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工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 摘要 论文以宝钢集团梅山选矿厂综合自动化项目为背景，研究了冶金行业选矿球磨过 程的自动控制和优化技术，提出了基于计算机控制系统的实现方案。 选矿球磨过程的控制目标在于保证粒度指标的前提下提高产量。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，对给矿控制采用白寻优优化算法；对粒度控制采用模糊算法，实践证明了 它们的有效性。 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。 在充分研究磨矿过程自动控制、效益优化基础上，给出了磨矿集散控制系统方案， 提出了过程控制级、过程监控级和生产管理级三层实现方案，系统具有开放、可靠、 经济的特点。 关键词：选矿球磨计算机控制系统串级控制模糊控制优化 j 程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 a b s t r a c t b a s e d0 1 1 c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i cp r o c e s sc o n t r o li nm e i s h a nc o n c e n t r a t i o n p l a n t ，s h a n g h a i b a o s h a ns t e e lg r o u p ，t h i sp a p e rp r e s e n t s b a l lm i l l s a u t o m a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t r a t e g y a n d c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m i n m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y f i e d t h em a i np u r p o s eo fm i l l g r i n d i n gs y s t e mi st ok e e pp a r t i c l es i z es t a b l e a n dt o i m p r o v e t h e t h r o u g h o u t a c c o r d i n g t ot h ec o n t r o l o b j e c t a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h eg r i n d i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e st h ec o n t r o ls c h e m ea f t e r a n a l y z i n gt h es y s t e mm o d e l ，o fa l i t h es u b s y s t e m s ，t h ep a r t i c l es i z ec o n t r o l a n dt h em i n e r a lf e e d i n gc o n t r o la r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ef u z z ys t r a t e g y a n dt h eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g ya r eu s e dr e s p e c t i v e l y ，w h i c ha r ep r o v e dv e r y e f f e c t i v e 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 r ec a nb ec o n s i d e r e da sap r o b l e mo f e c o n o m i c o p t i m i z a t i o n w i t hc o n s t r a i n t s s e l f o p t i m i z i n g m e t h o do f s t e p s e a r c h i n g i sa d o p t e d ，w h i c hk e e p st h es y s t e mr u ne c o n o m i c a l y a n d o p t i m a l i y t h r e e l e v e ls c h e m eo ft h eg r i n d i n gc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n g c o n t r o ll 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 dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tl e v e l ， w h i c hi so p e n ，r e i a b l ea n de c o n o m i c a l k e y w o r d s ：c o n c e n t r t i o n 。