自控系统设计方案

1、磨矿旋流器自动控制系统 第 13 页 共 13 页目录1 一段磨矿分级环节闭环控制22 旋流器控制63 一段球磨磨矿浓度控制94 一段磨矿分级闭环系统检测与控制功能121 一段磨矿分级环节闭环控制一段磨矿分级环节是整个磨选工艺流程的入口，其控制效果的好坏直接影响后续工序的作业指标甚至最终产品的质量。由于我国选矿行业在综合配矿方面大都没有较好的措施，所以造成入磨矿石性质变化频繁，这样就给磨矿分级环节的自动控制带来很大难度，况且影响这一环节的因素特别多（磨机衬板状况、钢球充填率、旋流器分级效率等），所以这一环节成了一种时变的非线性的复杂系统。对于这种复杂系统，工程技术人员提出了各种各样的控制模型，

2、其中最常用的就是音频或磨机功率单因素检测、阶梯值给矿这一简单的控制方法。当然这种方法对于单一性质的矿石确实很有效果，但矿石性质变化时，由于它考虑的因素比较少，很容易造成失控。例如当矿石变得难磨时，必然会导致分级设备的循环负荷增大，而在一定的时间内单纯使用电耳或磨机功率就不能正确反映出矿石性质的这种变化，这时系统不做任何调整就很容易造成磨机“涨肚”或磨机与分级设备之间的恶性循环，导致台时下降、分级设备溢流粒度不稳定，从而导致后续工序失衡。经过一段时间的探讨和磨矿分级现场控制经验的积累，我们摸索到了一种适合这一环节的有效的控制方法：模糊控制。模糊控制近年来，将模糊集理论用于自动控制而形成的模糊控制

3、理论得到了迅速的发展。其原因在于对于那些时变的非线性的复杂系统，在无法获得精确数学模型时，利用智能的模糊控制器能给出有效的控制。事实上，有很多过程具有大量的以定性的形式表示的极重要的先验信息，以及仅仅是用语言描述规定的性能指标，同时又要求过程的操作人员是系统的基本组成部分（如依据人的感官或直觉）等，所有这些都是一种不精确性，应用经典控制理论很难对其实施控制，但这类系统由人来控制却往往容易做到，这是因为操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务。基于这些，我们完全可以把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组语句（例如在磨机操作中，操作人员的控

4、制经验：如果球磨机磨矿声音小而沉闷，说明球磨机趋近于“涨肚”，那么就减少给矿量），然后利用模糊控制理论，使模糊控制系统得以接受人的经验，模仿人的操作策略。磨机控制系统中的模糊控制由于一段球磨机磨矿过程的复杂性和参数的时变性及大滞后特性，无法定量地判断磨机的工作状态和矿石的性质，只能定性地或趋势性地判断，这种判断是无法实现磨机的精确控制的因此，为了实现磨机的精确控制，必须将磨机的性能，磨矿系统的工艺过程，矿石性质的变化等诸多因素与生产实践结合起来，建立模糊控制规则，进行模糊推理，得出模糊推理结果，反模糊化，与各控制对象的控制相结合，组成uzzy + PID的控制策略，从而实现磨机的精确控制。控制

5、的目的是稳定磨机生产过程，提高磨机的处理量，稳定旋流器溢流粒度，为下一工序作业提供有利的条件。目前，国内外许多单位都对球磨机自动控制进行了针对性的研究，并大多采用数字PID的控制方案参与磨矿分级过程的控制，而磨矿分级过程是一个参数非线性和时变的复杂系统，采用单纯的PID遇到磨机工况不稳定时，常出现磨机“涨肚”及给矿异常等非正常现象，严重影响了球磨机的正常工作，并有可能造成设备的损坏。同时国内外研究人员对磨矿分级过程建立了不同的数学模型，因为多以机理分析为主，建模过程相当繁琐，计算量相当大，难以应用于实时过程控制。因此我们通过工艺分析，结合实际测试，优化原有的复杂模型，引入模糊控制理论，选用模糊

6、控制和PID控制相结合的方法，这样既可保持PID控制的无静差、稳定性好的特点，又具有模糊控制对参数的适应性和调节速度快的特点。实际生产过程中，反映磨矿分级状况的参数很多。其中主要包括：磨机声音、磨机功率、旋流器沉砂量。在控制实施过程中，这些参数作为磨机模糊控制器的输入，而模糊控制器的最后输出是磨机给矿量、排矿水及给矿水。这些输出值经限幅处理后作为PID控制器的输入，PID控制器的输出指导系统中的执行机构进行调节。模糊控制器的控制原理如图：音频给矿模糊控制器原理框图经过这种控制方法得到的控制量是一个连续量。对于磨机给矿过程来说，这种控制方式实现了“给矿磨机状态分析给矿”这样一种连续控制。系统每时

