（电工理论与新技术专业论文）钽铌矿棒磨流程生产监控研究.pdf

中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t u s i n gt h er a p i d l yd e v e l o p e dc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g yf o r m i n et o d e s i g na d v a n c e da u t o m a t i cs u p e r v i s i n gc o n t r o ls y s t e mh a s s i g n i f i c a n tm e a n i n g t o i m p r o v e t h e d e v e l o p i n g l e v e lo f m i n i n g i n f o r m a t i o n i z a t i o n t h ea i mo ft h i sp a p e ri st oi m p r o v ea u t o m a t i o nl e v e lo fm i n e r a l p r o c e s s i n go ft a n t a l u m & n i o b i u mm i n e s oa st oa d a p tt or e q u i r e m e n t so f a d v a n c e da u t o m a t i o nc o n t r o la n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t f i r s t l y ，i n v i e wo ft h ep r o b l e mo fs h o r to io v e rf e e d i n ge x i s t i n gi nt h ep r o c e s so f g r i n d i n g , t h r o u g hs t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg r i n d i n gp r o c e s sa n d t h em e t h o do fi n t e l l i g e n to p t i m a ld e c i s i o n ，a no p t i m a ld e c i s i o nm e t h o do f m i l lf e e d i n gb a s e do nt sf u z z ym o d e li sp u tf o r w a r d s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a tt h em i l lf e e d i n gw i l la c h i e v eo p t i m i z a t i o nb yu s eo ft h i s m e t h o d s e c o n d l y ，i no r d e rt oa c h i e v eo p t i m a lc o n t r o lo ft h e 鲥n d f e e d i n g ，g p ca l g o r i t h mi ss t u d i e da n dp r o p o s e dt ou s et ot h eg r i n d i n g p r o c e s sc o n t r o l ，t h e f e e d s t o c kf l u xi s a d j u s t e db yi m p e l l e rf e e d i n g m a c h i n ea n df r e q u e n c yc h a n g e r , s i m u l a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e st h e f e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m t h i r d l y ，i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i ct h a t e v e r ym e a s u r i n gs p o ti sd i s p e r s i v e ，b ya n a l y z i n gf c st e c h n i q u e ，a n o p t i m a lc o n t r o ls c h e m eb a s e do i lm o d b u sf c si sp u tf o r w a r d a n dt h e f r a m e w o r ko f t h r e el a y e rn e t w o r k - - - t h ee q u i p m e n tl a y e r , t h ec o n t r o ll a y e r a n dt h em a n a g e m e n tl a y e ri s g i v e n l a s t l y ，b a s e do nk i n g v i e w6 5 s o f t w a r e ，m