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东北大学硕士学位论文摘要 选矿过程工艺指标设定软件系统的设计与开发 摘要 选矿企、皿的效益与生产指标密切相关。选矿工艺指标是生产指标和生产控制之间联 系的纽带，与综精产量、综精品位和金属回收率等生产指标直接相关。因此工艺指标关 系到企业的经济效益。而目前选矿企业对工艺指标的确定由人工设定，依赖于人的经验 水平，缺乏准确性、及时性。因此对选矿工艺指标进行有效设定，对企业优化生产、提 高企业效益具有重要意义。 本文以国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “选矿工业过程综合自动化系统研究与 开发”项目为背景，针对选矿生产过程控制中的问题，结合酒铡选矿厂生产情况，确定 了选矿过程工艺指标设定的解决方案。提出了选矿过程工艺指标的设定方法，包括：采 用案例推理方法对磁选工艺指标的设定，采用案例推理和神经网络相结合的方法对粉矿 磨矿工艺指标和块矿竖炉焙烧、块矿磨矿工艺指标的设定。通过仿真试验证明，工艺指 标设定方法是行之有效的。 从生产实际需求出发并结合上述工艺指标设定方法，采用模块化方法设计开发了选 矿过程工艺指标设定软件平台。其功能模块包括系统管理、指标优化、信息管理、系统 维护等。系统通过工艺指标协调设定完成了将综精产量、综精品位、金属回收率等综合 生产指标到磨矿、竖炉焙烧和磁选过程的磨矿粒度、小时磨矿处理量、一次溢流回收率、 强精品位、弱精品位等工艺指标的转化，并满足了对选矿企业日常生产中对指标的录入、 查询、分析以及对方法数据库有效维护的要求。系统通过限定用户权限方式保证了系统 安全性。系统采用c s 结构，通过o r a c l e 客户端实现与数据库的信息共享，并通过o p c 通信实现工艺设定结果到生产过程优化控制系统的传送，从而实现对生产过程的优化控 制。 通过测试证明系统是可行的，对选矿生产有指导意义，并具有推广应用价值。 关键词：选矿过程：工艺指标：案例推理：神经网络：指标分解：协调 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o ft h es o f t w a r es y s t e m f o rs e t t i n gt e c h n i c a li n d i c e so fo r e d r e s s i n g p r o c e s s a b s t r a c t t h eb e n e f i t so ft h eo r e - d r e s s i n ge n t e r p r i s e sh a v ec l o s er e l a t i o n s h i pw i t hp r o d u c t i o ni n d i c e s t h et e c h n i c a li n d i c e so fo r e d r e s s i n ga r et h eb e l t sb e t w e e np r o d u c t i o ni n d i c e sa n dt h e p r o d u c t i o nc o n t r o l ，w h i c hh a v ee f f e c t so nt h ey i e l da n dt h et e n o ro f t h ef i n i s h e do r e s ，t h ei r o n r e c o v e r yr a t ea n do t h e ri n d i c e s ，s ot h et e c h n i c a li n d i c e sa f f e c tt h ee c o n o m i c a lb e n e f i t so ft h e e n t e r p r i s e a tp r e s e n t ，t h et e c h n i c a li n d i c e sa r ea s c e r t a i n e db ym a n p o w e r , t h i sd e p e n d so nt h e p e r s o n se x p e r i e n c ea n dl a c ko fv e r a c i t ya n dt i m e l yf e a t u r e t h e r e f o r e ，t h ev a l i ds e t t i n go ft h e t e c h n i c a li n d i c e sh a sm a g n i f i c e n ts i g n i f i c a n c eo nt h eo p t i m i z a t i o no fp r o d u c t i o na n dt h e i m p r o v e m e n to f t h eb e n e f i t sf o ro r e d r e s s i n ge n t e r p r i s e t h e b a c k g r o u n do f t h i sp a p e ri st h en a t i o n a lh i g h - t e c hr & d p r o g r a m ( 8 6 