ha f r i c a ni n s t o fm i na n dm e t a l ，v 0 1 9 2n 0 6j u n1 9 9 2 给出了一种多变量优化控制策略。 专家系统和智能控制在磨矿中的应用得到出步研究，对解决系统的模糊性、 不确定性和难以建模的问题有一定的效果。文献( t h o m p s o nla n dm e r t zg r e a l t i m es y s t e mi m p l e m e n t a t i o na tm o n s a n t o k r u m m i c h a u t o m a t i c ，v o i 2 9 n 0 51 9 9 3 给出一种基于p r o v o x 集散系统的专家系统。这些应用取得了较好的 控制效果。 我国在这方面的研究成果还很少。我们调研了上海宝钢集团梅山选矿厂、 马钢南山选矿厂及武钢集团程潮选矿厂磨矿过程的自动化水平及存在的问题。 目前还主要是对作业指标的控制，没有实现系统级的优化。故研究先进控制策 略在磨矿系统中应用，优化磨矿过程有重要的理论意义。 传统和现代的常规控制方法都是建立在被控对象的数学模型基础上。由于 磨矿分级过程难以建立精确的数学模型，所以这些方式难以获得理想的控制效 果。而且，无论是在线辩识还是离线辩识，都有很大的困难。磨矿分级过程控 制的趋势是智能控制和复合控制，避开复杂的数学模型，将各种控制相互渗透， 利用各种已有的知识规则，采用先进控制算法。 2 4 磨矿过程信息集成发展及现状 从信息化技术发展角度看，随着信息集成技术的发展。在过程集散控制系 统的信息集成方式和规范都发生了较大变化。现对d c s 控制软件的新结构进行 简单描述。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 组件对象模型，它是软件组件采用的一种 9 。一皇王型垫查堂垫皇堂堕堡主堂垡堕塞： 二二一。 常规结构。它据o o p 的思想，将组件对象化。给出面向对象软件组件( 或简称 对象组件) 的标准。c o m 首次是在对象链接与嵌入o l e 2 0 版中引入，它是一种 标准，而非一种实现。c o m 解释了组件该如何通信，但为了具体实现。还需要 a c t i v e x 。然而o l e 2 中的c o m 只解决了同一网络中对象间的交互问题。 d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 分布式组件对象模型，它 扩展了c o m 性能，是一种特殊协议，允许应用程序在分布式计算环境 ( d i s t r i b u t e dc a l c u l a t i o ne n v i r o n m e n t ：d c e ) 里进行面向对象的远程过程 调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ：r p c ) 。用户可在w i n d o w sn t 4 0 以上版本中得 到d c o m ，它特别适用于开发企业的信息管理系统、专用的w e b 等。基于网络安 全的考虑，d c 0 m 自身含有较高的安全处理功能。 a c t i v e x ，一个组件对象( 支持c o m 的对象) 不仅支持“对象链接与嵌入”， 而且还可以远程调用或运行其它机器或网络中的组件对象等等，它的功能远远 超过o l e 字面所表达的功能。微软重新命名，将所有这些组件对象统称为 a c t i v e x ，它同样也提供对d c o m 的支持。在网络中，若在“进程内”以d l l 文 件运行：在“进程外”( 本地进程外或远程进程外) 以e x e 文件形式运行。 在d c s 网络环境下运行的应用程序，应是遵循c o m d c o m 标准，通过a c t i v e x 实现的客户机服务器结构的应用程序。 o p c 规范，基于微软的d i s t r i b u t e di n t e r n e ta p p l i c a t i o n ( d n a ) 构架和 c 0 m 技术，据易予扩展性而设计。它定义了一个标准工业标准。该标准使c 洲技 术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。 o p c 以o l e c o m 机制作为应用程序通讯标准。o l e c o m 是种客户、服务器 模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。o p c 规范了接口函数， 客户以统一方式访问现场设备( 不管其以何种形式存在) 。