b a l lm i l l ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，c a s c a d ec o n t r o l f u z z yc o n t r o l ，o p t i m i z a t i o n i i 声明 y5 7 187 2 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包括其他人已经发 表或公开过的研究成果，也不包括我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生虢主叠! 坚h 妒年7 月，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：i 丝! 墼切年夕月7 日 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 1 绪论 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 各个作业工序，最后才能得到符合冶炼要求的精矿粉。每一个作业工序都是一个极为 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 1 选矿工艺简介 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，供下一工序使用，对原矿的这一加工过程就 叫选矿。常用的选矿方法有重选法、浮选法、磁选法等。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。 1 2 选矿自动化发展及现状 随着对矿业资源的不断开发和利用，具有较高价值的高品位矿石正在迅速减少， 而人们对矿物资源的需求却不断的增加，仅靠改进工艺来提高选矿厂的技术指标和经 济效益十分有限。在选矿厂中必须采用先进的自动化技术，来降低选矿成本，改善选 矿厂的技术指标，提高经济效益。 选矿自动化技术是随着自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术和检测技术的 发展而不断地发展的。 2 0 世纪5 0 年代初期，主要是对选矿过程的某些变量进行单个检测。2 0 世纪5 0 年代末，在选矿领域开始应用计算机直接数字控制。2 0 世纪7 0 年代开始了选矿过程 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。n w 我国的选矿自动化工作起步比较晚。2 0 世纪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，2 0 世纪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 路的水平上等等。”1 选矿厂并不是简单的由一些相互独立的车间、生产车间组合而成，这些车间、生 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 产环节存在着相互影响和相互制约，主要是前面的环节影响后续作业。如破碎产品的 粒度影响磨矿系统的处理量、能耗、钢耗等；而磨矿产品的粒度和浓度又影响浮选作 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 度上提高选矿厂的经济效益，但不可能对选矿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干叶t 更完善的控制模式，使各个生产环节之间相互协调，进行优化 控制，以取得更好的效果。“3 1 3 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、分步实施的原则，在先期己对细碎、中碎、重选、筛洗和联合泵 站进行了自动化改造的基础上，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，以及与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技术进行研究，目的是有效控制磨 机，建立可靠开放的集控制和管理一体化的计算机控制系统。 系统结构采用三层网络结构“： 1 ) 过程控制级：它是整个自动化系统的控制核心。采用现场总线技术和可编程 序控制器( p l c ) 控制技术，通过对现场设备及仪表的监测，实现对生产流 程和设备的自动控制。