3 ) p o i n t i n gt o t h ep r o b l e mo ft h ep r o c e s sc o n t r o lo fo r e d r e s s i n gp r o d u c t i o n ，t h es o l u t i o ne a s ea n dt h e m e t h o do fs e t t i n gt e c h n i c a li n d i c e so f o r e d r e s s i n gp r o c e s s a r e p r o p o s e d w i t ht h e c o n s i d e r a t i o no ft h ep r o d u c t i o ns t a t u so fj i u g a n go r e d r e s s i n gp l a n t t h em e t h o d so fs e t t i n g t e c h n i c a li n d i c e so fo r e d r e s s i n gp r o c e s si n c l u d e s ：c a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) m e t h o dt os e t t h et e c h n i c a li n d i c e so fm a g n e t i cd r e s s i n g ，t h ei n t e g r a t e dm e t h o do fc b ra n dn e u r a l n e t w o r k ( n n ) t os e tt h et e c h n i c a li n d i c e so fm i l l i n gp r o c e s sf o rp o w d e r yo r ea n dt h et e c h n i c a l i n d i c e so fs h a f tf u r n a c ea n dm i l l i n gp r o c e s sf o rb l o c ko r e t h em e t h o d so fa b o v ea r ev a l i d a t e d b ye x p e r i m e n t c o m b i n gt h em e t h o d so fs e t t i n gt e c h n i c a li n d i c e s ，t h es o f t w a r eo fs e t t i n gt e c h n i c a li n d i c e s o fo r e d r e s s i n gp r o c e s si s d e s i g n e da n dd e v e l o p e db yt h em o d u l em e t h o d t h es o f t w a r e p l a t f o r m i n c l u d e s s y s t e mm a n a g e m e n t ，i n d i c e so p t i m i z a t i o n ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ， s y s t e mm a i n t e n a n c ea n do t h e rf u n c t i o n a lm o d u l e s t h es y s t e mc o m p l e t e st h et r a n s f o r m a t i o n f r o mt h ey i e l da n dt h et e n o ro ft h ef i n i s h e do r e s ，t h ei r o nr e c o v e r yr a t ea n do t h e ri n t e g r a t e d i n d i c e st ot h em i l l i n gg r a n u l a r i t y , t h em i l l i n gt h r o u g h p u t ，t h ef l o wr e c o v e r yr a t e ，t h et e n o ro f s t r o n ga n dw e a kf i n i s h e do r e sf o rt h em i l l i n gp r o c e s s ，f u r n a c es h a f tp r o c e s sa n dt h em a g n e t i c d r e s s i n gp r o c e s s t h es y s t e ma l s om e e t st h er e q u i r e m e n t so fi n p u t t i n g ，q u e r ya n da n a l y z e sf o r i n d i c e si nd a i l yp r o d u c t i o na n dt h er e q u i r e m e n to ft h em a i n t e n a n c eo ft h ed