基于智能優(yōu)化控制的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

選礦行業(yè)的磨礦過(guò)程存在大慣性、參數(shù)時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，特別是邊界條件波動(dòng)，工藝指標(biāo)磨礦粒度難以在線測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)磨礦粒度的優(yōu)化控制，因而導(dǎo)致磨礦生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定，難以保證磨礦質(zhì)量和磨礦效率。提出了基于磨礦粒度優(yōu)化控制的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能優(yōu)化過(guò)程控制系統(tǒng)和運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)組成。討論了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和智能優(yōu)化控制策略。智能優(yōu)化過(guò)程控制系統(tǒng)由智能優(yōu)化設(shè)定和底層控制回路兩級(jí)組成，通過(guò)軟測(cè)量模型對(duì)磨礦粒度等工藝指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)，通過(guò)回路設(shè)定模型給出底層回路控制的優(yōu)化設(shè)定值。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于某大型選礦廠磨礦過(guò)程，穩(wěn)定了生產(chǎn)流程，提高了磨礦效率，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制、優(yōu)化管理和優(yōu)化運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：磨礦；綜合自動(dòng)化；優(yōu)化控制

引言

磨礦過(guò)程是選礦廠的中間工序。礦石經(jīng)過(guò)物理的研磨、分級(jí)作用，顆粒由大變小到一定的程度，才能達(dá)到礦石的單體解離或近于單體解離，有利于選別工序的金屬回收和金屬富集。因此磨礦過(guò)程是影響選礦生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接制約著選礦產(chǎn)品質(zhì)量和金屬回收率。此外，磨礦作業(yè)能耗占選礦廠整個(gè)選礦過(guò)程的40%～60%。因此磨礦過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制具有重要意義。國(guó)外對(duì)磨礦過(guò)程的建模與控制的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，控制方法包括優(yōu)化控制[1]，多變量控制[2]，預(yù)測(cè)控制[3]，但是國(guó)外的磨礦流程和設(shè)備與我國(guó)不盡相同，國(guó)外一般都用棒磨機(jī)為一段開(kāi)路磨礦，或以新給礦配水力旋流器構(gòu)成磨礦閉路，并普遍使用粒度計(jì)等高精密在線檢測(cè)儀表，因此其研究成果難以適用于實(shí)現(xiàn)我國(guó)磨礦過(guò)程的自動(dòng)控制。國(guó)外對(duì)于磨礦粒度的軟測(cè)量的研究，僅限于用來(lái)代替常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)回路控制[4]。我國(guó)的磨礦過(guò)程具有自身特點(diǎn)，廣泛使用螺旋分級(jí)機(jī)。磨礦過(guò)程本身的大慣性、參數(shù)時(shí)變、非線性、邊界條件波動(dòng)大等復(fù)雜特性，以及關(guān)鍵工藝指標(biāo)磨礦粒度難以在線測(cè)量，導(dǎo)致在我國(guó)磨礦過(guò)程自動(dòng)化水平低，目前只在部分廠礦實(shí)現(xiàn)了給礦、給水等基礎(chǔ)回路的自動(dòng)控制。歐洲鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展指南指出：“對(duì)于降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗只能通過(guò)全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]”。文獻(xiàn)[6]針對(duì)選礦過(guò)程提出了過(guò)程穩(wěn)定化、過(guò)程優(yōu)化、過(guò)程管理三層結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]提出了企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）三層結(jié)構(gòu)的金礦企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，成功應(yīng)用于遼寧省排山樓金礦，且成效顯著。結(jié)合磨礦的生產(chǎn)技術(shù)要求及工藝特點(diǎn)，從穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高磨礦效率、降低能耗的總體控制目標(biāo)出發(fā)，基于優(yōu)化關(guān)鍵生產(chǎn)工藝指標(biāo)的實(shí)際出發(fā)，結(jié)合專(zhuān)家系統(tǒng)、案例推理等人工智能技術(shù)，提出了過(guò)程管理系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)組成的二層結(jié)構(gòu)的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 磨礦過(guò)程描述

磨礦過(guò)程主要是將礦石經(jīng)過(guò)磨礦過(guò)程，處理成細(xì)粒度級(jí)的顆粒，提供給選別作業(yè)。其工藝流程圖如圖1所示。圓筒礦倉(cāng)內(nèi)的粉礦經(jīng)由電振排料機(jī)、給礦皮帶，送入一段球磨機(jī)內(nèi)，經(jīng)過(guò)球磨機(jī)、雙螺旋分級(jí)機(jī)組成的一段閉路磨礦系統(tǒng)細(xì)磨后，再經(jīng)過(guò)細(xì)篩的篩分作用，大顆粒的礦石被送入由二段球磨機(jī)、水力旋流器組成的二段閉路磨礦系統(tǒng)繼續(xù)再磨，水力旋流器的溢流和經(jīng)篩分作用后的小顆粒被送入選別工序。為了保證磨礦分級(jí)效果，必須在一段磨機(jī)入口、一段磨機(jī)出口和二段泵池處分別加入一定流量的清水。