o n i t o r i n g s o f t w a r ei n h o s t - c o m p u t e ri sc o m p i l e d ，a n dt h e c o n n e c t i o no fh o s tc o m p u t e ra n dp l ci sr e a l i z e d t h u sp r o d u c t i o n s u p e r v i s o r ys y s t e mo fg r i n d i n gp r o c e s so ft a n t a l u m & n i o b i u mm i n e i n t e g r a t e dw i t hc o n t r o l ，p r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n ti sb u i l t k e y w o r d s ：a u t o m a t i o no fm i n e r a lp r o c e s s i n g ，o p t i m a ld e c i s i o n ，g p c ， k i n g v i e w 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特另, j j n 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：盈翌：j ：日期：j 塑吐年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：塑墨：导师签名塑日期：幽年上月旦日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目背景 第一章绪论 我国矿业信息化的目标是：充分利用现代信息技术，开发利用矿业信息资源， 优化矿业活动全过程，用信息化改造我国传统矿业，提升我国矿业的管理水平和 技术水平，提高我国矿山企业的竞争能力，实现我国矿山的现代化【”。在这个目 标的指导下，江谣省“十五”发展计划纲要中对其境内的各个有色金属矿山 提出了矿山信息化建设的要求。其中还专门提出关于“扩建宜春钽铌矿”的指示 精神；“走科技兴矿之路，认真规划，不断提高矿山采选生产能力，提高产品技 术含量。并力图通过资产重组，境内上市，积极参与资本运作，推进现代企业管 理制度，发展规模经济”1 2 1 。 江西宜春钽铌矿是全国最大的钽铌原生矿，储量在全国乃至世界占举足轻重 的地位。钽是金属工业中的贵族，硬度位居所有金属的第三位，有很强的伸展性 而膨胀系数却很小，还具有极强的抗腐蚀性。它是制造高级电容器的最佳材料， 全球6 0 以上的钽用来制造电容器。钽的寿命又比不锈钢长数十倍。在化工、机 械、精密仪器、电子、电气、超导、国防科技领域，都离不开耐热、耐腐蚀的钽。 同时钽铌也是“空间时代”的重要原料，钽的年消耗量达到1 5 0 0 吨，铌贝上万 吨i ) j 。但是，宜春钽铌矿钽铌的深加工力量薄弱，生产规模小，缺乏新产品的开 发与研究。2 0 0 3 年以来，根据信息化的要求，宜春钽铌矿更新采场钻机、铲装、 运输设备，引入采选矿自动化系统，从而降低成本，提高产品质量，拓宽产品市 场，使企业出现新的活力。 1 2 选矿自动化的发展与现状 在选矿生产过程中，用自动化仪表、自动化装置和计算机代替人工对选矿过 程的物料量、浓度、粒度、成分、流量、料位、药剂量、p h 值等参数按工艺要 求进行控制，称为选矿工艺过程自动控制，即选矿自动化。选矿自动化涉及选矿 工艺、自动控制、自动检测、数模、计算机等多个专业，是一个多学科的交叉【4 】。 现代化的选矿生产，由于原矿品位不断下降，生产规模越来越大，因此设备容量 随之不断增大，能耗不断增加，这就对操作提出了更严格的要求。为了保证选矿 生产过程的稳定，同时提高选矿产品质量和数量，提高有用矿物回收率，降低原 材料消耗和成本，并减轻操作人员劳动强度，对选矿工艺过程采用过程自动控制 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 就显得十分必要。由于自动化带来的经济效益愈来愈明显，它已成为选矿生产必 不可少的手段i s l 。近年来，随着自动控制技术、计算机技术、自动检测仪表、信 息处理技术的发展，选矿工艺过程的自动控制系统也不断地更新换代，同时针对 选矿工艺过程而展开的选矿自动化应用技术的研究，也从另一个侧面推动了自动 化技术的发展【6 】。 选矿自动化基本上是跟踪整个自动化技术的发展而发展的，只是有所滞后而 己。这是因为矿石性质的千差万别，选矿过程变化因素较多，工艺流程比较复杂 而造成的 7 - 1 0 1 。 在上世纪5 0 年代以前，选矿生产主要是实现了机械化，基本上足人工操作。 到了6 0 年代初，一批选矿过程工艺参数自动检测仪表的研制成功( 如：金属探测 器、矿浆浓度计、矿浆p h 计等) ，使选矿过程控制初步实现了破碎筛分过程的 集中控制和监视保护，以及磨矿分级过程给矿量、分级溢流浓度的自动调节。 到了上世纪7 0 年代，随着计算机被广泛地应用于工业控制，在选矿领域也开 始研究用计算机进行直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 d d c ) ，同时选矿过 程各种参数的自动检测仪表均已研制成功，基本齐全。