a t a b a s ef o rt h e m e t h o d s t h es a f e t yi sa s s u r e db yl i m i tt h eu s e r sp r i v i l e g e t h es y s t e mp l a t f o r mm a k e st h e i i l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c i i e n “s e r v e r f c s 1a si t ss y s t e m a t i cs t r u c t u r e t h ei n f o r m a t i o ns h a r eb e t w e e nt h es y s t e ma n d i t sd a t a b a s ei sr e a l i z e db y0 r a c l ec l i e n t f u r t h e r m o r e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es y s t e m a n dt h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fp r o d u c t i o np r o c e s si sr e a l i z e db yt h em e t h o do fo p c t h u s t h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o lo fo r e - d r e s s i n gp r o c e s si sr e a l i z e d t h er e s u l t so ft h es y s t e m st e s tv a l i d a t ei t sa v a i l a b i l i t y i th a si n s t r u c t i n gs e n s ef o rt h e p r o d u c t i o no fo r e d r e s s i n ga n ds h o w sa ni n s p i r i n gp r o s p e c ti nu s e k e y w o r d s ：o r e - d r e s s i n gp r o c e s s ；t e c h n i c a li n d i c e s ；c a s e b a s e dr e a s o n i n g ；n e u r a l n e t w o r k i n d i c e sd e c o m p o s i t i o n ；c o o r d i n a t e i v 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 流程工业优化控制现状 ( 1 ) 流程工、l p 简介 根据生产的组织方式和技术，可以把企业的生产类型分为两类：离散的加工装配型 ( 离散工业) 和连续流程式生产( 流程工业) 。流程工业是指原料连续不断地通过生产 装置，进行规定的化学反应和物理变化过程，最终得到满意的产成品。流程工业包括石 油、电力、冶金、化工、造纸、医药、食品、橡胶等行业。流程工业过程具有以下主要 特征： ( a ) 原料处理量大，生产过程连续，不可间断； ( b ) 产品品种相对稳定，工艺流程基本不变，但工艺参数多变； ( c ) 生产控制实时性要求高，因而普遍采用了集散控制系统( d c s ) ； ( d ) 生产装置安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行是企业实现低成本、高利润的 关键f 4 。 流程工业包括两类：连续型工业和半连续型工业。连续型工业的工艺过程连续不断； 工艺过程的加工顺序固定不变，生产设施按照工艺流程布置；物料按照固定的工艺流程， 连续不断地通过一系列设备和装置被加工成产品。连续型工业，包括石油、化工、水处 理及能源等工业部门5 1 。半连续型工业不同之处是它经常从生产一种产品转移到生产另 种产品，这类工业典型地表现在特殊的化工过程、造纸机械和轧钢机等。流程型企业 生产过程具有连续性、产品品种稳定、生产量大等特性，其产品常常不是以新取胜，而 足以质量和价格取胜，因此过程控制技术而非产品设计是流程型企业经济上成功的关 键。 ( 2 ) 流程工业综合自动化系统 顺应生产力的发展需要，8 0 年代前期，提出了计算机集成制造( c m ) 的概念。计 算机集成制造系统简称c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ，首先是在机械制造 行业自动化中提出的，目前c i m s 的含义已经扩展，m a n u f a c t u r i n g 本身的含义就是广义 的加工制造。c i m s 的含义是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有关生产技 术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在 内的管理和控制全部生产活动的综合自动化系统，从而提高企业经济效益和企业竞争能 力的目的”。