先期项目采用o m r o n 公司c o n t r o l l e rl i n k 控制网及 r s 4 2 2 ( 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，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。 2 ) 过程监控级：它采用先进的计算机网络技术，以组态软件和实时数据库为核 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 表查询等功能。在磨矿系统自动化项目改造中，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。 3 ) 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e t h e r n e t 网与企业管理信息( m i s ) 系统互联，实现远程访问功能。 丁程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 1 4 论文思路及内容 本课题着重对磨矿过程优化控制进行研究，建立可靠、丌放、有效的控制和管理 一体化磨矿计算机控制系统，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，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，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，阐述磨矿过程控制的发展和现状。 第三章：对磨矿过程优化控制进行研究。给出了系统的控制目标，分析了系统的 输入、输出变量阃关系，提出系统整体控制方案。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：主要讨论磨矿分布式计算机控制系统的整体实现。从过程控制级、过程 监控级和生产管理级三个层次，利用硬件集成技术、软件集成技术加以实现。 第五章：对生产过程控制系统改造及优化前后运行情况进行检测、对比。 第六章：对论文做出总结，同时提出下一步仍需研究的工作。 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 2 磨矿过程控制概述 磨矿过程机理复杂，给整个控制过程带来了很多困难，直接影响到后序的选别作 业和经济指标，因此国内外选矿企业都把磨矿过程的控制放在了非常重要的位置，随 着计算机和集成技术的发展，磨矿过程控制也取得了明显的效果。 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。”3 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 充分解离，会降低选别指标；如果过磨 就会产生矿泥，不能对矿物进行充分回 收。此外，在磨矿过程中，还需要保证 磨机内合适的磨矿浓度。 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项 作业，磨机消耗掉的电能占选矿厂的 3 0 4 0 左右。”1 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 尘翌竺 展 z j 格式培矿机 至籽l 选 图2 1 磨矿分级过程工艺流程图 磨矿工艺多种多样，其中以二次闭路磨矿最为典型，梅山选矿厂磨矿分级车间共 有5 个系列，各系列工艺流程相同，如图2 1 所示，均为两次闭路磨矿。入磨矿石粒 度小于1 4 r a m 。入磨矿由摆式给矿机给至集矿皮带，再转至给矿皮带，继而送入巾2 7 0 0 x 3 6 0 0 m m 格子型球磨机，进行一次磨矿。一次球磨机的排矿给入巾2 0 0 0 m m 高堰式螺 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 旋分级机，进行一次分级，一次分级返砂返回一次球磨机进行再磨。一次分级溢流自 流进入二次由2 0 0 0 r i l l n 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 机直接给入二次中2 7 0 0 3 6 0 0 m m 格子型球磨机进行二次磨矿。二次球磨机的排矿再 进入二次螺旋分级机进行分级，分级返砂返回二次球磨机进行再磨。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： 一次磨矿浓度： 一次溢流浓度： 一次返砂比： 二次磨矿浓度： 二次溢流浓度： 二次溢流细度： 二次返砂比： 7 0 吨时 8 5 8 8 8 0 8 5 5 0 1 0 0 8 0 8 3 4 0 4 5 7 2 + 2 ( 一2 0 0 目，或7 4 um ) 2 0 0 3 0 0 2 3 磨矿过程控制的发展及现状 磨矿过程机理复杂，是一个多变量多输入输出系统，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等特点，给系统控制和优化带来很大困难。