磨礦過(guò)程監(jiān)視與優(yōu)化軟件系統(tǒng)

GE智能平臺(tái)

引言

現(xiàn)在，礦業(yè)公司面對(duì)著越來(lái)越大的降低成本、增加產(chǎn)量、提升效益的要求。同時(shí)，原始礦石的等級(jí)和質(zhì)量卻在變差，波動(dòng)也較大，所以必須要通過(guò)優(yōu)化來(lái)提升整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的性能，來(lái)達(dá)到經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

工廠的自動(dòng)化系統(tǒng)越來(lái)越傾向于基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，搭建集成監(jiān)視系統(tǒng)，來(lái)解決選礦過(guò)程優(yōu)化的問(wèn)題。這個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，整合不同的角色和任務(wù)，包括：IT、自動(dòng)化、過(guò)程維護(hù)和生產(chǎn)運(yùn)行等。

將自動(dòng)化系統(tǒng)和先進(jìn)分析進(jìn)行整合，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，降低關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)。最終，隨著產(chǎn)量和收得率的提高，礦山的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)相應(yīng)提升。如下是一個(gè)位于南非金礦的實(shí)際案例，這里就實(shí)施了一個(gè)生產(chǎn)集中監(jiān)控和過(guò)程優(yōu)化的軟件平臺(tái)。

項(xiàng)目介紹

現(xiàn)在金礦行業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，影響行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也影響新建項(xiàng)目的投資?，F(xiàn)在的金礦資源品質(zhì)越來(lái)越差，礦石性質(zhì)波動(dòng)越來(lái)越大，從而引起選礦難度也越來(lái)越大。例如，某南非大型金礦的平均等級(jí)從高于4.5～5g/t降低到3g/t之下，如圖1所示。由于資源的變差，產(chǎn)量也相應(yīng)降低。同時(shí)，各種安全、健康和環(huán)境方面的法律、規(guī)章也越來(lái)越嚴(yán)格，給礦業(yè)帶來(lái)更大的壓力。

圖1 南非2002年到2011年金礦礦石處理量和礦石等級(jí)的對(duì)比圖

眾所周知，要想提高一個(gè)礦業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，一是要提高通過(guò)量，二是提高收得率。盡管也有人在開發(fā)一些新的選礦、冶煉提取的新技術(shù)，但是應(yīng)用并不普遍，比較現(xiàn)實(shí)的辦法仍然是提高現(xiàn)有生產(chǎn)線的操作水平，這包括提高生產(chǎn)效率。這些思想已經(jīng)在一些先進(jìn)的礦業(yè)生產(chǎn)理念中得到體現(xiàn)，比如：“未來(lái)工廠”、“智能工廠”、“敏捷工廠”。這些理念的一致目標(biāo)就是：整合現(xiàn)在已經(jīng)相對(duì)成熟的各種管理理念和操作方法，形成統(tǒng)一管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)精益運(yùn)行。

在此篇文章里，會(huì)討論一種磨礦過(guò)程優(yōu)化的策略。這個(gè)策略的基礎(chǔ)是一個(gè)集中平臺(tái)，監(jiān)視資產(chǎn)的運(yùn)行效率；通過(guò)先進(jìn)控制達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定，優(yōu)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的KPI。在磨礦環(huán)節(jié)中，監(jiān)控的重要目標(biāo)有[2]：

? 過(guò)程穩(wěn)定性：過(guò)程穩(wěn)定是性能持續(xù)提升的前提。在磨礦過(guò)程中，過(guò)程穩(wěn)定意味著可靠的磨礦質(zhì)量和良好的運(yùn)行參數(shù)，比如流量、密度、旋流器壓力。

? 通過(guò)量最大： 提高通過(guò)量，會(huì)幫助提高經(jīng)濟(jì)效益。需要監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)，維護(hù)好設(shè)備的參數(shù)，來(lái)保證最大的通過(guò)量。例如，磨機(jī)過(guò)載會(huì)顯著影響生產(chǎn)[6]。

? 最優(yōu)的能源使用：磨礦是一個(gè)非常耗能的生產(chǎn)過(guò)程，通常的運(yùn)行成本的50%是能耗[5]。但是，僅有總電耗的10%是真正用在了用來(lái)縮小礦石的尺寸。因此，在磨礦過(guò)程中降低能耗顯得尤為重要[7]。

通常人們可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，比如數(shù)據(jù)采集、分析和決策，但是這并不能及時(shí)轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)效率的提升，比如過(guò)程改進(jìn)、可用性提高、可靠性提高、收得率提高。通過(guò)一個(gè)將自動(dòng)化系統(tǒng)整合在一起的平臺(tái)，進(jìn)行分析與優(yōu)化，可以幫助實(shí)現(xiàn)：