综合自动化系统又称现代集成制造系统，其中“现代”的意思是信息化、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 智能化和计算机化f 4 ”，“集成”包含信息集成、功能集成。综合自动化系统是一种集控 制、管理、决策为体的全局自动化模式。 经过2 0 多年的发展，针对离散工业的c 1 m s 理论研究和工程实践都取得了较大的 成果。它的潜在应用价值被越来越多的人们所认识，人们正努力把c i m s 的研究和应用 推广到流程工业形成流程工业自动化系统c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ) 。 由于流程工业与离散工业有着截然不同的生产方式，导致流程工业综合自动化系统理论 体系框架的内容、建模方法、集成技术及其系统实施方法在许多方面有其自身特点。c i p s 把一个生产过程或一个企业全局看成信息获取、处理和加工的过程，从而可以利用计算 机进行优化管理与控制，达到企业竞争的总目标。实现c i p s 首先着眼于信息集成，使 各级人员能及时取得所需的各种信息，在正确的时刻把正确的信息以正确的方式送给正 确的人，及时地做出正确的决策。 流程c i m s 与离散c i m s 存在着一定的区别，其特点表现为： ( a ) 流程c i m s 中，过程控制系统对生产过程有效地监控和控制，使生产过程处于最 佳状态，从而降低物耗能耗，提高产品收率和产品质量，提高装置设备的使用寿命。过 程控制在流程c i m s 中占有特殊重要的地位； ( b ) 流程c i m s 的过程控制系统以集散控制系统( d c s ) 为基础，d c s 不仅可取代常 规仪表进行更精确稳定的全过程自动控制，而且通过良好的过程数学模型，可以实现系 统的优化控制；并能进行生产过程信息采集、传递与处理，实现生产过程与管理决策的 高度集成； ( c ) 流程型企业的装置设备启、停过程复杂，除大、中修外，一般不中断生产过程， 因此，流程c i m s 对原料及外部条件的随机变化，具有良好的抗干扰能力和鲁棒性； ( d ) 由于流程型企业要保证生产安全、稳定、长周期和满负荷运行，因而，与以 m r p e r p 为中心的离散c i m s 不同，在流程c i m s 中，企业的生产计划调度系统是c i m s 中的m i s 指挥中，t l , ，计划凋度系统协调从原料进厂、能源供应、生产到产成品出厂等各 个工序环节，保证生产过程连续不问断，以达到降低生产成本，提高效益的目的； ( e ) 由于在流程生产过程中，产品工艺与装备是一个整体，不可能频繁变动，因而在 流程c i m s 中，针对现代企业的敏捷性要求，建立企业优化产品结构模型，提供灵活性 的动态管理，根据产品市场的销售与价格，以及原料市场的质量与价格情况，及时调整 产品结构，动态调整生产流程，以达到历史与成本的最优化。 针对流程工业企业的特点，紧密结合企业功能结构和需求，提出了流程工业c i m s 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的三层模式 ，构成从上到下的企业资源规划( e r p ) 层、生产制造执行系统( m e s ) 层 和过程控制( f c s ) 层的综合自动化系统的整体解决方案。 企业资源规划( e r p ) 层，主要是突出e r p 管理平台的建设，应用e r p 的理念、 方法和技术，建立以规范业务流程为基础，以财务为核心，一体化经营的管理平台。主 要内容包括财务、物资、销售、工厂维护、库存、人力资源及绩效指标考核等功能模块 软件，实现经营管理与规划的服务功能。 生产制造执行系统( m e s ) 层，突出管、控一体化的平台，用计算机信息集成技术， 实现实时网络和管理网络、实时数据库和关系数据库的有效集成，建立信息集成和功能 集成的管、控一体化平台，建设数据校正、物料平衡、能量平衡、计划优化、调度优化、 流程模拟、质量管理信息系统等功能模块软件，可以为上层e r p 系统提供实时、可靠、 准确的经营和成本信息。 过程控制( p c s ) 层，以d c s p l c f c s 等开放式控制系统为基础，采用先进控制、 软测量及工艺计算等技术软件，利用先进的实施网络，实时数据库的信息集成技术，建 立实时数据采集与监控系统，灌区自动化系统、先进控制与优化系统、班组级成本考核 系统等，全面提升流程工艺企业的工艺管理和装置控制水平。 ( 3 ) 流程工、i pc i m s 在生产中应用 流程工、世的发展取决于多种因素，而工业自动化水平是一个十分重要的方面，即企 、k 综合自动化水平的高低。当前国际上流程工业综合自动化技术发展迅速，国内外许多 传统的自动化仪器仪表公司正在逐步向综合自动化整体解决方案供应商转化，针对流程 工业企业的信息化建设所需求的功能结构与要求，推出一系列经营决策、生产优化与管 理和先进控制等应用软件和系统产品 3 】。德国d u i s b u r g 的蒂森克虏伯钢厂的薄板坯连铸 连轧厂设计并实施了西门子的m e s 系统，提高了产量并缩短了产品的交货周期，实现 了处理大量客户订单以及复杂计划约束条件的弹性生产，通过降低生产事故和物料损 失，提高了设备的连续生产能力，先进的库存管理系统降低了流动资金的占用和物流成 本，完整的数据存储和分析工具，使工厂人员能够更好地了解生产过程并对其进行改良 j 。