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。“”“町嘲。州 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，一般采用单回路控制。针对时间滞后问题设计了预估补偿器，针对变量耦 合问题设计了解耦补偿器。随着计算机技术的发展和过程模拟与仿真技术的应用，一 部分新型控制策略在实际中得到应用。利用自适应理论设计的自校正控制器，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。南非多个选矿厂运用自动控制的经验，给出许多有用结果。 专家系统和智能控制在磨矿中的应用得到初步研究，对解决系统的模糊性、不确定性 和难以建模的问题具有一定的效果。“” 我国在这方面的研究成果较少。我们调研了上海宝钢集团梅山选矿厂、马钢南山 选矿厂以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。目前主要集中 在作业指标的控制，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， j 程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 优化磨矿过程有着重要的理论意义。“” 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，如模糊控制等。1 6 工程硕士学位论文 选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 3 磨矿过程优化控制的实现 现代工业一个重要的特点是向大型化和自动化方向发展，过程控制是实现大规模 工业生产安全、平稳、优质、高效的保障，也直接关系到生产操作与装置运行的好坏 和经济效益的高低，因此引起了广泛的关注。 3 1 系统控制目标 磨机的基本任务是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。o ” 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 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。它们规格均以筒体内径d 和简体长度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，其给料速率和排料速率是不变的，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。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。”1 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： 工程硕十学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 警= f 只+ 缸一，一s j 矗，4 s # = p8 s 日= 巧+ 4 + v ( d 2 * ) 其中： 只一给矿中粒级i 的质量流( e d 时) ，i = 1 ，2 ，n 只为最粗的级别，f ，为最细的级别； p 一磨矿产品中第i 个粒级的质量流( 吨小时) ； 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 ? 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 爿，一粒级j 中的颗粒被破碎成粒级i 的颗粒所占的比例： v 一给矿体积( 包括固体和水) ( m ) ； d 一球磨机直径( 米) ； 三一磨矿长度( 米) ； f 一时间； 出一时间增量。 微分方程( 3 一1 ) 有如下数值解： ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 因此： j s r “一= ( f “一只+ a f4 r j + s ；一r ；+ s j ) 4 a t ( 3 5 ) ，= 】 将( 3 - - 2 ) 时式代入( 3 5 ) 式则有 只“= ( d ，“d ) + p + ，+ d ，“( f “。一只+ a f + ( 月j d j ) 4 弓一( r j d j ) + ) j = l ( 3 6 ) 讨论： 1 ) 式( 3 - - 6 ) 表示出f “、p j “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) 、d ，( 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 1 ) ： p， sr s足4 ，川 + p 一 址 l = p。 上程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 图3 1 磨机动态模型方框图 4 ) 参数r 。珥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l 而纯滞后时间设 为0 。 