o p c 定义了两套标准 接口：c u s t o m 标准接口和0 l e c o m 自动化标准接。对于o l e c o m 接口，又分为 三层接口：o p cs e v e r 、o p cg r o u p 和o p ci t e m 。o l e c o m 的扩展远程o l e 自动 化与d c 嘣技术支持t c p i p 等多种网络协议故可将o p c 客户、服务器在物料 上分开，分布于网络不同节点上。o p c 设计的目的就是从网络上某节点上获取数 据。 这些控制软 牛的新的结构，大大推进了集数控制系绞的信息集成水平。 从国内外信息化发展水平比较角度看，信息集成水平与企业的自动化水平 是密切相关的。只有自动化水平高了，才能为信息化提供丰富的信息资源；同 一一 二一皇量型堑壅塑皇堂堡堡圭鲎堡i 垒蛊= ：二。j ；。：二一二 时，只有信息化水平达到一定程度，自动化水平才能达到某一高度。 基于专家系统、模拟控制理论等先进控制策略的d c s 、c i m s 早已应用于工 业发达国家先进选矿厂，这些场合，常见的信息集成方式得到广泛应用、同时 在不断涌现新的信息集成方式，信息集成度较高。 国内选厂，除少数矿山引进国外成套设备及成套d c s 系统，自动化、信息 纯水平稍商外，大部分企业，局部自动化基本停留在稳定化控制水平，企业的 经营管理与生产管理工作主要还是采用手工为主的工作方式，信息未被集成， 信息综合处理水平及管理效率比较低，存在着企业的管理与决策对人的依赖性 强，缺乏准确、及时的企业数据和状况分析、企业的生产能力无法准确估计， 无法最大限度地挖掘企业的潜力等一系列问题。随着国家以自动化、信息化带 动传统产业战略的不断深入，这一现状有望逐步得到改善。 第三章磨矿过程优化控制研究 3 1 系统控制目标 磨机的基本任务式为选别作业准备好解离充分但粉碎轻的入选矿物。解离 不充分，达不到分选目的；矿物过粉碎，难以有效回收较小微粒。磨矿产品的 两个技术指标就是矿物的粒度和浓度。 磨矿作业费用在选矿厂中占很大比例，据统计，可达整个选矿厂全部费用 的4 0 以上，而在这里面，磨机能耗又占磨矿费用的6 0 以上。所以，有效控 制磨机功耗成为磨机作业又一基本目标。 综上所述，磨矿过程自动控制的目标为： 1 ) 矿浆二次分级溢流粒度均匀，同时浓度满足工艺要求，以利于后面的浮 选作业。 2 ) 在粒度和浓度满足工艺要求的前提下使磨机每小时的产量最高，能耗 最低。 3 2 系统控制对象 3 2 1 数学模型 3 2 1 1 球磨机模型 球磨机是选矿厂广泛使用的粒度减小设备，常见的有格子型球磨机和溢流 型球磨机。它们规格均以简体内径d 和筒体长度l 表示。 球磨机可以看作是在其中发生破碎作用的混合器。当连续磨矿体系处于平 衡操作状态时，其给科速率和排料速率是不交的，同时磨机中粒度分布也是不 变的。如果把磨机看作是理想混合器，则产品的粒度分布就是整个磨机物料的 粒度分布。 一台磨机可以看作由若干横断所组成，每一横断都含有相同数量的物料。 物料的整体运行方向是向着磨机的排料端的，一旦物料出现在磨机的产品段中， 它就离开体系。一组颗粒在磨机中停留时间越长，发生的破碎作用也越强烈。 1 2 电子科技勰机电譬院硕士堂堡谗文一 一 如果停留的时间分布是已知的。则在磨机内已停留了各种已知时间而排除磨机 的矿浆粒度的分数是可以计算的。总的产品粒度分布是各破碎后矿浆分数粒度 分布的加权平均结果。 为了简化各种计算及分析问题的方便，我们假设磨机是一个单段的理想混 合器，球磨的理想混合模型，可表示如下： 鲁= 只一只4 - 缸+ r j * s j - ”s ( 3 - 1 ) 曰= 口+ 墨 ( 3 - - 2 ) 口= d + 4 + 矿妒+ d ( 3 - - 3 其中： 足一给矿中粒级i 的质量流( 吨d 时) ，i = l ，2 ，n e 为最粗的级别，只为最细的级别； p 一磨矿产品中第i 个粒级的质量流( 吨4 时) ； s 一球磨机中第i 个粒级的质量( 吨) ； d _ 一第i 个级别的排矿比系数； d j 一第i 个级别的单位体积排矿比系数： 足一第i 个级别的破碎比系数，用于计算第i 个粒级中被破碎的质量比： a 。一粒级j 中的颗粒被破碎成粒级i 的颗粒所占的比例： 矿一给矿体积( 包括固体和水) ( m 3 ) ： d 一球磨机直径( 米) ； 上一蘑矿长度( 米) ： t 一时闻： 缸一时间增量。 微分方称( 3 1 ) 有如下数值解： j 勰= ( f “一f + 窆4 。+ r j + s ，t 一碍+ 爿) p ( 3 4 ) 因此： “- s ：= ( f ”“一只。+ a 。+ r j + 彰- r ：+ s j ) + a t ( 3 5 ) j = l 将( 3 2 ) 时式代入( 3 5 ) 式则有 p “= ( d j + “d ：) + e + a t + d y 。