我国在宝钢的2 0 3 0 m m 的冷轧钢厂、2 0 5 0 m m 的热轧钢厂、轧板厂和梅山钢铁公司 炼钢厂也应用了西门子的产品】。 我国在引进和吸收国外先进控制产品和技术的同时，很注重自主开发产品的应用。 于1 9 8 6 年在8 6 3 高科技计划中设立8 6 3 c i m s 主题，研发了流程工业c i m s 相关技术及 产品，在福建炼油厂、辽宁阜新排山楼金矿、沧州化工厂等多家企业建成了c i m s 示范 一3 一 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 工程，取得显著效益f 4 ”。东大自动化和排山楼金矿合作开发的排山楼金矿综合自动化系 统成为我国目前自动化水平最高的黄金矿山。从1 9 9 7 年7 月正式投入运行以来，系统 运行稳定可靠，各项工艺指标达到设计要求，黄金回收率提高了l 以上，生产能力由 1 2 0 0 t r 提高到2 0 0 0 t r ，同时生产成本也降低了。系统的应用大幅度减少了人员编制， 改善了操作工人的劳动条件，人均劳动生产率7 5 万元，是同类企业平均水平的1 7 倍， 成为我幽高新技术改造传统产业的成功典范【i “。浙大中控推出了一套适用于流程工业企 、i p 的综合信息集成软件平台，包括e s p i s y s 实时数据库与过程监控平台和e s p p l a n t j e t 综合集成软件平台，并把整个系统自下而上划分为工厂数据模型、支撑环境、业务处理 和人机接口四个层次。e s p p l a n t j e t 综合集成软件平台能够将企业的所有应用进行集成， 构成一个统一的整体，既可以集成应用以质量监控、优化调度、计划排产等为代表的单 元应用软件产品，也可以通过标准的接口，集成企业现有的各种应用系统。通过标准和 友好的界面，用户可以方便地控制和维护各种应用系统的组态信息和数据。同时 e s p - p l a n t 也能够通过方便的数据交换格式为e r p 系统提供及时准确的数据与信息。在 岳阳石油化工总厂合成橡胶厂和山西天脊煤化工集团公司进行实际应用【”。 流程工业综合自动化的研究应用已得到我国科研部门和企业重视。但总体而言，我 国在流程工n k 综合自动化技术系统的研究与产业化过程中同国外先进技术相比还存在 很大的差距，主要体现在技术深度上不够、应用基础研究不够、相关领域技术借用不够、 系统化程度不够、集成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等方面【4 ”。 ( 4 ) 先进控制和优化控制 近年来，随着数字化、智能化、开放化的新型控制系统在流程工业各单元装置控制 和生产过程控制的广泛应用，单元控制和过程控制自动化已经不再是企业提高生产效率 和经济效益的关键。流程工业企业正从单个装置的先进控制与优化发展到多个装置甚至 全厂的区域或整体优化，从向生产过程要效益发展到向全厂资源整体优化要效益【7 1 。 目前，许多企业配备了先进的分散型控制系统( d c s ) ，其中相当一部分d c s 仅仅 取代了常规仪表，要充分发挥d c s 管理集中，控制分散、可靠性高的优势，进而解决 被控对象大时延、强耦合的难题，实现质量闭环控制和卡边操作的目的，单纯靠d c s 本身提供的常规控制功能很难做到，需要借助先进控制和优化控制技术。在基础自动化 水平上开发先进控制和优化策略，在各个层次上实现优化，推进企业管理层信息集成系 统，将生产过程的一个个自动化孤岛通过综合集成网络平台连为整体，进而实现全厂综 合自动化系统，已成为当f | 流程工业自动化和计算机应用的标准发展模式扪。 一d 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 过程工业自动化控制技术已发展到d c s 基础上实施三个层次的控制“，如图1 i 。 优化系统 1 r+ 先进控制系统 ( 先进控制：约束控制、多变最控制、质量控制) + 过程控制 ( d c s ) 1 r+ 生产过程 图1 1 系统结构图 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f t h es y s t e m 第一层基础调节d c s ，主要完成过程控制功能，执行p i d 算法等常规调节控制，基 本上是单回路的控制流程，直接调节工艺过程参数；第二层是先进控制，目的是协调过 程变量交互作用，使生产过程操作更接近于操作目标或约束，实现经济上的最佳控制目 标。先进控制通过改变常规调节控制的给定值来发挥其控制作用，以达到最佳单元操作； 第三层优化系统，它综合分析影响效益的各种因素，把工艺过程的经济效益与装置操作 直接连接起来，确定过程的最佳控制点，使装置处于最佳运行状态，从而产生最好的经 济效益。 兰州石化公司重油催化裂化装置引进美国h o n e y w e l l 公司p m p c t 多变量先进 控制技术，年经济效益为9 8 4 万元以上。齐鲁石化胜利炼油厂催化裂化装置采用美国 a s p e n 公司d m c p l u s 动态矩阵多变量预估控制，年经济效益在1 2 3 6 万元以上、在过 程工业装置上的d c s ，只有再配置先进控制与优化软件，才能充分发挥计算机的强大计 算和智能功能。