? 應(yīng)用自動(dòng)診斷技術(shù)，快速定位過(guò)程波動(dòng)原因；

? 快速響應(yīng)，將實(shí)時(shí)分析的結(jié)果應(yīng)用于控制行為；

? 通過(guò)實(shí)時(shí)設(shè)定點(diǎn)優(yōu)化和APC（先進(jìn)過(guò)程控制），使性能達(dá)到設(shè)計(jì)的最高值，降低單位礦石處理的能耗；

? 通過(guò)安裝傳感器，監(jiān)視磨機(jī)、泵、電機(jī)的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能降低的情況，快速修理故障。

下面的章節(jié)，詳細(xì)說(shuō)明磨礦過(guò)程整合優(yōu)化平臺(tái)的功能模塊，包括控制回路監(jiān)視、APC等。

解決方案

本整合平臺(tái)包含生產(chǎn)監(jiān)控、性能優(yōu)化等方面?；诘募夹g(shù)包括預(yù)測(cè)性分析和診斷、基于APC的全廠集中控制優(yōu)化、控制回路監(jiān)視等。

（1）常規(guī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)用來(lái)規(guī)范系統(tǒng)的指標(biāo)，來(lái)達(dá)到工藝的目的。反饋控制是使用非常廣泛的控制方法，根據(jù)目標(biāo)值和實(shí)測(cè)值的偏差來(lái)給出相應(yīng)的控制方案。通常來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)擁有一定的機(jī)動(dòng)能力，通過(guò)施加相反的影響來(lái)使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。圖2揭示了反饋控制的基本框架。

圖2 反饋控制過(guò)程示意圖

（2）控制回路監(jiān)視

在現(xiàn)在的選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，經(jīng)常有幾百、幾千個(gè)控制回路?？刂苹芈吠ㄟ^(guò)施加反向的影響使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)的功能就是使工廠生產(chǎn)更加可控、可預(yù)測(cè)，降低過(guò)程波動(dòng)。但是，在實(shí)踐中，相當(dāng)大比例的控制回路的性能不理想，可能的原因是閥門的故障所引起的波動(dòng)、或者負(fù)載波動(dòng)、或者是其他設(shè)備及設(shè)計(jì)引起問(wèn)題[3]。不理想的控制，導(dǎo)致過(guò)程變化加劇，同時(shí)會(huì)影響通過(guò)量和效率。特別是，控制不理想會(huì)帶來(lái)泵的效率降低，使設(shè)備損耗加劇，可能引起設(shè)備停機(jī)、礦漿溢出等不良狀況的出現(xiàn)，進(jìn)而影響降低工廠的可用性和可靠性。

所以，自動(dòng)獲取和監(jiān)視控制回路的性能就顯得很有必要，對(duì)保證工廠生產(chǎn)平穩(wěn)、可以預(yù)測(cè)非常重要。監(jiān)視的重要PID參數(shù)有：PID發(fā)生超限的運(yùn)行時(shí)間，操作值的可行范圍，PID在各種狀態(tài)的時(shí)間（手動(dòng)、自動(dòng)、級(jí)聯(lián)和停止）。

在本案例提到的磨機(jī)過(guò)程中，監(jiān)視了如下一些控制回路：磨機(jī)出料泵，磨機(jī)負(fù)荷控制，過(guò)程進(jìn)水閥門，出料補(bǔ)水閥門，磨機(jī)篩噴水。

（3）先進(jìn)過(guò)程控制

選礦過(guò)程是一個(gè)高度非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在其中，很多材料的參數(shù)需要控制和監(jiān)視，但是分散在許多設(shè)備當(dāng)中，也不容易測(cè)量。比如磨礦過(guò)程中礦石的可選性、質(zhì)地，浮選過(guò)程中的疏水性。另外，關(guān)鍵操作參數(shù)如磨機(jī)負(fù)載、礦漿流變學(xué)、粒度分布、泡沫特性等參數(shù)不穩(wěn)定，也難于可靠測(cè)量。

因?yàn)檫^(guò)程的復(fù)雜性、測(cè)量的不穩(wěn)定性，基于PID的簡(jiǎn)單的控制策略很難達(dá)到磨礦和浮選的控制要求。使用一個(gè)先進(jìn)控制方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些礦業(yè)的典型問(wèn)題就顯得很有必要，這樣一個(gè)方案更能適應(yīng)選礦過(guò)程的擾動(dòng)。這個(gè)APC解決方案，包括模型預(yù)測(cè)控制（MPC），越來(lái)越成為傳統(tǒng)PID控制的更高層次的提升（Smith等，2004）。