7 0 年代末各种类型的计算 机集散控制系统被应用于选矿过程，使选矿自动化有了一个明显的进步。上世纪 8 0 年代后，由于电子计算机和电子器件进一步的发展以及现代控制理论的应用， 对选矿过程进行的在线或离线的试验研究也进展迅速，建立了一些破碎、磨矿分 级、浮选、重选和浓缩过程的数学模型，少数先进的选厂还进行了对选矿过程实 行最优控制的研究。 例如，前苏联兹良诺夫斯克选矿厂在8 0 年代中期就实现了全厂计算机集散 控制，控制给矿量、水量、药剂添加量，全厂采用重介质车间调度、磨选车间调 度、全厂总调度三级调度形式，实现了分散控制和集中管理。 智利的c o l o n 选矿厂，用t d c 3 0 0 0 集散系统对破碎、磨矿两个子站进行控制， 在1 9 8 6 年引进库里厄- - 3 0 0 品位分析仪和粒度仪，采用i b m a t 计算机与 t d c 3 0 0 0 系统联接，进行浮选的前馈控制。 加拿大高地谷铜矿l o m e x 选矿厂1 9 8 9 年开始采用n e t w o r k 9 0 计算机集散 系统，处理磨矿、浮选、电机、砂泵、浸出和干燥回路的所有数据。 在我国从8 0 年代初起计算机也开始用于选矿过程控制，进行了磨矿、浮选作 业计算机直接数字控制的推广和最优控制的研究。如北京矿冶研究院、中南工业 大学等单位用国产j s l o 小型机在磨矿分级过程中进行直接数字控制，取得了预 期效果；铜陵凤凰山选厂用紫金一l i 微型机开发了可成功用于一般工业过程控制 的通用微机过程控制系统，并应用于磨矿分级机组的自动控制。有些选厂还从国 外引进先进的计算机控制系统。如铜陵凤凰山选厂从芬兰引进p 2 0 2 0 0 计算机控 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 制系统；江西永平铜矿从美国引进计算机系统等。所有这些对选矿自动化的发展 都起到了促进作用。 另一方面，现代控制理论被进一步深入研究，用以解决过去经典控制理论不 能很好解决的选矿工艺过程的控制问题。例如：在磨矿分级过程中，应用现代控 制理论设计多变量控制器，解决多变量间的相互影响；用卡尔曼滤波器辨识矿石 硬度扰动，以便对矿石硬度扰动进行补偿，实现最优控制；按最小方差目标不断 修改系数，实现自校正控制，在生产过程各种变化影响的情况下，保持稳定控制， 取得比常规p i d 调节器控制更好的结果等。 自上世纪9 0 年代以来，随着智能控制理论的不断发展，选矿自动化的发展 也进入了一个新的领域。它的特点之一是计算机被更加普遍地用于新型单体设备 的控制，从检测仪表到过程控制和管理，都在用计算机进行操作和数据处理；特 点之二是各种类型的大规模集散系统更加广泛地被应用于各类选矿厂；特点之三 是先进的智能控制理论被实际应用于解决选矿工艺过程的控制问题。例如，在智 利的大中型选矿厂中，大多数破碎、磨矿过程进行了参数自适应控制和最优控制 的研究，现在还开展了专家系统在选矿过程中的应用研究。我国的苏震教授采用 模糊数学对入选矿石的离散度进行判别，提出了选矿最优控制可行性预估计方 法，确定其能否收到良好的经济效益。h a r r i s 和m e e c h 等人把模糊控制应用于二 次破碎厂仿真模型中。我国的田成方教授研制了自组织模糊控制器，用于破碎机 的负荷控制。德兴铜矿于1 9 9 8 年引进美国模块公司用g p s 定位的d i s p a t c h 系统，实现了露天采矿生产的计算机调度。提高了设备利用率和矿山生产管理水 平。在选矿自动化方面，德兴铜矿大山选矿厂引进了选矿自动化控制系统，以 w i n d o w sn t 为平台，采用了现场总线系统，并可通过i n t e m e t 实现生产过程监 控i l ”。这些都是先进的控制理论和方法在选矿工艺过程自动控制中的应用实例。 如上所述，选矿自动化技术的发展与整个自动化技术的发展有着相似的态 势。实现选矿工艺过程自动化是优化系统效果、提高系统经济效益、降低选矿成 本的重要途径。随着矿石性质变得越来越贫，越来越难选，使得处理流程也将越 来越复杂，特别是由于选矿过程对象特性都相当复杂，一般都具有大滞后、非线 性的特点，而且设备状况随时间变化而变化，所以怎样更多更好的将诸如专家系 统、模糊控制、人工神经元网络等先进的控制理论和控制方法用于对选矿工艺过 程的控制，必将继续成为选矿自动化发展的趋势。 1 3 预测控制的发展与现状 6 0 年代以来，以状态空间法为基础的现代控制理论在航空航天等领域取得了 巨大的成功，极大推动了自动控制理论的发展。利用状态空间法分析设计系统， 3 中南人学硕士学位论文第一章绪论 虽然可以提高人们对于被控对象的内在理解，但是这种理论是以精确数学模型为 基础，寻求最优性能指标的实现。而在实际的控制过程中人们发现被控对象往往 具有很大程度的不确定性( 非线性、时变、滞后等) 、高维复杂性( 多输入、多 输出、输入输出不相等) ，而且实际的控制还要求算法有很好的实时性、经济性， 现代控制理论难以适应生产实际对控制算法的要求。为了克服理论与应用闻的鸿 沟，7 0 年代以来，人们一方面加强了系统辨识、工业过程建模、自适应控制和鲁 棒控制等方面的研究，以期提高数学模型的精度和考虑不确定因素的影响；另一 方面开始突破传统控制方法的约束，以实际的工业被控对象为依托，研究发展各 种对模型要求低，控制综合质量好，在线计算方便的新型控制算法。另外，计算 机技术的快速发展，给新的控制策略的实现提供了很好的基础，预测控制就是在 这种情况下发展起来的，并显示出巨大的活力。 