d c s 、先进控制、优化控制三者之间关系大致为：投资的7 0 用于购买 d c s ，换回来的经济效益为1 5 ，再增加3 0 的投资，得到的经济效益为8 5 ，其中 先进控制的贡献是3 5 ，在线优化的贡献为4 0 。先进控制的投入产出己被公认，一 般投资回报率为1 0 1 。可见先进控制和优化控制资金投入少又能够为企业带来巨大经济 效益，而实际中应用确不多，关键问题是在线使用周期短，投用率低的问题h 3 1 。 近些年来，我国在引进、消化和吸收进口d c s 产品及技术的基础上，d c s 系统研 发和生产发展很快，形成一批优秀企业，如北京和利时、上海新华、浙大中控、航天测 控公司，电科院以及北京康拓集团等【6 】。开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件 平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有一定突破， 5 东北大学硕士学位论吏第一章绪论 不仅品种数量大幅度增加，而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。以浙大中 控推出的全系列先进控制软件a p c a d c o n 为代表，涉及到多变量预测控制、预测函数 控制、软测量、模型辨识、物料平衡、数据校诈等方面，能够根据客户和线程的情况进 行单独和集成使用【3 1 。这些产品通过在化工、石化、造纸等行业的数百个企业中应用， 促进了企业的技术改造，提高了生产过程控制水平和产品质量。2 0 0 0 年，“大型骨干石 化生产系统控制及计算机应用技术”通过了国家验收。先进控制和优化控制成为工业控 制发展的方向。 1 2 选矿工业优化控制现状 1 2 1 选矿自动化技术现状 人类的发展离不开金属，金属通常存在于岩石圈罩。当岩石中某一成分或某些成分 的含量，以目前的生产技术在经济上可提取利用时，该项岩石便称为矿石。从地下开采 出来的原矿般由有用矿物和其它无利用价值的脉石组成大多数金属在矿石中的含量 比较低，往往与大量的脉石杂质共生在一起，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。 选矿就是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矿。抛弃的无价产品称为尾 矿。选矿是介于采矿和矿物资源利用之间的一个重要工业生产过程，它向有关工业提供 富集了有用矿物的原料“。 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，其中每个环节都是一个极为复杂的工业过程。实现选矿生产过程的 稳定高效，提高产品的质量等指标，从而获得最佳效益，一直是人们努力探索的问题。 选矿自动化技术是本世纪五十年代开始逐步发展起来的。从最初工艺流程中一些变 量参数的检测，到在局部单元采用模拟仪表控制，继而发展到计算机控制，现在已经开 始应用汁算机进行优化控制。 检测技术：过程参数检测是选矿自动化的基础，通过先进的检测技术可以更深入 地了解选矿这个复杂过程的状态信息。检测方法包括在线分析仪器、图像分析处理技术 等方法，其共同特点是从过程可测直接信号( 视频、音频等) 提取深层次信息，数据 处理由软件实现，其硬件组成简单，因此具有很大的应用潜力。作为对检测设备的有效 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 补充，软测量技术受到重视。检测技术的进步极大地促进了选矿自动化技术的普及和提 高，对于改进选矿工艺，提高选矿效率起到重要的作用。 ( b ) 选矿建模与仿真：选矿数学模型的研究对于促进选矿工艺的发展，选矿流程的设 汁，探寻生产优化条件，以及应用自动控制都具有非常重要的作用，因此长期受到关注。 选矿数学模型的研究始于五、六十年代。由于选矿过程综合了物理、化学变化的复杂过 程，影响因素很多，难以精确表达，许多模型依赖于各种经验常数，需要反复试验校正， 即使模型比较准确，但过于复杂、缺乏通用性。因此实际应用的很少。随着智能技术的 不断发展，人们开始利用智能方法辅助建模，取得较好的效果。 ( c ) 过程控制：随着控制理论的发展，选矿过程控制的研究由传统经典控制延伸到智 能控制领域。 p i d 控制：在先进控制方法不断出现的今天，p i d 依然是应用最广泛的控制方法， 选矿过程控制中近9 5 以上的回路是由p i d 控制组成的。原因在于p i d 控制结构简单， 对硬件要求低，具有很强的鲁棒性，最重要的是p i d 控制器参数整定方便，易于被现场 人员接受，不断出现的新的参数整定技术使p i d 控制继续成为选矿过程控制中的重要组 成部分。 多变量控制：在选矿过程中，许多设备的变量用独立控制器控制到相应于最佳运行 的值是困难的，因为这些变量相互影响、干扰。因此采用多变量解耦控制技术来消除过 程的相互作用。 优化控制：根据操作的频繁程度和过程的特性，可以将优化控制分为基于动态模型 的最优控制和基于稳态模型的操作优化。最优控制以提高被控变量的动态控制精度，采 用膏边生产的方法来获得经济效益，实际应用中通过对非线性模型线性化得到状态空间 模型。在线操作优化( 也称稳态优化) ，通过在线寻求过程的操作条件最优，使生产过 程处于最优工况附近，从而获取经济效益。 智能控制：智能控制的最大优点是不依赖于过程的数学模型，而是基于对过程特性 的知识，因此在选矿过程控制中愈来愈受到重视，智能控制的各个分支均获得成功应用。 