圖3顯示了一個(gè)典型的磨礦過(guò)程。盡管進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但是仍然能看到本整合方案做過(guò)程優(yōu)化的脈絡(luò)。

圖3 一個(gè)簡(jiǎn)化的選礦過(guò)程的流程圖和反饋控制圖。序號(hào)代表了幾個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)APC的方向：（1）磨機(jī)負(fù)載控制；（2）磨機(jī)電力負(fù)荷優(yōu)化；（3）磨機(jī)內(nèi)部密度預(yù)測(cè)和控制；（4）礦漿池液位和密度控制；（5）旋流器裝料控制

（4）磨機(jī)負(fù)載控制

通常，給磨機(jī)加料是依靠傳送皮帶把礦倉(cāng)的礦石送入到磨機(jī)中，喂料量多少和皮帶的工作直接相關(guān)。為了保證選礦生產(chǎn)的通過(guò)量，有一套控制系統(tǒng)來(lái)控制皮帶的給料量設(shè)定值。傳送帶上的礦石到進(jìn)入磨機(jī)，中間有一段距離。所以，要實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的理想控制，就必須考慮控制器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)和過(guò)程響應(yīng)之間的延遲現(xiàn)象。另外，礦石尺寸的變化、喂料堵塞等情況都會(huì)使控制變得更加復(fù)雜。使用傳統(tǒng)的PID控制，因?yàn)榭刂破鞯难舆t反映的影響，需要將通過(guò)量設(shè)定進(jìn)行一定調(diào)低?；谀Ｐ偷腁PC控制，依靠Smith預(yù)測(cè)來(lái)應(yīng)對(duì)過(guò)程延遲，并將其在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。這樣的考慮增加了控制的可靠性，增強(qiáng)了對(duì)礦石尺寸變化等的魯棒性。

（5）魔機(jī)電力負(fù)荷優(yōu)化

磨機(jī)負(fù)荷和功率吸收的關(guān)系對(duì)比圖如圖4 所示[4]，開始時(shí)，功率吸收隨著磨機(jī)負(fù)荷的增大一直變高，直到到達(dá)最高點(diǎn)，之后功率吸收逐漸下降。功率吸收曲線會(huì)隨著磨機(jī)的裝球量、磨機(jī)內(nèi)襯、礦石的變化而左右或上下移動(dòng)。在給定的條件下，可以通過(guò)優(yōu)化操作來(lái)使功率吸收最大化，也就是磨礦質(zhì)量最優(yōu)、通過(guò)量最大。所以，磨礦的目標(biāo)就是優(yōu)化磨礦質(zhì)量或者是說(shuō)功率吸收曲線處于最優(yōu)點(diǎn)，欠載、過(guò)載都會(huì)有不好的效果。如果發(fā)生過(guò)載，除了磨礦質(zhì)量的變差，還會(huì)影響磨機(jī)出料[6]。 使用了負(fù)荷控制器，磨機(jī)運(yùn)行在曲線所示的峰值附近，磨機(jī)更高效，運(yùn)行成本更節(jié)約。APC系統(tǒng)使用動(dòng)態(tài)搜索算法找到負(fù)荷和功率吸收曲線的峰值，使其成為負(fù)荷的設(shè)定值，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過(guò)監(jiān)視負(fù)荷、電力變化來(lái)計(jì)算新的峰值點(diǎn)。通過(guò)這個(gè)策略，APC優(yōu)化電力消耗，提高磨礦效率，提高收得率。

圖4 負(fù)荷與功率吸收曲線。 在優(yōu)化操作點(diǎn)（Loptimal），磨機(jī)的狀態(tài)處于最佳。在這個(gè)點(diǎn)，磨機(jī)效率最好，磨礦介質(zhì)運(yùn)行最好。峰值點(diǎn)的兩邊是兩個(gè)不理想的區(qū)域：欠載區(qū)和過(guò)載區(qū)

（6）磨機(jī)內(nèi)部密度預(yù)測(cè)和控制

使用APC磨礦過(guò)程的性能可以通過(guò)磨機(jī)的出料密度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這就需要經(jīng)常進(jìn)行取樣和測(cè)量。不幸的是，在很多工廠，這樣的測(cè)量不能完全實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)沒有安裝自動(dòng)測(cè)量的密度計(jì)。要實(shí)現(xiàn)磨機(jī)內(nèi)密度的APC控制，就需要出料密度估計(jì)的來(lái)評(píng)判磨礦的性能。部署軟測(cè)量功能來(lái)估計(jì)密度，協(xié)調(diào)磨機(jī)與礦漿池之間的物料平衡。還需要定期的手工測(cè)量，來(lái)修正軟測(cè)量預(yù)測(cè)的精度。根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的密度值來(lái)控制加水稀釋的流量，來(lái)使密度達(dá)到理想狀態(tài)。