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 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，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 2 所示：”3 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；图3 - 2 磨矿系统流程图 2 ) 矿浆二次分级溢流浓度； 3 ) 一、二次磨机的负荷( 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) 。 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 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。 磨机过程控制依据： 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，其声音强、频率高，声音清脆；充填多时，声音弱，频 率低，声音沉闷。电耳可以准确判断出其声强和频率的变化，分析出矿物的充填情况 和矿石性质的变化，从而实现增矿或减矿的控制过程。 2 ) 功率变送器检测磨机负荷 功率变送器输出信号高低与磨机内负荷的高低相关，装载量越多，功率变送器输 出越高，但在发生“胀肚”情况下，功率变送器信号反而降低，所以可通过实物标定 将磨机“胀肚”趋势点的功率信号作为“胀肚”信号比较值，即临界点，当功率大于 i 临界点时，磨机按原定控制过程工作。当功率信号小于临界点时，说明磨机具有“胀 肚”趋势，控制过程进入“胀肚”保护部分。 功率信号高于临界点后又减小，表明磨机内存矿过多、给矿粒度变粗或矿石硬度 升高，可控制输出给矿信号减小或停止给矿一段时间，直到功率信号回升，接近某个 定值后再恢复原给矿量。”1 3 ) 分级机功率监测分级返砂比 通过分级机功率监测分级返砂比，也有利于磨机工作状态的调整。磨机工作正常 时，分级机返沙l p , 十f 对稳定，当磨机有“胀肚”趋势或矿石变硬时，分级返砂增大； 反之，则减小。可由分级返砂比的变化适当调节磨机给矿量，使磨机处于相对稳定的 工作状态。 采用电耳、功率和分级功率的变化来判 断磨机工作状态，不仅可以准确测量出磨机 负荷、分析磨机状态的变化趋势，同时也使 系统的自诊断、自动校正得到了可靠的保 证，为系统磨矿效率的检测提供了基础数 据。并在其中之一发生故障时，系统仍能正 常工作，起到相互保护作用。 磨机充填率与磨音及磨机功率关系如 图3 3 所示，由于磨机浓度无法直接测量， 实际应用中往往把在最大磨机功率( 即最佳 充填率) 下的磨音值作为磨机浓度的参考值。 图3 - 3 磨机填充率与磨音 及磨机功率关系图 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 3 3 磨矿系统控制方案 3 3 1 磨矿系统串级控制总体方案 针对磨矿过程的特点，把整个磨矿控制系统分为若干控制子系统，每个子系统实 现特定的调节目标，当每个子系统实现相应的功能后，再在子系统的基础上实现闭环 控制，实现入磨台时的优化控制。 根据磨矿控制目标以及过程指标要求，磨机控制系统的子系统包括：一次磨机给 矿量控制、一次磨机浓度控制、二次磨机浓度控制和二次溢流粒度浓度控制。控制系 统结构如图3 4 。根据实现功能的要求，各子系统采用串级控制、前馈反馈复合控 制等等，控制策略包括p i d 控制、模糊控制等。 图3 4 磨矿串级控制系统框图 磨矿控制系统中各子系统只实现局部优化，即只实现各自的特定控制目标。为了 达到全局优化控制，必须实现全局闭环控制。当各子系统都稳定工作后，加入闭环优 化。磨矿闭环控制的内容是实现入磨台时量( 给矿量设定值) 的优化计算，将在后续 章节作详细论述。 3 3 2 磨矿子系统控制 3 3 2 1 一次磨机给矿控制 在选矿过程中，流程的稳定相当重要。对给矿量进行长期的有效控制，能使回路 对矿石性质的变化得到满意的处理效果，同时提高磨矿系统处理量。基于这种思想， 系统给矿量一般为： q = q 。+ a q ( 3 - 7 ) 式中q 为给矿量，g 为恒定给矿量，a q 为时变给矿量。 给矿控制总体框图如图3 5 所示。 a q 根据球磨机负荷和二次溢流产品的粒度通过闭环优化算法得到，该值可正可 负，当矿石可磨性好时，球磨机负荷减小，或者在粒度满足要求的前提下，磨机并没 满负荷，这时可以增加磨机给矿量。当矿石可磨性变差时，磨机负荷将增大，或粒度 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 不能满足要求，通过其它方式又不能调节，这时可以减少给矿量。给矿量的优化将在 图3 - 5 磨机给矿控制系统总体框图 后续章节中详细讨论。当通过优化得到给矿设定值a q 后，主要考虑的问题就是设计 稳定的给矿系统。稳定给矿控制的目标是通过改变摆式给矿机给矿电机频率，使入磨 台时量按设定值的要求变化。