磨礦過(guò)程最關(guān)鍵的工藝指標(biāo)是二段磨礦的旋流器溢流粒度指標(biāo)。從控制的角度看，影響磨礦作業(yè)的主要因素有一段球磨機(jī)給礦量、一段球磨機(jī)磨 礦質(zhì)量濃度、螺旋分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度、水力旋流器給礦壓力、水力旋流器給礦質(zhì)量濃度等。保持球磨機(jī)給礦量穩(wěn)定，使其不波動(dòng)或波動(dòng)范圍很小，對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定球磨機(jī)磨礦過(guò)程都是很重要的因素，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮應(yīng)保證球磨機(jī)的最大處理能力。對(duì)于格子型球磨機(jī)來(lái)說(shuō)，一個(gè)比較合適的磨礦質(zhì)量濃度是實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)磨礦效率高低的前提，磨礦質(zhì)量濃度的過(guò)高或過(guò)低都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響，比如球磨機(jī)漲肚等事故。螺旋分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度在某種程度上與一次分級(jí)溢流粒度有一定的關(guān)系，并且溢流質(zhì)量濃度的高低將會(huì)影響分級(jí)機(jī)返砂的多少和返砂的質(zhì)量濃度，從而影響球磨機(jī)的磨礦效率和球磨機(jī)的處理量，因此控制分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度是控制產(chǎn)品質(zhì)量好壞、磨礦效率的重要環(huán)節(jié)。為了保證水力旋流器在生產(chǎn)上的穩(wěn)定及其產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，必須控制旋流器的給礦壓力，保證旋流器的工作狀況最佳（沉砂呈傘裝，角度不能過(guò)大或過(guò)小），防止產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，同時(shí)也防止旋流器給礦泵池被打空或打冒。旋流器的溢流粒度與旋流器的給礦質(zhì)量濃度有一定的關(guān)系，此參數(shù)配合旋流器的給礦壓力將是控制旋流器分級(jí)效率的重要工作參數(shù)。以上各種因素的相互影響，共同作用，決定了磨礦作業(yè)的好壞。正是從該工藝的生產(chǎn)技術(shù)要求及工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

通過(guò)以上分析，我們首先確定，磨礦過(guò)程的主要控制變量為電振排礦機(jī)的振動(dòng)頻率、一段球磨機(jī)入口加水閥位開(kāi)度、螺旋分級(jí)機(jī)補(bǔ)加水閥位開(kāi)度、水力旋流器給礦礦漿泵轉(zhuǎn)速、二段泵池補(bǔ)加水閥位開(kāi)度等；主要被控變量為一段球磨機(jī)給礦量、一段球磨機(jī)入口加水流量、一段球磨機(jī)磨礦質(zhì)量濃度、螺旋分級(jí)機(jī)補(bǔ)加水流量、螺旋分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度、水力旋流器給礦壓力、水力旋流器給礦質(zhì)量濃度、二段泵池液位等。

2 磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

結(jié)合選礦廠磨礦過(guò)程的特點(diǎn)，提出了磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

該系統(tǒng)由磨礦智能優(yōu)化控制系統(tǒng)和運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)兩層結(jié)構(gòu)組成。其中智能優(yōu)化控制系統(tǒng)采用EIC三電一體化計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)和智能控制技術(shù)，由磨礦過(guò)程智能優(yōu)化回路設(shè)定系統(tǒng)、一段磨礦回路控制子系統(tǒng)與二段磨礦回路控制子系統(tǒng)組成。

運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、故障診斷、設(shè)備管理、生產(chǎn)安全管理、報(bào)表生產(chǎn)與打印、系統(tǒng)通訊和操作指導(dǎo)、系統(tǒng)安全、用戶(hù)管理和系統(tǒng)導(dǎo)航等功能模塊。智能優(yōu)化控制系統(tǒng)和運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)、以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)兩層和各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息集成，從而實(shí)現(xiàn)磨礦過(guò)程的綜合自動(dòng)化。