（7）礦漿池液位和密度控制

礦漿池用來(lái)協(xié)調(diào)上下游之間的物料流動(dòng)，達(dá)到平抑波動(dòng)的效果。比如，礦漿的質(zhì)量和流量的波動(dòng)都會(huì)影響旋流器的分離效果。礦漿池的控制，就是使進(jìn)入旋流器的流量和密度更加穩(wěn)定。PID控制時(shí)會(huì)把礦漿池的液位設(shè)定成一個(gè)固定的值。但是，這樣的機(jī)制不能兼容流量突然的大規(guī)模變化。然而，這種大規(guī)模的流量變化會(huì)沖擊旋流器的性能。為了避免出現(xiàn)旋流器性能變差的情況，我們實(shí)行了APC控制流量突變控制，使液位在40%-60%的范圍內(nèi)變動(dòng)。當(dāng)液位變化超出這個(gè)范圍時(shí)，控制器進(jìn)行強(qiáng)有力反映，使液位回歸到設(shè)定范圍。通過(guò)這些措施，上游的流量突變，得到控制和平衡，避免影響下游，從而保證旋流器的壓力和流量的穩(wěn)定。由于礦漿池尺寸的緣故，礦漿池液位控制要保證礦漿池不能溢滿也不能斷流，否則將是嚴(yán)重的生產(chǎn)不穩(wěn)定甚至是事故。除了使流量穩(wěn)定，礦漿密度通過(guò)補(bǔ)水來(lái)使其穩(wěn)定，受到控制。

傳統(tǒng)的PID控制，主要考慮礦漿池的液位，使其接近于設(shè)定值，對(duì)從此流出、流到旋流器的流量、密度不予考慮。 受制于礦漿池的容量，礦漿密度是不予直接控制的。為了達(dá)到既能控制礦漿池液位（可控量）、又能控制密度（過(guò)程參數(shù)）的目的，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于規(guī)則的密度控制算法。

這些APC基于現(xiàn)有控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)給出PID的設(shè)定值的建議值來(lái)提升現(xiàn)有控制系統(tǒng)的水平。通常，設(shè)定值的建議值通過(guò)操作員的操作來(lái)輸出到控制系統(tǒng)。由此，使這個(gè)APC系統(tǒng)成為一個(gè)安全可靠的控制系統(tǒng)，可以防止出現(xiàn)故障的情況，比如通信中斷。系統(tǒng)建立了一個(gè)心跳信號(hào)來(lái)監(jiān)視APC和PLC中PID層之間的通信。

結(jié)果與討論

本文講述了一個(gè)實(shí)際的過(guò)程監(jiān)視與優(yōu)化解決方案。

（1）設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)視

故障檢測(cè)傳感器，控制回路監(jiān)視與分析。如圖5所示，通過(guò)監(jiān)視PID回路狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在自動(dòng)或串級(jí)模式運(yùn)行時(shí)，旋流器入料泵超過(guò)限值。

圖5 旋流器控制回路性能概覽，尤其在故障傳感器發(fā)現(xiàn)出問(wèn)題時(shí)更有用。經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超限的情況占7%。當(dāng)超限突然躍升到8%時(shí)，顯示過(guò)程出了問(wèn)題，同時(shí)，也要查看設(shè)備是否出了故障

（2）過(guò)程穩(wěn)定和優(yōu)化

通過(guò)比較實(shí)施前后的結(jié)果，分析APC解決方案的性能。一個(gè)時(shí)間段是APC運(yùn)行前一個(gè)月，僅有PID調(diào)節(jié)和手工操作，一個(gè)時(shí)間段實(shí)施先進(jìn)的磨礦過(guò)程后的一個(gè)月。表1顯示了APC實(shí)施前后的效果，后邊內(nèi)容會(huì)詳細(xì)討論。

（3）磨機(jī)負(fù)荷控制

如前所述磨機(jī)負(fù)荷控制是整個(gè)APC優(yōu)化的一個(gè)組成部分，減少了控制動(dòng)作和過(guò)程響應(yīng)之間的時(shí)間差，使操作動(dòng)作更能適應(yīng)影響過(guò)程波動(dòng)。圖6顯示使用APC控制，目標(biāo)值的分布范圍更窄，說(shuō)明APC控制更加精確。在直方圖中，左側(cè)邊緣的部分說(shuō)明發(fā)生了喂料問(wèn)題，由于喂料系統(tǒng)堵塞而影響了喂料能力和時(shí)間。雖然APC不能完全避免這些波動(dòng)，但是APC能比PID更接近的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。實(shí)施APC后，負(fù)載波動(dòng)會(huì)降低5.5%。