由于闭环优化周期远大于稳定给矿控制串级子系统的控 制周期，因此，在每个闭环优化周期内保证恒定的给矿控制是可行的。 1 ) 稳定给矿系统设计 梅山选矿厂，给矿系统含有4 台给矿机。正常情况下只有2 台运行，下矿到集 矿皮带后，再由集控皮带送至给矿皮带，最后由给矿皮带送到球磨机进行处理。给矿 量大小由给矿机运行台数及频率大小决定。 图3 6 恒定给矿自控系统结构图 恒定给矿自动控制系统结构图如图3 6 所示，对每台摆式给矿机进行变频调节， 正常情况下，开启两台摆式给矿机以同一频率运行，工作频率大约在2 5 h z 左右。根 据皮带秤反馈矿量进行频率调节，保持矿量稳定在给定值。 2 ) 给矿机间逻辑切换 磨矿工艺中，每个球磨系列往往有多台( 一般4 5 台) 给矿机下矿，以前由人工 观察给矿量，靠调整下矿口或起停给矿机来控制矿量，给矿量波动往往较大，难以稳 定。 为稳定入磨矿量，在给矿皮带上安装电子皮带秤，根据皮带秤检测的矿量对每台 给矿机进行变频调节，给矿机的频率与下矿量有较好的线性关系。该控制系统示意图 1 2 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 和结构图分别见图3 7 和图3 8 上半部分。 需要指出的是，生产要求给矿机能经常切换，以免某下矿口长久不下矿造成“结 矿”，以前由于人为原因“结矿”故障时有发生，特别是在冬季尤为突出。为防止“结 矿”或设备故障等原因，在给矿控制中采取了如下措施： 当给矿机运行达到一定时间后( 如4 小时，该时间可以通过上位机自由设定) ， 则自动切换到另一台备用给矿机。 检测矿仓料位，根据主厂房矿仓料位情况，自动控制给矿机切换。原则是有料 轮流工作，无料自动切换并报警提示。 当发生变频故障、给矿机机械故障或人为禁止等非正常情况时，在有备用给矿 机的情况下，自动启动另一台给矿机。 给矿过程中，若两台以上给矿机运行，且给矿频率均达5 0 h z 而矿量不足目标 矿量的8 5 ，这种状况维持一段时间( 如3 分钟) ，我们称之为“断矿”。发生“断 矿”时，发出报警，系统自动启动一台备用给矿机。 通过上面给矿控制系统的设计与采取的措施，可以较好地稳定矿量，满足球磨系 统对生产负荷的要求。 3 3 2 2 一次磨机浓度控制 一般而言，若矿量已基本稳定，系统按比例进行给水控制，可以初步稳定球磨机 内的浓度。 但在生产过程中，除给矿外，分级机还有返矿。目前国内大多数选矿厂受原工艺 条件限制，无法安装流量计和浓度计对分级返矿量进行检测。可见，若仅以固定比值 进行给水控制，难以保证球磨机浓度，甚至会造成磨机“胀肚”，影响设备正常运行。 所以，磨矿系统要求矿和水两种物料流量的比值要随浓度的变化而变化，决定采用变 比值控制方案。 变比值控制系统是一种以第三参数或称主参数( 质量指标) 、以两个流量比为副 参数的串级控制系统。在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终 目的，而第三参数( 本设计中为浓度) 才是产品质量指标。磨矿变比值自动控制系统 示意图和结构图分别见图3 7 和图3 8 。 系统工作时，按当前给矿量比例控制给水。在给水管路上安装电动阀和流量计， 构成给水闭环控制。当浓度发生变化时，浓度控制器的输出将修改比例系数k ，从而 修改了给水闭环的给定值，给水闭环及时调节给水量，保证浓度相对稳定。 系统设计中，采用磨音检测器( 电耳) 来检测浓度，它是基于有经验的操作工可 i 程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 以通过球磨机的声音( 磨音) 来判断磨机内当前浓度的机理而设计的。但需要指出的 是，磨音除与球磨机内的浓度相关外，还受球磨机衬板的影响：在刚换衬板后，正常 工作时由于衬板较厚，磨音较低：随着时间的推移，衬板变薄，磨音渐高。一般更换 衬板的周期往往是相对固定的( 如半年左右) ，控制中应根据磨音与时间的变化关系 对浓度检测值进行修正。 浓度检测( 电耳) 圈3 7 一次磨机浓度控制系统示意图 在上述控制中，还采用了串级控制方案。串级控制系统是由两个或两个以上的调 节器串级组成，其中前一个调节器的输出作为后个调节系统的给定值”“。 串级控制系统由主回路和副回路组成，副回路可能只有一个，也可能两个或两个 以上。主被控参数是串级控制系统的控制目标，副被控参数是为保证控制目标更加稳 定所需要的辅助参数。以一次分级溢流浓度的自动调节为例，其干扰主要来自两方面： 一是磨机排矿量的变化，二是由于排矿水水压的变化引起的补加水量的变化。若采用 简单的调节系统，则只能以浓度为被调量、阀的开度为调节作用；或者以补加水量为 被调量、阀的开度为调节作用。采用这两种方式对一次溢流浓度进行调节都不能得到 4 工程硕士学位论文 选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 满意的效果。采用串级控制系统就可取得良好的调节效果，控制框图如图3 8 所示。 该串级调节系统主被控参数是一次磨矿浓度，副被控参数是给水量，调节作用是调节 阀的开度。该浓度与流量的串级调节系统与浓度简单调节系统相比多了一个流量调节 副回路，因而能及早克服因水压波动等引起的二次干扰，同时又能克服其他干扰对浓 度的影响，因此改善了调节效果。 