智能優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備邏輯連鎖控制、回路控制和回路優(yōu)化設(shè)定控制等功能。邏輯連鎖控制主要包括電振排礦機(jī)組、給礦皮帶、螺旋分級(jí)機(jī)、礦漿泵及水力旋流器給礦變頻器組等設(shè)備裝置的單機(jī)啟停操作和全線聯(lián)起、聯(lián)停的操作。回路控制主要實(shí)現(xiàn)重要工藝參數(shù)的連續(xù)穩(wěn)定控制，并控制在工藝要求范圍內(nèi)。控制回路主要包括一段球磨機(jī)給礦量、球磨機(jī)磨礦質(zhì)量濃度、螺旋分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度、二段水力旋流器給礦壓力、給礦質(zhì)量濃度的回路控制，以及礦漿泵泵池液位的前饋控制，保證磨礦過(guò)程的穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。磨礦智能優(yōu)化控制系統(tǒng)以保證磨礦產(chǎn)品粒度、提高球磨機(jī)的磨礦效率和分級(jí)機(jī)設(shè)備的分級(jí)效率、提高球磨機(jī)的處理量、降低能耗綜合生產(chǎn)指標(biāo)為目標(biāo)，采用智能協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)磨礦粒度的目標(biāo)要求和邊界條件等的波動(dòng)情況，分別對(duì)一段磨礦控制系統(tǒng)和二段磨礦控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制回路的設(shè)定值進(jìn)行在線優(yōu)化。

運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理和系統(tǒng)管理功能。從生產(chǎn)過(guò)程采集的數(shù)據(jù)或由控制系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)，傳送給過(guò)程管理系統(tǒng)，由過(guò)程管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視和管理。操作員在中央控制室通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面和多媒體的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景監(jiān)控畫(huà)面，全面監(jiān)控磨礦作業(yè)的生產(chǎn)狀況和設(shè)備狀況，從而可以實(shí)現(xiàn)在軟手動(dòng)工作方式下的生產(chǎn)操作或在全自動(dòng)生產(chǎn)方式下實(shí)現(xiàn)必要的人工干預(yù)。生產(chǎn)與設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)可以對(duì)球磨機(jī)給礦斷料、球磨機(jī)漲肚、球磨機(jī)軸瓦異常、泵池泵異常、變頻器異常以及生產(chǎn)波動(dòng)異常、工藝參數(shù)變化異常等工況做出判斷，給出報(bào)警信息與操作上的建議。

2.2智能優(yōu)化控制策略

磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心是能夠?qū)崿F(xiàn)工藝指標(biāo)優(yōu)化的磨礦過(guò)程智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。為此，提出了磨礦過(guò)程智能優(yōu)化控制策略，其基本架構(gòu)如圖3所示。該策略由智能優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)和磨礦回路控制系統(tǒng)兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成。

智能優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)包括智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型、二段溢流粒度軟測(cè)量模型、二段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型、一段磨礦回路設(shè)定模型、一段溢流粒度軟測(cè)量模型、一段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型、一段磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量和磨機(jī)負(fù)荷推理模型組成。

智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型根據(jù)給定的最終產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝指標(biāo)——二段旋流器溢流粒度的目標(biāo)值，在球磨機(jī)處理量和邊界條件的約束下，給出二段磨礦控制回路的預(yù)設(shè)定值和一段磨礦溢流粒度的目標(biāo)值。該模型結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，采用基于專(zhuān)家系統(tǒng)的多級(jí)決策算法，協(xié)調(diào)一、二段磨礦產(chǎn)能分配與粒度指標(biāo)的分配關(guān)系。當(dāng)工藝指標(biāo)的目標(biāo)與當(dāng)前實(shí)際的二段分級(jí)機(jī)溢流粒度的差值在二段磨礦過(guò)程具備的調(diào)節(jié)能力的范圍之外時(shí)，調(diào)整一段磨礦溢流粒度的目標(biāo)值，以便在更大范圍內(nèi)調(diào)整磨礦過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)。

智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型采用案例推理算法，給出旋流器的給礦壓力、給礦質(zhì)量濃度的預(yù)設(shè)定值。在此基礎(chǔ)之上，二段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型通過(guò)將二段溢流粒度軟測(cè)量得到的粒度預(yù)報(bào)值與二段溢流粒度的目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)預(yù)報(bào)粒度的偏差值，采用前饋校正算法提前對(duì)二段磨礦過(guò)程的基礎(chǔ)控制回路設(shè)定值進(jìn)行前饋修正。

一段磨礦回路設(shè)定模型根據(jù)智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型給出的一段溢流粒度的目標(biāo)值，給出一段磨礦回路的預(yù)設(shè)定值。該模型結(jié)合球磨機(jī)有功功率的動(dòng)態(tài)曲線，采用自尋優(yōu)控制算法，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)處理量的最大化；采用基于案例推理的磨礦智能優(yōu)化設(shè)定算法，在一段磨礦質(zhì)量濃度和磨機(jī)負(fù)荷的約束條件下，根據(jù)一段溢流粒度的目標(biāo)值，給出球磨機(jī)給礦量、一次溢流質(zhì)量濃度和返砂水流量的預(yù)設(shè)定值。