圖6 APC控制時(shí)的負(fù)荷差的分布圖

表1 實(shí)施APC前后性能的比較

（4）磨機(jī)負(fù)荷優(yōu)化

磨機(jī)負(fù)荷優(yōu)化使磨機(jī)的性能更加接近磨機(jī)的電力-負(fù)荷曲線的峰值，這會(huì)帶來(lái)磨機(jī)效率的提升[8]。 圖7顯示了實(shí)施APC前后的估計(jì)電力-負(fù)荷曲線散點(diǎn)圖，這些點(diǎn)代表了密度分布的情況。比較兩組點(diǎn)，APC控制結(jié)果會(huì)靠近電力-負(fù)荷曲線的峰值，效果會(huì)好于PID控制。表1中表明了效率提高和能耗降低的情況。實(shí)施APC后，礦石處理量提高了5.5%。

圖7 PID控制（上邊）和APC控制（下邊）的電力-負(fù)荷曲線?？梢钥吹綄?shí)施APC后，曲線向右移了

（5）磨機(jī)內(nèi)密度控制

在實(shí)施APC以前，磨機(jī)內(nèi)的密度由操作員根據(jù)定期采樣結(jié)果進(jìn)行手工控制。不幸的是，這些信息沒有電子記錄，磨機(jī)內(nèi)的密度性能沒有比較分析的依據(jù)。磨機(jī)內(nèi)密度控制可以直接影響磨礦效率。磨機(jī)內(nèi)密度的優(yōu)化可以帶來(lái)磨礦效率的提升和能源使用效率的改善。磨機(jī)內(nèi)密度的控制依靠軟策略技術(shù)，來(lái)估計(jì)兩次人工采樣之間的密度。人工測(cè)量的密度和軟測(cè)量估計(jì)的密度的吻合度是70%。通過(guò)密度軟測(cè)量線性估計(jì)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)內(nèi)密度的實(shí)時(shí)控制。

圖8 使用PID控制（上邊）和APC控制（下邊）的旋流器喂料密度分布估計(jì)

（6）礦漿池密度和旋流器喂料流量控制

礦漿池的控制目標(biāo)就是穩(wěn)定旋流器的喂料量，旋流器喂料的密度、流量的穩(wěn)定可以保證旋流器可靠運(yùn)行、更好的分離效果。圖8顯示了APC實(shí)施前后礦漿池的密度分布。APC可以更好的控制密度圍繞設(shè)定值分布。如表1所概括的一樣，使用APC后，礦漿池的密度變化降低13%。在分析階段就發(fā)現(xiàn)，向旋流器打入礦漿的泵的狀態(tài)顯著影響進(jìn)入旋流器的礦漿的流量，同時(shí)也給礦漿池的密度和液位保持固定帶來(lái)負(fù)面影響。不考慮這個(gè)波動(dòng)，旋流器的控制會(huì)精確而穩(wěn)定。

如前所述，控制系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)被優(yōu)化，來(lái)保證礦漿密度。比較本系統(tǒng)實(shí)施前后的流量，發(fā)現(xiàn)某一時(shí)間段，該流量設(shè)定值的變化量從46.5m3/h降低到27.8m3/h。比起單純的PID控制，該APC解決方案使流量設(shè)定值更可預(yù)測(cè)、可控制。平均流量增加了10%。像前面討論過(guò)的，操作的波動(dòng)引起旋流器喂料量的顯著變化，也就是流量設(shè)定值的變化。通過(guò)減少這些操作波動(dòng)，旋流器流量更加穩(wěn)定、生產(chǎn)更加可靠。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述南非金礦的實(shí)際案例，顯示了該整合平臺(tái)提升了良好效果。這些功能包括設(shè)備監(jiān)視、控制回路監(jiān)視和過(guò)程優(yōu)化。通過(guò)將高級(jí)控制功能應(yīng)用于金的選礦過(guò)程，磨礦負(fù)載波動(dòng)降低5.5%，提高通過(guò)量1.8%，同時(shí)也提升了能源使用效率、增加了過(guò)程穩(wěn)定性。在如今金礦礦藏質(zhì)量持續(xù)降低的情況下，這些提升，對(duì)金礦大有好處，可以增加收得率和通過(guò)量。

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