控制系统方框图见图3 - 8 。 图3 罐一次磨机浓度控制系统方框图 串级调节系统和简单调节系统相比，在结构上增加了与之相连的副回路，由此产 生了一系列的特点。“” 由于副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰，串级系统具有很强的克服 能力。 串级调节系统的时间常数减小，提高了调节系统的响应速度。 串级调节系统提高了系统的工作频率。 串级调节系统具有一定的自适应能力。 上程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 3 3 2 3 二次磨机浓度控制 对于两次闭路磨矿系统，一般而吉，若生产负荷 ( 即入磨矿量) 已基本稳定，系统按比例控制给水， 可以基本稳定一次球磨机内的浓度。但在二次磨矿 生产过程中，球磨机内的浓度则与二次分级返砂量 有关，而二次分级机返砂量受细度控制影响很大。 。 这是因为，二次分级溢流细度作为重要生产指标必图3 - 9 前馈控制系统框图 须严格控制，而控制细度的方法是往分级机内添加w 。( s ) ：前馈控制器； 二次溢流补加水：当细度变粗时，加大给水量，加w o ( s ) ：过程控制通道传递函数： 速分级机内矿砂沉淀，较粗的矿砂返回二次球磨，w s ) ：过程扰动通道传递函数； 只有较细的矿砂才会溢出；反之则减小给水量保证 细度相对稳定。 在生产中，由于控制细度的二次溢流补加水量变化较大，会导致分级返砂量变化 也很大，从而使二次球磨机浓度难以稳定。若仅以浓度值进行反馈控制，调节过程中 有时会出现不能允许的动态偏差。针对这种变化频繁且幅度较大的扰动，决定引入前 馈控制。前馈控制系统框图如图3 - 9 。 二次分级溢流 图3 1 0二次球磨浓度前馈串级复合控制系统示意图 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 前馈控制器是基于扰动来消除扰动对被控量的影响。扰动发生后，前馈控制器动 作及时，对抑制由于扰动引起的动、静态偏差相当有效。但前馈控制属丌环控制，且 只对指定性的扰动具有补偿作用，为弥补上述局限性，决定将前馈和反馈结合起来， 构成前馈反馈复合控制系统。 为提高系统的响应速度，在前馈反馈复合控制的基础上增加球磨浓度补加水流量 控制闭环，即采用串级控制方案。在给水管路上安装电动阀和流量计，当球磨机内浓 度发生变化时，根据浓度控制算法修改流量闭环的给定值，流量闭环及时调节给水量， 保证浓度快速稳定。 二次球磨浓度前馈串级复合控制系统示意图和方框图分别见图3 1 0 和图3 1 1 。 砂量 图3 1 l二次球磨浓度前馈串级复合控制系统方框图 前馈控制器的控制规律基于不变性原理，它取决于被控对象的特性，即： 哪卜篇 。，删 为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖性，且便于前馈模型的工程整 定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性，系统设计采用如下典型的动态前馈控制规 律： 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 ( s ) = 一世，- 芋三 ( 3 9 ) 12 s 十l 式中，k m ：静态前馈系数； 乃：控制通道时间常数； 乃：扰动通道时间常数。 实际运行表明，该控制规律可以较好地满足磨矿过程二次浓度的控制精度要求。 3 3 2 4 二次溢流粒度及浓度控制 高质量的二次分级溢流粒度控制是磨矿控制最主要的目标。而二次溢流浓度过低 会导致浮选药剂不起泡，因此在保证粒度稳定的同时，还必须使二次溢流浓度稳定在 一定的范围内。 影响二次分级溢流粒度的因素主要是二次分级溢流冲洗水量和一次球磨给矿量。 我们采用优化方法处理一次磨机给矿对二次分级溢流粒度的影响，优化周期远远大于 二次分级溢流水调节周期，因此，在优化周期内，一次磨机给矿量保持不变；在给矿 量稳定的情况下，通过调节二次分级溢流冲洗水量，把矿浆粒度控制在设定值附近。 由于溢流粒度和溢流冲洗水、磨机填充率等变量存在非线性和不确定性关系，一 般控制方式控制难度较大，考虑采用对被控对象参数、结构变化适应能力强的智能控 制方式。 在长期生产过程中，操作人员积累了一套操作经验并记录了大量的生产数据，一 般的自动控制系统不能完全的利用这些经验和数据，但是模糊控制可以实现。模糊控 制以模糊集合论、模糊语言变量和模糊推理为基础的计算机控制。采用模糊理论，总 结人们对系统的操作和控制经验，用模糊语言条件语句写出控制规律，再用算法语言 来编写程序，按此程序对生产过程进行自动控制。模糊控制具有以下特点：。4 1 1 ) 模糊控制只要求掌握现场操作人员或专家的经验，不需要建立数学模型。 2 ) 模糊控制是一种语言变量控制，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达， 不要用传递函数和状态方程，只要对控制经验加以总结，从中提炼出规则，直接给出 语言变量，再应用推理的方法进行观察和控制。 3 ) 系统的鲁棒性强，尤其适用于时变、非线性系统、时延控制系统。 