一段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型采用專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)，將一段溢流粒度軟測(cè)量得到的粒度估計(jì)值與一段溢流粒度的目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)粒度軌跡的偏差值，對(duì)一段磨礦過(guò)程的基礎(chǔ)控制回路設(shè)定值進(jìn)行修正。

圖3 磨礦過(guò)程智能優(yōu)化控制策略結(jié)構(gòu)圖

關(guān)鍵工藝參數(shù)軟測(cè)量模型包括二段磨礦粒度軟測(cè)量模型、一段磨礦粒度軟測(cè)量模型、一段磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量模型和磨機(jī)負(fù)荷推理模型。其中二段磨礦粒度軟測(cè)量模型采用基于案例推理的軟測(cè)量算法對(duì)二段磨礦粒度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)；一段磨礦粒度軟測(cè)量模型采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一段磨礦粒度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)。一段磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量模型根據(jù)球磨機(jī)的給礦量、返砂水流量、螺旋分級(jí)機(jī)電流等過(guò)程輸入輸出數(shù)據(jù)，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與物料平衡相結(jié)合算法，給出當(dāng)前磨礦質(zhì)量濃度的在線估計(jì)值。建立磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量模型的目的在于解決磨礦質(zhì)量濃度無(wú)法用儀表直接在線測(cè)量的問(wèn)題，以保證適宜的磨礦質(zhì)量濃度從而使得球磨機(jī)的磨礦效率達(dá)到最佳。

磨機(jī)負(fù)荷推理模型根據(jù)一段球磨機(jī)有功功率，螺旋分級(jí)機(jī)電流，球磨機(jī)給礦量等過(guò)程輸入輸出數(shù)據(jù)，采用模糊推理算法，給出當(dāng)前磨機(jī)負(fù)荷的估計(jì)值，并將磨機(jī)負(fù)荷的估計(jì)值輸入一段磨礦智能設(shè)定模塊，作為優(yōu)化設(shè)定的約束條件。

3 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施及應(yīng)用效果

某大型赤鐵礦選礦廠年處理鐵礦石5×106t，其磨礦工序具有8個(gè)系列的一段球磨機(jī)和7個(gè)系列的二段球磨機(jī)。所處理的礦石礦物組成復(fù)雜，鐵礦物嵌布粒度細(xì)，屬弱磁性難選礦石。以往磨礦的生產(chǎn)主要由操作員通過(guò)眼看、手摸、耳聽(tīng)等手段進(jìn)行操作，往往等發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量有問(wèn)題后才進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，生產(chǎn)波動(dòng)較大，操作不穩(wěn)定，生產(chǎn)質(zhì)量難以保證，影響正常作業(yè)。

結(jié)合選礦廠生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，設(shè)計(jì)實(shí)施了磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用美國(guó)AB公司的Controllogix5000系統(tǒng)，基于RSview32，VBA等組態(tài)開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了監(jiān)控軟件、過(guò)程控制軟件和優(yōu)化控制軟件，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制系統(tǒng)和過(guò)程管理系統(tǒng)的集成。

磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)取得了顯著的應(yīng)用成效，圖4和圖5分別給出了一段和二段磨礦過(guò)程的控制效果曲線，各輸出變量跟蹤各自的優(yōu)化設(shè)定值。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)有效地避免了人為主觀因素對(duì)磨礦運(yùn)行過(guò)程造成的影響，保證了磨礦生產(chǎn)的平穩(wěn)、安全和高效運(yùn)行，明顯改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作環(huán)境；系統(tǒng)自動(dòng)投運(yùn)以來(lái)，球磨機(jī)的臺(tái)時(shí)處理量提高0.7t/h，二次磨礦粒度從原來(lái)的72.98%提高到75.90%，提高了2.92個(gè)百分點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)磨礦過(guò)程當(dāng)中存在的大慣性、時(shí)變、非線性、工藝參數(shù)（磨礦粒度、磨礦質(zhì)量濃度、磨機(jī)負(fù)荷）難以在線測(cè)量等綜合復(fù)雜性，提出了由磨礦智能優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)和磨礦回路控制系統(tǒng)組成的實(shí)現(xiàn)磨礦粒度和磨機(jī)處理量?jī)?yōu)化控制的磨礦過(guò)程智能優(yōu)化控制策略。結(jié)合選礦廠生產(chǎn)過(guò)程，提出了由智能優(yōu)化控制系統(tǒng)、運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)組成的兩層結(jié)構(gòu)的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以推廣到鋼鐵、有色金屬、選礦、水泥等行業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程，有廣闊應(yīng)用前景。