7、每刻都在分析磨机的工作状态，并根据分析得到的结果实时给出控制方案。磨机给矿模糊控制的实现再磨机给矿模糊控制中，我们选择了其中的3个主要参数：磨机声音、磨机功率、旋流器沉砂量（由系统分析计算得出），作为模糊控制器的输入，这些参数时刻都在发生变化，而这3个主要参数的变化也恰恰反映出了磨机当前的工作状况。模糊控制器根据这3个主要参数的变化或者变化趋势进行模糊判定，对应每一种变化趋势，模糊控制器都会给出一特定的给矿原则，然后PID控制器会根据这一给矿原则调整气动阀，以达到精确给矿的目的。采用三因素分析判断磨机状态，避免了单因素检测造成的误判断的弊端。给矿控制原理如图：解模糊输出矿量检测值旋流器沉砂量磨

8、机功率磨机音频模糊控制器PID控制器输出至变频器矿量检测给矿控制原理框图 一段磨矿分级控制是一个闭环控制系统，不需人工参与。所以系统运行时应尽量避免人为干扰，以免影响控制系统的自平衡、自适应过程。2 旋流器控制旋流器控制的主要目的是保证其溢流粒度、沉砂浓度及其处理量。影响旋流器工作的因素包括结构参数、操作条件和矿石性质等。在结构参数固定及矿石性质不可控的情况下，给矿压力和给矿浓度直接影响旋流器的工作状态。当旋流器压力一定时，给矿浓度对溢流粒度及分级效率有重要影响。给矿浓度高，矿浆浓度大、含泥量高时，矿浆粘度和密度将增大，矿粒在旋流器中运行的阻力增大，而使分离粒度变粗，分级效率亦将降低。反之，当

9、给矿浓度低时，阻力变小，分离粒度变细，分级效率高。所以对于给矿浓度的控制非常关键。我们选用浓度计实时检测给矿浓度的变化情况，通过调节旋流器矿浆池的补加水来控制给矿浓度，从而保证了旋流器的分级效率。从数质量流程的数据来看，对于一次分级旋流器来讲，其设计给矿浓度为60%左右，也就是说理论上旋流器给矿浓度不能高于60%。给矿压力是旋流器中矿浆产生速度的原因，它直接影响旋流器的处理量和分级粒度。当压力增大时，可以提高分级效率，但是这将增加动力消耗和设备磨损，所以利用增大压力来提高分级效率是不经济的。但在必要的情况下，也可以通过稳定浓度适当调节旋流器给矿压力来提高旋流器的分级效率。旋流器沉砂浓度的大小直

10、接影响磨机的磨矿效率，合理地控制旋流器的沉砂浓度是旋流器、磨机、矿浆物流量平衡的一个重要环节，当浓度一定时，通过在一定范围内调节旋流器给矿压力，使旋流器的沉砂浓度保证在工艺要求范围内。否则就会出现磨矿分级过程“死循环”的现象。从这个意义上讲，旋流器的控制又必须将旋流器沉砂浓度的控制作为旋流器控制的重点之一。粒度的检测与控制控制系统在此环节加入了对旋流器溢流粒度的检测及控制，这是因为这一环节的粒度指标对整个磨矿分级过程的生产和为选别工序提供合格产品都具有十分重要的意义。粒度的检测信号直接参与了磨矿分级过程的控制，当检测到的粒度指标波动时，系统将会对分级旋流器的给矿浓度和给矿压力作出及时的调整。旋

11、流器的控制是一个复杂的控制过程，主要体现在三个方面： 泵池液位、给矿浓度、给矿压力任一因素发生变化，均会导致旋流器原有控制平衡被破坏； 给矿浓度、给矿压力均影响旋流器溢流粒度指标，当溢流粒度指标发生变化时，无论调节给矿浓度还是调节给矿压力（往往是同时调节），调节幅度均无法精确定义，并且要考虑泵池液位、球磨机负荷的变化； 由于磨矿生产工艺过程的时变性和不确定性，也导致旋流器各工艺参数的时变性和不确定性。如果采用单纯的PID 控制方式（浓度不合适就控制浓度，压力不合适就控制压力）来控制旋流器，不仅达不到控制效果，还会造成生产混乱。我公司经过多年的实践，开发出一套旋流器自适应模糊控制器。控制系统将检