经过对这些操作经验进行总结和对数据进行分析，利用模糊智能控制技术设计了 粒度模糊控制器，有效地提高了控制精度。控制系统原理图如图3 1 2 所示。下面详 细介绍模糊控制器的设计。 为提高系统性能，模糊控制器采用二维模糊控制器，即双输入单输出结构，结构 框图如图3 1 3 所示。 工稗硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 图3 1 2 二次溢流粒度控制原理框图 图3 1 3 二次溢流粒度模糊控制器结构框图 其输入量为粒度的误差e 及误差的变化率c ，通过k 。= n x 。和k 。= m x 。，可以 求出e 和c 的量化因子，然后就可以把基本论域连续的x e 和x ，分别离散为模糊论域 e 和c 上的值。根据控制要求，石。= 5 ，x ，= l ，1 t = 掰= 6 ，k 。= 1 2 ，量。= 6 。 在定义代表各模糊状态的模糊集时，要考虑多方面的影响：首先是隶属函数形状。 隶属函数曲线现状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏；相反，隶属函数曲线舒 缓时，控制特性也较平缓，但系统鲁棒性强。一般来说，在误差较大的区域采用较低 分辨率的模糊集，误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集。其次是描述某一模糊变 量的各模糊子集是否良好地覆盖整个论域。定义这些模糊子集时要注意使论域中任何 一点对这些模糊子集的隶属度的最大值不能太小，否则会在这样的点附近出现不灵敏 区，以至于造成失控，使模糊控制系统控制性能变差。适当增加各模糊变量的模糊子 集论域中的元素的个数，如一般论域中元素个数均不低于1 3 个，而模糊子集总数通 常选7 个。当论域中元素为模糊子集总数二至三倍时，模糊子集对论域的覆盖程度较 好。最后，各模糊子集之间也相互影响。通常用这些模糊集中任意两个模糊集交集的 隶属度的最大值b 来描述这一影响，f 3 较小时控制较灵敏，b 较大时模糊控制对于对 象参数变化的适应性较强，即鲁棒性较好。”。一般选取0 4 0 7 ，这里取0 5 。 依据控制要求、特别考虑对论域的覆盖程度、灵敏度和鲁棒性，选择e 和c 的模 糊集为 p b ，p m ，p s ，z e ，n s ，n m ，n b ，以三角函数为隶属函数曲线( 见图3 一1 4 ) 。 用计算机控制时，e 和c 分别为e ( k ) 和c ( k ) ，计算方法如下： e ( k ) = y 。一y ( k ) ( 3 一1 0 ) 1 9 工程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 c ( k ) = ( e ( 七) 一e ( k 一1 ) ) t( 3 1 1 ) 式中：y ，为一次磨机粒度度设定值：y ( k ) 为本时刻采样值：丁为采样周期。 图3 1 4模糊集隶属度函数曲线 x 当得到p ( ) 和c ( ) 的值后，分别乘以e 和k ，将其离散为模糊化论域 一6 ， 一5 ，5 ，6 ) 中的对应值，然后按图3 1 4 得出e 和c 在对应模糊集中各模糊子集 的隶属度。本系统中，我们选择模糊输出u 的模糊集及隶属函数同e 和c 。 对输入进行模糊化后，就是进行模糊推理和模糊量的非模糊化了，这里我们采用 著名的m a m d a n i 推理法。 首先，建立模糊控制规则和模糊控制表 模糊控制器的中心是依据语言规则进行模糊推理。模糊逻辑推理的依据是模糊控 制规则库。可以根据操作者或者专家的经验知识建立知识库，其形式为： 矿ea n d c it h e nv ，i a i , j j( 3 1 2 ) 式中：i ，j 为下标集，分别表示模糊变量模糊子集的数目；e i ，c j ，u i j 分 别为 p b ，p m ，p s ，z e ，n s ，n m ，n b ) 中的任意元素。由于每个输入可以量化为7 个模糊予 集，理论上应该有4 9 条规则就可以全部覆盖论域。根据工程隐含，只有4 5 条规则在 实际中出现，每一条规则对应一个模糊关系，得到总的模糊控制规则库。见表3 1 ： 表3 一l 模糊系统控制规则表 z - c l p bp mp sz en sn md e p bn bn bn bn mn mz ez e p mn bn bn bn mn mz ez e p sn mn mn mn mz ep sp s z en mn mn sz ep sp mp b n sp sp sz ep mp bp bp b n mz ez ep mp bp bp bp b n bz ez ep mp b p bp bp b r = r l u r 2 u - u r 4 5 ( 3 1 3 ) 1 ：程硕士学位论文选矿生产过程的计算机控制系统改造及优化 由式( 3 - - 1 2 ) 可得出总的模糊关系矩阵月， r=ue，c，u。(3-14) 其隶属度函数记作： z 月( e ，c ，“) = v ( 厨0 ) a o ( c ) a 珊( “) ) ( 3 - - 1 5 ) 式中： e ，、c ，、u 。为具有式( 3 1 2 ) 所示