神经网络和案例推理方法是智能优化方法中的两种有力工具。实际应用表明这两种方法 具有很好的适应性和鲁棒性1 0 , 3 8 1 。很多学者对神经网络方法进行研究，相关理论不断丰 富，其应用已经渗透到多个领域，在计算机视觉、模式识别、智能控制、非线性优化、 信号处理、经济和机器人等方面都有进展。案例推理方法利用过去解决问题的经验来 指导人们解决新问题，它是解决未完全形式化领域( 弱理论领域) 、信息不完全领域、 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 经验知识r 宁主导地位领域中的问题的一干十有效方法2 ”。案例推理方法在成本预测、管理 决策、设备故障、医疗诊断和工程设计等领域都有良好的应用2 3 1 。 智能优化方法摆脱了建立数学模型的束缚，是一个信息处理和决策的系统，为解决 工业牛产过程优化问题提供了一条新思路。各种智能方法蓬勃发展，以多智能方法结合 起柬的系统克服实际中的缺陷和不足，是当今智能系统的发展趋势。近年来，国内外学 者证实际应用中提出了神经网络和案例推理结合的方法。如基于神经元网络的案例检索 和案例维护【2 “。在案例检索阶段应用神经网络来实现在大型数据库中案例的检索。这样 就不需要定义案例属性之间的相似度，从而提高了检索速度。应用神经网络进行案例维 护，使案例检索和案例维护以案例库作为联系纽带，实现了案例库的增、删维护j 8 , 2 0 , 3 3 1 。 ( d ) 综合自动化系统：计算机技术的发展和应用不仅推动了检测技术、过程建模、 过程控制的发展，而且使得过程自动化的概念发生了很大变化。以高性能计算机、快速 网络和，i ：放数据库为核心的综合信息处理体系，深化了信息的综合利用。从过程监控、 质量管理、事务管理等方面直接推动选矿工业朝着良好的经济效益和运营模式上发展。 随着流程工业自动化技术和计算机技术的发展，将建立过程各单元控制系统的网连 和协调策略，打破传统的仪表控制的孤岛隔阂、实现全厂范围控制，建立选矿厂计算机 集成制造系统( c i m s ) ，实现选矿过程的优化与高层管理目标的紧密连接。 9 1 年澳大利亚西部的p a d d y sf l a t 金矿的磨矿回路应用了由d o m i n i o mm i n i n g 有限 公司与c r t i n 大学的b r o d i e h a l l 中心合作设计的一套分布式计算机控制系统，它支持模 块化的分层结构。系统功能按纵向分为过程界面、单变量控制、单元控制、生产环节控 制、分公司控制、整个公司控制6 层，具有生产过程和经营决策管理功能，但层次较多， 不利于信息的及时反馈和管理。 文 1 6 】提出了基于企业资源计划( e r p ) 制造执行系统( m e s ) 过程控制系统( p c s ) 三层结构的选矿企业综合自动化系统，克服了普渡企业参考体系结构层次多、结构复杂、 成奉高等不足，实现了生产的扁平化管理，在实践中取得了显著成效。 以l 从检测技术、选矿建模与仿真、过程控制三个方面介绍了选矿自动化技术。应 用先进的控制技术和优化技术，数字化、智能化的综合自动化系统将成为选矿过程自动 化的发展方向。 1 2 2 选矿过程优化控制研究和应用现状 社会的进步，要求企业要不断改进发展。选矿企业在生产稳定、安全运行的前提下， 提出了降低成本、改善技术指标、提高经济效益的更高目标。 一8 一 第一章绪论 经验知识占主导地位领域中的问题的一种有效乃法2 “。案例推理方法在成木预测、管理 次策、设备故障、医疗诊断和工程设计等领域都有良好的应用。 智能优化方法摆脱了建立数学模型的束缚，是一个信息处理和决策的系统，为解决 t _ q k 牛产过稗优化问题提供了一条新思路。各种智能方法蓬勃发展，以多智能方法结台 起来的系统克服实际中的缺陷和不足，是当今智能系统的发展趋势。近年来，崮内外学 者赴实l 自i 应用中提出了神经网络和案例推理结台的方法。如基于神经元网络的案例检索 和案例维护o ”1 。在案例检索阶段应用神经网络来实现在大型数据库中案例的检索。这样 就不需要定义案例属性之间的相似度，从而提高了检索速度。应用神经网络进行案例维 护，使案例检索利案例维护以案例库作为联系纽带，实现了案例库的增、删维护吣2 0 ，。 r d l 综合自动化系统：计算机技术的发展和应用不仅推动了检测技术、过程建模、 过稗控制的发展，而且使得过程自动化的概念发生了很大变化。以高性能计算机、快速 网络和开放数据库为核心的综合信息处理体系，深化了信息的综合利用。从过程监控、 质黾管理、事务管理等方面直接推动选矿工业朝着良好的经济效益和运营模式上发展。 随着流程工业自动化技术和计算机技术的发展，将建立过程各单元控制系统的网连 和协调策略，打破传统的仪表控制的孤岛隔阂、实现全厂范围控制，建立选矿厂计算机 集成制造系统( c i m s ) ，实现选矿过程的优化与高层管理目标的紧密连接。 9 1 年澳大利亚西部的p a d d y sf l a t 余矿的磨矿回路应_ 日j 了由d o m i n i o mm i n i n g 有限 公_ - 与c r t i n 大学的b r o d i e h a l l 中心合作设计的一套分布式计算机控制系统，它支持模 块化的分层结构，系统功能按纵向分为过程界而、单变量控制、单元控制、生产环节控 制、分公司控制、整个公司控制6 层，具有生产过程和经营决策管理功能，但层次较多， 不利丁信息的及时反馈和管理。 