最早应用于工业过程的预测控制技术是由r i c h a l e t 和c u t l e r 等提出的，这种算 法来自于生产实践，最大程度地结合了工业实际的要求，控制综合性能好，引起 了工程控制界和学术界的广泛兴趣和关注。它的主要特征是以预测模型为基础， 采用二次在线滚动优化目标函数和反馈校正机制，有效克服被控对象建模误差， 对象时变、外界干扰等不确定因素的影响，并获得很成功的应用。 预测控制基本的算法包括m a c ( 模型算法控制) 、d m c ( 动态矩阵控制) 、 g p c ( 基于参数模型的广义预测控制) 、i m c ( 内部模型控制) 算法，近年来大 量学者在此基础上做了进一步研究和应用： m a c 算法方面：b r u i j i n 为提高系统的抗干扰性和鲁棒性，在单步预测的基础 上提出了多步模型算法控制【1 2 1 ；z h e n g 提出了在控制器中引入积分因子的增量型 m a c 来克服基本m a c 不能无偏跟踪的缺点【1 3 1 ；袁璞对单值m a c 进行了分析【1 4 】； 葛宝明提出一种用于永磁同步电动机( p m s m ) 传动系统的m a c 方案，采用p m s m 的二阶a r m a 模型，仿真和实验结果证明了算法的有效性【”l 。 d m c 算法方面：席裕庚提出一种d m c - p i d 的串极控制方法【1 6 1 ；石中锁提出 了一种在优化性能指标中引入加权多项式，通过选择多项式将闭环极点配置在给 定位置上，以获得期望闭环特性的极点配置d m c 1 7 】；李伟提出双值d m c 的简化 算法1 1 叼；张青将动态d m c 与双信号对象相结合，提出双信号d m c l l 9 1 ；戴连奎针 对非自衡对象，提出了一种简便的改进d m c 算法，克服了现有算法中不能消除 输入阶跃扰动所引起的控制余差的局限性刚；罗刚运用满意解原理，设计d m c 算法的参数1 2 l 】；郑辑光介绍了d m c 舳m a c 多控制器结构中各控制模式之间的 无扰切换方法，弗给出了等价性证明圈。 g p c 算法方面：c l a r k e 在提出g p c 算法时，给出 d i o p h a n t i n e 方程的递推方 法田】；袁著祉提出的递推广义预测控制器中给出了逆矩阵的递推算法，减少了计 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 算量 2 4 1 ；o r d y s 提出基于状态方程模型的广义预测控制【2 5 l ；y a m a m o t o 提出一种基 于广义预测控制思想的自适应p i d 参数的整定方法，适用于被控对象未知或变化 的情况闭：针对基本广义预测需求解d i o p h a n t i n e 方程、矩阵求逆和最小二乘法的 递推求解而导致在线计算量大的缺点，王伟提出了直接辨识控制参数的广义预测 自适应直接算法，可省掉d i o p h a n t i n e 方程的递推求解和矩阵求逆计算 2 7 - 2 8 1 ； c o r r a d i n i 提出变结构广义预测控制【2 9 】；杨建军提出一种基于状态空间的稳定广义 预测控制器，它先采用稳定反馈控制器对被控系统进行处理，然后进行g p c 控制， 这样可保证闭环稳定性【3 0 】；王轶通过并行算法提高了g p c 的实时性和对复杂对象 的适应性【3 l 】；赵怀彬提出一种快速广义预测控制算法，在目标函数中引入输出期 望值，比传统的g p c 具有更快的计算速度 3 2 1 ；孙明纬提出声增量型广义预测控制， 对通常广义预测控制器( g p c ) 所求解出来的控制增量乘以一个因子，并利用此自 由度提高闭环的稳定鲁棒性田l 。 i m c 算法方面：有g a r c i a 提出的零极点对消法和针对p i d 控制器设计的i m c 方法【排3 5 l ；赵翟提出基于内模结构的鲁棒有限拍控制【3 6 l ；陈悦采用内模结构就设 计参数和模型匹配性，对预测控制闭环系统的跟踪性能和鲁棒性能的影响进行了 详细的分析【3 7 】；牛瑞燕提出了一种智能二自由度内模控制方法，该方法通过智能 在线修正反馈滤波器的参数，使系统的鲁棒性和抗干扰性得到明显改善1 3 ”。 随着预测控制的理论和应用方面的迅速发展，近年来，我国一些科研院校在 预测控制理论研究和应用方面做了很多工作，并取得了不少进展，一些部门比如 电力、机械、冶金、化工等行业，已有应用预测控制的生产设备运行，并取得了 可喜成果。由于预测控制具有适应复杂生产过程控制的特点，可以预计，预测控 制必将在我国工业控制中显示了它强大的生命力，对促进我国国民经济的进一步 发展将起到积极作用。 1 4 现场总线的发展及其现状 2 0 世纪8 0 年代中期产生了现场总线，根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义，现 场总线是“安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置 系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。现场总线技术将专用微 处理器置入传统的测量控制仪表，使之数字化、智能化，采用可进行简单连接的 双绞线等介质将位于现场的各种智能设备及各种控制设备连接成网络系统，并按 公开、规范的通信协议进行数据传输与信息交换。