( f “。一只+ 一，+ ( r j ，d j ) + _ 一( r j 科) + 只7 ) j = l 电子科技大学机电学院硕士学位论文 ( 3 6 ) 讨论： 1 ) 式( 2 - - 6 ) 表示出f “、p ”。与只之间的函数关系，采用迭代法可以 用于动态磨矿过程模拟。 2 ) 由于球磨机是一个容性负载，当给定磨机给矿一个阶跃变化时，变量v ( 给矿体积) 、n ( 排矿比系数) 会有一个滞后过程。 3 ) 动态磨机模型可描述如下( 见图3 一1 ) ： 刊懒模型h 燃模型h 鬻哲学引墼 图3 1 磨机动态模型方框图 4 ) 参数足d ? 可用流程考察数据算出。纯滞后时间和混合器模型系数a 可 以通过现场动态数据采样后求解。 5 ) 如果不考虑滞后时间的话，可将程序中的混合器系数设为1 而纯滞后时 间设为0 。 6 ) 在这一模拟器中，球磨机沿轴向被划分为三等分。每一部分被视为理想 混合模型，但对于整个球磨机而言，而不是一个理想混合模型，因此这一动态 模型的模拟结果会与静态模型的结果稍有不同。 3 ，2 1 2 螺旋分级机模型 螺旋分级机是用于已粉碎产品粒度分离的设备。其原理是不同粒度、形状 和比重的颗粒在静止或流动的流体中沉降的速度不一样，通过沉降来达到粒度 分离效果。它由一个敞口沉降槽组成，该沉降槽与水平面安装成一定角度。矿 浆加入靠近溢流排料端的给料室，给料速率控制在只允许大颗粒有足够的时间 沉降到槽底。细颗粒和大部分给水一起进入溢流，而已沉降的粗粒物料则慢慢 地被耙子耙上槽的斜坡，并从槽的另一端派出，进入磨机再磨。 闭路磨矿时，螺旋分级机送入磨矿机的返沙量开始增多，经过一段时间后， 才趋于稳定不变。稳定的返沙重量叫循环负荷。它可以用绝对值( 吨时) 表示， 也可以用它和新给矿量的比值表示。设新给矿量为q ( 吨小时) ，用绝对值表示 的循环负荷为s ，用相对值表示的循环负荷( 称为返沙量) 为c ，则： 4 一。量重型垫查塑皇堂堡堡主堂焦整壅：。 ：。一；二 c ：曼 q ( 3 7 ) 循环负荷的数量可能比新给矿量大几倍。通常不低于2 0 0 ，但不能大到它 与新给矿量之和超过磨机的通过能力，否则磨机会被堵塞。 当设备参数固定以及分级安装角度一定时，影响分级效果的主要因素是给 料的粒度特性和分级机的给补加水量。研究这些变量与分级机溢流产品粒度的 关系，较好的方法是研究分级效率，效率表示给料中每种粒度的颗粒进入底料 的重量百分数与该粒度之间的关系。 计算校正效率的传统公式为： 疋( d i ) = 警1 0 0 ( 3 - - 8 ) 式中： l z ( 。c 1 1 , 、) ：i ! ；j ；i ! ：；：! ：燃。- o o 。否再两渡瓦丽丽疆x l u u 掬 e ( d ，) 为校正分级效率：e ( 巩) 为实际分级效率 耻磊蒜糕圳。 d 表示第i 级粒度的算术平均值。 通过在静态模型上附加一个混合模型和一个纯滞后模型可以建立螺旋分级 机动态模型( 见图3 - - 2 ) 。混合模型用于模拟螺旋分级机的分级和沉降区域，纯 滞后模型用于模拟返砂从沉降区被运输到球磨给矿这一过程。 图3 2 螺旋分级机动态模型方框图 3 2 2 过程分析和结论 磨矿系统是一个复杂的多输入多输出非线性大时滞系统系统有六个输入 电子科技大学机电学院硕士学位论文 三个输出，还有一些不确定的干扰因素，并且系统各变量之间存在强烈的耦合。 系统工艺流程如图3 3 所示： 磨矿系统的输入变量，即控制磨矿的调节变量( m v ) 主要有： 1 ) 入磨给矿量( 入磨台时) ； 2 ) 磨机和螺旋分级机的给水量，包括： 一段遁矿! i ：量 一次分级机返矿水量 一次球磨冲矿及排矿水 二次分级返矿水量 二次分级溢流冲洗水 二次球磨排矿水 3 ) 钢球添加的频率和数量等。 系统的输出变量，即被控目标变量( c v ) 包括： 1 ) 矿浆二次分级溢流粒度； 2 ) 矿浆二次分级溢流浓度； 锕球 一段排矿 矿 窝； 矗制琏蚧 浓度二段f | 矿采、丁7 | 圈3 3 詹矿系统流程图 3 ) 一、二段磨机的负荷( 磨机噪声、磨机电流) 等。 另外，系统中还存在扰动变量( d v ) ，即那些不可控，但对系统造成扰动的 变量，主要有： 1 ) 原矿性质的变化，如矿石的含磷量、硬度、粘度、粗细等： 2 ) 磨机的损耗( 衬板、球耗等) 。 虽然本系统过程响应缓慢，但响应速度仍快于扰动变量的变化速度，因此 通过调节各m v 实现磨机自动控制是可行的。 摩机过程控制依据： 1 ) 电耳检测磨机的工作状态： 磨机在工作过程中，其声音的强弱、频率的高低与其体内矿物的充填量和 矿石有着密切关系。矿物充填少时