12、测到的旋流器溢流粒度、给矿浓度、给矿压力及矿浆池液位的信号作为旋流器模糊控制器输入，模糊控制器经过模糊运算和模糊推理，并根据推理结果，给出一种适合此时旋流器工作的控制方案，完成旋流器的自动寻优控制。旋流器控制原理如图：解模糊输出泵池液位给矿压力给矿浓度模糊控制器PID控制器渣浆泵变频器溢流粒度补加水电动阀补加水检测补加水流量旋流器控制原理框图3 一段球磨磨矿浓度控制磨矿浓度的大小影响矿浆的比重、矿粒在钢球周围的粘着程度和矿浆的流动性，直接影响到排矿合格粒度的比率，对避免矿石的过粉碎，提高选别指标至关重要。对具体的磨矿分级过程来说，磨矿浓度有一个最佳范围，磨矿浓度过高或过低都不利于磨矿效果，最佳

13、磨矿浓度可以由磨矿分级过程的工艺指标分析得到。这个指标要想通过人工操作来达到是很难的，因此，稳定磨矿浓度对于提高球磨机的台时处理能力、保证溢流粒度是极其必要的。一段闭路磨矿条件下，磨机给矿是由新给矿和沉砂量组成的，要控制磨矿浓度，就必须控制给矿水水量。根据生产实践，在给矿及旋流器溢流粒度稳定的情况下，沉砂量的波动不大，因此，只要根据本厂的原矿粒度及矿石特性，标定出正常的沉砂比，即可由给矿量的多少及沉砂比，按磨矿浓度的要求计算出所需的返砂水量，具体计算公式如下：)()11()11(2121CNNQNQCNQkkQkkQWgggfmfgmgf+´=´´+´=

14、-+-= 其中：Qg磨机给矿量 Qf旋流器沉砂量 Km磨矿浓度 Kg给矿浓度 Kf沉砂浓度 C旋流器沉砂比 上式中，Wf为需要的给矿水量，“Qg”、“Qf”分别为磨矿机的给矿和沉砂量（由计算得出），C为沉砂比，Km、Kg及“Kf”、“Kg”均认为是常数，计算出的“N1”、“N2”值也为常数，因此，如果给矿量恒定，则给矿水量也是恒定的。经过计算得到的给矿水量即是给矿水在一定条件下的给矿水设定值。而此时的最佳磨矿浓度值可以由音频、磨机功率及矿石性质分析经过模糊控制算法得到，这样将给矿水设定值与模糊控制器的输出比较，再经过PID整定输出至返砂水电动阀自动调节给矿水量，以达到控制磨矿浓度的目的。控制给

15、矿水的系统原理方框图如下图所示。解模糊输出返砂水流量分级溢流粒度矿石性质磨机功率磨机音频值模糊控制器PID控制器输出至电动阀返砂水检测磨矿浓度控制原理方框图在上图中，矿石性质的分析是一项比较复杂的技术。在这项技术中，我们采用了先进的模糊控制理论对矿石性质进行分析并在现场实际生产过程中取得了令人满意的效果。矿石性质时常发生变化是磨矿分级作业要经常遇到并颇为现场工人头疼的问题，严重干扰了操作的稳定性。靠人工操作不可能及时有效地适应此类情况，不仅磨机处理能力难以达到最佳，还会直接影响到分级溢流粒度的合格率。下图给出了矿石性质发生变化前和变化后的磨机负荷音强及磨机负荷磨机功率之间的变化曲线。矿石性质发

16、生变化后，该曲线将发生移动，形成了对应不同矿石性质下的多条曲线簇。矿石性质变化前矿石性质变化后控制系统通过主控PLC对音频变送器的检测值PV1和检测值的变化趋势êPV1、功率变送器的检测值PV2和检测值的变化趋势êPV2 以及分级返砂量的变化来分析判断矿石性质是如何变化的。同时根据不同性质的矿石，给出对应此类矿石性质的最优给矿值和给水值（磨矿浓度）。矿石性质分级返砂量磨机功率值磨机音频值模糊控制器矿石性质分析原理方框图4 一段磨矿分级闭环系统检测与控制功能一段磨矿分级闭环系统检测内容：Ø 一段磨机给矿量检测Ø 一段磨机给矿水量检测Ø 一段磨机排矿水量检测Ø 一段磨机音频检测Ø 一段磨机功率检测Ø 一段旋流器溢流粒度检测Ø 一段旋流器给矿泵池液位