它突破了d c s 相对封闭的限 制，将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化 和先进控制的功能。以现场总线技术为基础形成了一种新型的网络集成式全开放 控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，它适应了工业控 中南人学硕十学位论文第一章绪论 制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，成为全球工业自动化领域的热点 之一，受到人们的关注，它有可能取代d c s ，成为工业控制系统的第五代产品。 美国仪表协会( i s a ) 于1 9 8 4 年开始制定现场总线标准，在欧洲有德国的 p r o f i b u s 和法国的f i p 等，各种现场总线标准陆续形成。其中，主要的有：f f 现场总线、c o n t r o ln e t 现场总线、p r o f i b u s 现场总线、p n e t 现场总线、高速f f ( h s e ) 现场总线、s w i f t n e t 现场总线、w o r l df i p 现场总线、i n t e r b u s 现场总线 等。 1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 公司推出差分信号驱动器，成功地在4 2 0 m a 直流信号 上叠加了数字信号，随即投入市场的s m a r 智能变送器是现场总线产品的前驱。以 后发展成为美国r o s e m e n t 公司著名的现场总线通信协议h a r t 。 1 9 8 4 年，美国仪表协会i s a s p 5 0 工作组和国际电工协会t c 6 5 s c 6 5 c w g 6 都开始研究制定现场总线标准。 1 9 8 6 年，德国推出p r o f i b u s 。 1 9 9 0 年，美国推出l o n w o r k s 。 1 9 9 2 年，成立i s p 协会，着手在p r o f i b u s 基础上制定现场总线标准。 1 9 9 3 年，成立w o r l d f i p 协会，准备以法国f i p 工厂仪表通信协议为基础制定 现场总线标准。 1 9 9 4 年，i s p 和w o r l d f i p 合并，成立现场基金会，推动现场总线国际标准开 发。 2 0 0 0 年，i e c 宣布现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 面世。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，各种现场总线的标准陆续形成。其中主要的有局 部操作网络l o n w o r k s 、控制局域网c a n 、过程现场总线p r o f i b u s 、m o d b u s 、 基金会现场f f 、h a r t 协议等。其中，m o d b u s 总线技术新出现不久，由美国 m o d i c o n 公司开发。它定义的是一种数据帧结构，独立于物理层介质，所以控 制器能够识别和使用，因而m o d b u s 协议具有良好的适用性，得到了众多大公 司的支持，目前几乎所有的d c s 系统都提供了m o d b u s 通信接口。 1 5 组态软件的发展及其现状 监控系统涉及监测与控制两方面，监测系统的构建涉及工业控制软件问题。 随着工业自动化技术的迅速发展及计算机在工业自动化领域的广泛应用，人们对 工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的 应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。目前流行使用工控 组态软件来代替传统的工业控制软件。 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，是随着分布式控制系统 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( d c s ) 及计算机控制技术的日趋成熟而发展起来的，是d c s 的商业化应用促进了 组态软件概念的普及。随着微处理器及个人计算机技术的飞速发展，自动化监控 设备的价格得以大幅度减低，体积也逐渐减小；另外，计算机网络技术的发展使 得监控设备之间的互联通信变得简单易行。所有这一切都促进了监控组态软件的 普及与推广，同时监控组态软件也促使自动化技术走向除工业应用外的其他自动 化领域，如楼宇自动化，家庭自动化，环境自动化等，加快了整个社会的信息化 步伐，提高自动化工程的工作效率，减少系统的维护和升级费用。 通用监控组态软件主要特点有【3 9 4 0 ： ( 1 ) 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序，当现场( 包括硬件设备或系统结构) 或用 户需求发生改变时，不需作很多修改就可方便地完成软件的更新和升级。 ( 2 ) 封装性( 易学易用) 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于 用户，不需掌握太多的编程语言技术( 甚至不需要编程技术) ，就能很好地 完成一个复杂工程所要求的所有功能。 ( 3 ) 通用性 每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备( p l c 、智 能仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的y od r i v e r 、开放式的数据库和画 面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线 并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 1 5 1 国外组态软件概述 国外监控组态软件是随着微软公司w i n d o w s 操作系统的普及而发展的，世界 上第一个把组态软件作为商品进行开发，销售的专业软件公司是美国的 w o n d e r w a r e 公司，它于8 0 年代末率先推出第一个商品化监控组态软件i n t o u c h 。 此后监控组态软件在全球得到了蓬勃发展。下表列出了国际上比较知名的1 2 种 监控组态软件1 3 9 。 表1 - 1 国际上较知名的监控组态软件 公司名称产品名称国别公司名称产品名称国别 i n t e l l u t i o n f i x ，i f i x 美国 r o c k - w e l ir s v i e w 3 2 美国 w o n d e r w a r ei n t o u c h 美国 信肯通 t h i n k & d o 美国 n e m a s o f tp a r a g o n ( t n t )美国 n a t i o n a ll a b v i e w美国 p a r a g o nt n t i n s t r u m e n t s 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 t ae n g i n e e r i n ga i m a x 美国i c o n i c sg e n e s i s 美国 通用电子 c i m p l i c i t y 美国p cs o f tw i z c o n 以色列 西门子w i n c c德国c i t e c hc i t e c h 澳大利亚 经过多年的发展，国外的监控组态软件在功能完备性、产品包装、市场推广 等方面都具有一定优势，特别是在图形界面的制作、i o 驱动、数据库冗余控制、 数据的运算处理等方面处理得很不错。但也不是尽善尽美。 如美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 率先推出的1 6 位w i n d o w s 环境下的组 态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。i n t o u c h 软件的图形功能比较丰富， 使用较方便，但控制功能较弱。其i o 硬件驱动丰富，只是使用d d e 连接方式， 实时性较差；另外驱动程序须单独购买。在3 2 位w i n d o w s 环境下它已受到其他 产品的猛烈冲击。 i n t e l l u t i o n 公司新推出的i f i x 软件，其i o 硬件驱动丰富，只是驱动程 序也需单独购买。它是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的 功能也较为完整。但也许过于“庞大”和“臃肿”，对系统资源耗费巨大。 此外，国外监控组态软件对于国内用户来说，还有使用界面不友好，价格昂 贵，技术支持不方便等因素，这就给国内的监控组态软件发展提供了机遇。 1 5 2 国内组态软件概述 组态软件产品在国外出现了近3 0 年，在中国也已有将近2 0 年的历史，但 国内组态软件的发展却是近十年的事情，事实上，在3 2 位w i n d o w s 环境出现以 前，国内组态软件并没有什么发展。主要可能是国内对组态软件的接受要一个过 程，随着时间的推移，国内很多厂家发现了国产组态软件的巨大市场，加入了组 态软件的开发队伍中。 近年来已有一定影响力的产品有组态王、s y n a l l 、m c g s 、天工、c o n t r o l x 、 虎翼、力控等。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，同时组态界面友好， 技术支持方便等优点。但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱， 因此，软件商品化的程度还比较差。目前国产化组态软件主要应用于一些小型的 非重要性的项目应用中。下面列举并介绍了一些有代表性的国内组态软件。 北京亚控公司的组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，至今也有近 1 0 年的历史了。早期的组态王仿造i n t o u c h ，只是个人机接口，到了5 1 版本， 在数据管理和开放性方面有了一些改进，但体系结构却没有实质性地突破。目前 的版本是6 5 ，它摆脱了早期形成的不合理的程序构架。其网络功能和i o 驱动 有了长足的进步，但感觉在画面的制作上和驱动支持上还有待提高。但相比国内 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 其他组态软件而言，其功能、驱动支持、通讯等各个方面均处于领先地位。因此， 它在电力行业、石油化工、邮电行业、钢铁行业、水处理、锅炉控制、食品加工 等行业都得到了广泛的应用。