文【1 6 提出了基于企业资源计划( e r p ) 制造执行系统( m e s ) 过程控制系统( p c s ) = 层结构的选矿企业综合自动化系统，克服了普渡企业参考体系结构层次多、结构复杂、 成本高等不足，实现了生产的扁平化管理，在实践中取得了显著成效。 以r 从检测技术、选矿建模与仿真、过程控制三个方向介缁r 选矿自动化技术。应 用先进的控制技术和优化技术，数字化、智能化的综合自动化系统将成为选矿过程自动 化的发展方呵。 1 2 2 选矿过程优化控制研究和应用现状 社会的进步，要求企业要小断改进发展。选矿企业在生产稳定、安全运行的前提下， 提h 了降低成本、改善技术指标、提高经济效益的更高目标。 提出了降低成本、改善技术指标、提高经济效益的更高目标。 r 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 1 困外选矿过程优化控制现状 选矿过程的优化控制是提高企业综合效益的关键。随着计算机技术、控制理论以及 检测技术的发展，处于矿业过程控制研究与应用前沿的南非、芬兰、澳大利亚和加拿大 等因家，在选矿厂巾应用各种先进的控制策略，包括过程的稳定控制、优化控制、监督 控制以及它们的结合算法。美国c o p p e r t o n 铜选矿厂是1 9 9 8 年投产的高度自动化的大型 选厂，采用两级集散控制系统，过程级的状态控制系统实现分析控制，即可直接实现计 算机控制，也可以接收监控级计算机的设定值，由监控级计算机直接控制。澳大利亚芒 特艾萨选矿厂是最早实现自动化的选矿厂，它成功提高了矿石处理能力，控制了尾矿 品位，使浮选作业的目标值达到最佳。2 0 世纪8 0 年代末俄罗斯的克罩沃罗格氧化矿采 选公司选矿厂采用了德国西门子设计的分布式智能控制系统。在此系统中，使用了 l a n - s i n e c h h l 总线，形成全厂的控制网络，进行几种管理和控制。自动化控制系统 在选矿企业的应用越来越多，差不多每个新建或改造过的选厂都装备有计算机控制系 统。 由于选矿过程的复杂性，往往很难建立精确的数学模型，特别是对于矿石可选性预 测、选矿厂设计、生产经营和管理决策等领域，除借助数学模型，许多学者把注意力集 中到人工智能的应用上，专家系统( e s ) 和人工神经网络( a n n ) 等智能技术相继被 引入选矿领域并蓬勃发展起来。自1 9 7 9 年矿业领域第一个专家系统p r o s p e c t o r 开发成 功后，专家系统已逐步应用到矿体识别、矿石开采、破碎、磨矿、分选及冶金等诸多方 面。涉及问题有：故障分析及诊断、流程结构设计、实时控制、过程模拟和评估等。神 经网路在矿业工程中的应用是从九十年代开始的。主要应用于水利漩流器、磨机回路、 浮选回路等几个方面，应用还不够全面和深入，由于神经网络的鲁棒性、强适应性、可 处理含噪信息等特点，将在选矿领域得到更加广泛的应用嗍。目前，国外一些自动化厂 家开始推出基于专家系统、模糊控制理论等优化技术的选矿软件产品，如贝克工艺技术 公司承建的k n o w l e d g es c a p e 系统集团公司的专家系统安装在澳大利亚的新克雷斯特加 迪亚铜会矿过程中，浚系统与d c s 相连，用于控制磨矿回路等。各种智能优化方法在 选矿中得到广泛应用，并取得显著效果，随着应用的不断深入将走向联合，集成人工智 能技术成为解决选矿领域问题的有效方法。 在选矿过程各工序应用先进的控制技术收效很大，但不能达到整个选厂全面优化所 能发挥的预期潜力。只有在具有可行性计算机硬件、控制仪表和相应软件的基础上，使 选厂采用先进的控制策略实现全面控制成为可能。 一o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 卢基公司是欧洲最大的铁矿石生产企业，且在先进控制技术的应用方面也处于领先 地位。卢基公司基律纳铁矿选厂f 5 7 控制系统是一套接近全过程控制目标的系统。全过程 控制的最大障碍是必须控制大量的变量。为克服这一障碍，可将最先进的控制技术创造 性地组合起来，实现全工厂的协调监控。其基本宗旨是使全厂的关键变量得到协同控制， 以达到单一系统指标，如此获得的总体效益高于工厂各道工序变量独立控制以达到子系 统目标所获得的总体效益。在此系统中，按照专家系统中的规则修改调整点。控制策略 采用试探规则、神经网络规则和模型规则。试探规则是一些经验规则，用于紧急状况的 控制或其它需要协同但不需要优化的控制。神经网络规则包括一种模式识别方法，用于 对那些不太了解从而不能做出精确的模型预测的子系统做出定量决策。模型规则用于那 些对其物理和化学性质十分了解的子系统，如磨矿、浮选、团矿和团结流程。知识库全 过程控制系统中的过程识别程序使各种规则适用于选厂当前的条件。通过定量识别像矿 石硬度和选别难易程度这样的参数的变化来实现。 处理过程的全面优化控制是长期以来追求的目标。全世界都在讨论全过程优化控制 的可能性。迄今，未曾报道过完善的全过程优化控制系统。 ( 2 ) 我国选矿过程优化控制现状 国内对选矿厂自动控制的研究开始于2 0 世纪5 0 年代术6 0 年代初，到7 0 年代有些 选矿厂针对磨矿分级回路上了某些自动控制项目，主要是对磨机给矿、分级溢流浓度等 实施单系数、单回路控制。8 0 年代将计算机技术应用到选矿厂