自9 7 年3 月“组态王”投放市场以来，在五年左 右的时间，共销售1 万余套，成为目前中国市场年销售套数最多、市场占有率增 长最快的工控组态软件。考虑到这些因素，本论文所涉及的系统也采用了“组态 王6 5 ”作为监控软件。 i h c g s 是思想比较独特的产品，属于另类的产品，有很多特殊的概念和使用 方式，大多数使用过其他组态软件的人都会感觉有些不惯。据说早期的版本是用 1 ，b 开发的【4 ”。 s y n a l l 网络方面有独到之处，缺点是效率和稳定性还有待提高。 总之，随着国内工业控制系统中计算机系统的逐渐成熟和普及，进口软件的 缺点逐渐显露：价格昂贵、非中文界面、技术服务困难等，国内组态软件将大有 可为。可以预见，在不久的将来，国产组态软件将占据更大的市场份额。 1 6 项目来源及主要研究工作 课题来源于江西宜春钽铌矿自动化改造项目中子课题钽铌矿棒磨流程 生产监控研究。 本文所研究的是棒磨流程优化控制，主要是棒磨机的优化决策，给料控制、 给水控制、以及矿浆池液位控制。采预测控制算法，解决难以用精确数学模型表 达、系统时变、非线性、大滞后时间、多干扰因素等问题。在硬件组成方面采用 基于m o d b u s 现场总线结构，由一台工业控制计算机实时监控和生产管理，通过 m o d b u s 总线连接现场的p l c ，建立集控制、生产与管理于一体的计算机控制系统， 即钽铌矿棒磨流程生产监控系统。 9 中南大学硕士学位论文 第二二章棒磨机给料优化决策 第二章棒磨机给料优化决策 2 t 选矿厂生产工艺简介 宜春钽铌矿内部分为采矿厂和选矿厂，采矿厂利用潜孔钻穿孔，炸药爆破， 电铲铲装，推土机自卸汽车与电机车联合运输等手段，从露天的矿区将含有钽铌 等稀有金属原矿石经初步破碎后运输到选矿厂。而钽铌选矿流程主要包括破碎、 洗矿及原生泥处理、磨矿重选、次生细泥处理等几个部分。矿料分别以固体矿料 和液态矿料的形式表现出来。对固态矿料，在选厂通过棒磨、球磨、磁选、筛选 等工艺最终将钽铌矿选出来；而对液态矿料则先通过风干的方式变成细料后再进 行处理。基本流程图如图2 - 1 、2 - 2 所示，图2 3 、2 - 4 则分别是在其加工过程中 的现场设备图片。 下 细 刊i 机l ( 一7 储1 级 碎 后 皮铂 缓 刨 一 固 冲辩r球 仓l磨 筛 态 仓 倒丫+ l 机r _ 1 麟2 b 厂 选 矿 料 风 液 缓 干 态 昵鞋 冲 皆鱼 筛 矿 选 料池 处 理 图2 - 1 固体矿科加_ z - ；9 4 9 t l 圃2 - 2 浩杰矿抖加t 晴释困 尉2 - 3 细碎工艺设备图2 - 4 棒磨机 在固体矿料生产加工过程中，棒磨机是加工工艺中的主要设备，棒磨机的实 际给矿量直接影响了棒磨机的生产效率。当实际给矿量过大时，棒磨机内矿料过 多，出现胀肚现象；反之，出现空肚现象。无论是空肚还是胀肚，都降低了棒磨 机的生产效率。因此，在生产过程中要求能2 4 小时准确测量皮带4 、5 上物料的 l o 中南大学硕士学位论文 第二章棒磨机给科优化决策 流量及筛下矿料的流量等信息，研究实际给矿量和筛下矿量之间的关系，使棒磨 机达到最佳工作状态，而且为了保证棒磨效率与出矿品位，需要控制加水量。另 外，为了避免胶泵a 、b 冒汽和矿料溢出，要求保持矿浆池液位稳定。而在液态 矿料的生产加工过程中，要求能2 4 小时准确测量管道1 中液态矿料的浓度和流 量以及累计干矿量，以便控制缓冲池阀门的开口大小。传统的做法是每隔一定的 时间( 如3 0 分钟) 取样烘干得到矿料的含水量，再用经验公式分析矿料流量。 而若是液态矿浆则根据重量体积比的方法来计算浓度。这样的人工方法实时性太 差，而且矿料流量有时变化相当大，因而不能准确测量出各种参数，重要的是不 能在远程监控室中监控现场的流量，而生产线距离拉得很远( 测点问距离近千米) 以及现场的各种机器嘈杂声，各个测点与控制点之间联系很困难，工人的工作条 件也相当差。所以利用计算机测控技术以及现代传感技术研制一套新型的、功能 完善的棒磨流程优化控制系统非常必要。 2 2 棒磨流程优化控制系统的功能要求 综合选矿工艺和现场实际情况，要求棒磨流程优化控制系统主要实现以下功 能： ( 1 ) 对棒磨机给料进行优化，避免出现涨肚或者不饱的现象，使棒磨机达 到最佳状态； ( 2 ) 在线实对控制皮带4 号、5 号的矿料流量； ( 3 ) 在线监测供水量管流量，使供水量达到要求，从而使矿料浓度达到最 佳的棒磨浓度； ( 4 ) 在线实时控制矿浆池的液位，使其稳定，避免胶泵冒汽和矿料溢出； ( 5 ) 在线实时测量4 号皮带、5 号皮带矿料流量及其含水量；2 4 小时在线 监测筛下矿料的流量和密度，为推导最佳的矿料给定流量采集必要的数据； ( 6 ) 人机界面友好，易于操作。可根据趋势曲线进行实时、历史数据的查 询，能产生各种不同形式的报表，能方便地进行系统的扩展： ( 7 ) 当其中一个计量点出现故障时，不影响其他计量点的监测与控制。 针对系统要求，通过收集、查阅资料分析国内外选矿自动化和现场总线的发 展水平和研究现状，了解目前非线性时变系统的辨识、预测和控制的各种理论与 方法，熟悉预测控制、自适应控制和专家智能控制的特点和适用范围，提出基于 r s 模糊模型的优化决策方案，对于矿料流量、供水管流量和矿浆池液位，应 用广义预测控制方案进行在线实时控制。 针对整个系统被控对象和各个测控点比较分散，采用分布式控制系统结构进 行集散控制，将系统分为上位机和下位机，下位机负责数据采集、流量控制、并 中南大学硕十学位论文 第一二章棒磨机给料优化决策 将数据通过总线传输至上位机。而上位机则主要以人机界面的形式接收数据、报 表处理，同时在上位机上发出控制命令。 2 3 模糊优化的有关概念 由于生产、社会和经济系统中常常存在不完整的信息和知识，传统的清晰 ( c r i s p ) 或精确的数学方法不能准确地描述系统的行为，精确的数学模型只是人 们理想化、简单化的结果。为了处理这些非精确性非确定性问题系统，常常借 助于概率论的概念和理论。但概率论只能处理一些具有清晰定义或界限的系统和 问题，然而现实生产和生活实际中还存在一类问题系统，没有清晰的定义，如 描述一个人聪明、较聪明、不聪明；高、矮等均没有清晰的或严格的界限来划分。 我们只能用一些含糊( a m b i g u o u s v a g u e ) 或模糊( f u z z y ) 的语言来表达。对于诸 如此类的情况，概率理论不能恰当地描述并建立合适的数学模型。模糊集理论正 是为定义和解决此类问题系统而发展起来的一门非精确的数理学科。首先由 z a d e h 教授1 9 6 5 年提出，之后模糊集理论被广泛地应用到运筹学、管理科学、人 工智能与专家系统、控制理论及其他诸多领域。 自从b e l l m a n n 和z a d e h 于1 9 7 0 年提出模糊决策的概念以来，模糊优化技术作 为处理模糊环境下的决策问题的一种全新方法得到了迅速的发展，已经成为一个 非常活跃的研究领域。下面介绍一下模糊优化有关的基本概念【4 2 】。 ( 1 ) 模期集 令艉一个包括所有元素的空间，其中的元素x ，x 中的模糊集j 是具有 如下形式的有序对元素的集合：a = ( x ，j ( x ) h x ) ，其中j o ) 称为x 属于 彳的隶属度，j ( x ) ：x 斗m 是一个函数，盯是隶属空间。一般地m _ 【o ，l 】。此 外，模糊集合爿还可以表示为： 1 ) 如果x 是有限集或可数集，则j = 心( 五) ，t 2 ) 如果z 是无限不可数集，则五= 阻；( x ) x 这里符号”、“”、“，”，不是通常意义上的相应符号，仅是一种 记号。 ( 2 ) 扩展原理 令x = 五五z 是一个笛卡尔乘积空问，互，互分别是五，五，墨 上的模糊集；，是从x 到空间】，上的一个映射，) ，= f ( x a ，毪，砟) 定义l ，上的一 个模糊集合雪为： b = ( j ，( _ y ) ) l y = ( 毛，x z ，) ，( 五，屯，) x ) 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章棒磨机给料优化决策 舯咖) = 沿”嘶圹b 】幽咄“x 峨以 = 2 和 ( 3 ) 模糊数 模糊数m 是实数域el - _ 的一个凸的正则模糊集，满足： 1 ) 存在x 0 r ，( ) = l ； 2 ) 斤 ) 是分段连续函数。 常用的模糊数包括啊型模糊数，三角形模糊数，梯形模糊数。 ( 4 ) 模糊不等式 具有容差的模糊不等式( f u z z yi n e q u a l i t yw i t ht o l e r a n c e ) 具有如下一般形 式：y 主( 三) o ，其中主( 匐表示模糊不等式，即允许不等式中存在容差。 ( 5 ) 模糊函数 介绍两种简单的模糊函数。 1 ) 模糊域到模糊域上定义的模糊函数 根据d u b o i s ( 1 9 8 0 ) 的定义，令j 是一个空间，j c j ，定义一个清晰函数( 映 射) f ：五c x 一矿c r ，如果满足：v x 五，脚( ，( x ”心( x ) ，称j ；= ，( j ) 是模糊 函数。例如穸= f ( f d = n 重+ 6 。其中马6 是清晰的参数。 2 ) 清晰域到模糊域上定义的模糊函数 令x ，l ，是空间，声( y ) 是所有模糊子集的集合，户( j ，) c y ，定义一个映 射，：石一户( y ) 亡r 则称模糊函数。例如y - = f ( x ，丘，占) = a x + g ，其中马堤模糊 参数。 ( 6 ) 模糊排序 模糊排序是模糊集理论的重要组成部分，构成了模糊优化的重要理论基础。 0 7 0 年代以来，人们便开始着手研究模糊数的排序问题，即如何比较模糊数的大 小。由于对模糊意义上大小关系的不同理解和定义，导致不同的排序方法。迄今 为止，许多学者相继提出了多种方法，包括j a m ( 1 9 7 6 ) 的最大集( m a x i m i z i n gs e t ) 方法，a d a m o ( 1 9 8 0 ) 的偏爱规则( p r e f e r e n c er e l u e ) 法，c h a n g e ( 1 9 8 1 ) 的偏爱函数 ( p r e f e r e n c ef t m c t i o b ) 法，y a g e r ( 1 9 8 1 ) 的偏爱函数法，d u b o i s & p r a d e ( 1 9 8 3 ) 主导 关系( d o m i n a t e dr e l a t i o n ) 法，k e r r e ( 1 9 8 2 ) 的h 猢i n g 距离法，c h e r t ( 1 9 8 5 ) 的总体 效用值( t o t a lu t i l i t yv a l u e ) 法，k i m ( 1 9 9 0 ) 的乐观指数法( i n d e xo f o p t i m i s m )