基于某礦山磨礦過程專家系統(tǒng)的應用

張 雄 關(guān)長亮 姜新濤 楊 馳 馮賀林

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

基于某礦山磨礦過程專家系統(tǒng)的應用

張 雄 關(guān)長亮 姜新濤 楊 馳 馮賀林

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

某礦山選礦廠為實現(xiàn)磨礦過程的全自動化并為現(xiàn)場提供智能解決方案，采用了專家系統(tǒng)控制技術(shù)。該專家系統(tǒng)界面由C#編寫，內(nèi)核算法主要由matlab實現(xiàn)，并交互數(shù)據(jù)庫、OPC通訊、模糊控制等技術(shù)混合開發(fā)；具有運行控制、變量管理、軟測量、規(guī)則庫管理、學習庫、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)日志等功能；專家系統(tǒng)運行界面可實時給出調(diào)度人員現(xiàn)場各控制對象的控制方案，用戶可實時查看優(yōu)化系統(tǒng)中所有被控量的當前值和建議值，以及相關(guān)過程狀態(tài)的當前值，同時可查看各過程狀態(tài)變量過去一段時間的歷史曲線，以及各個被控對象控制效果的歷史曲線。該專家系統(tǒng)的應用有效提高了選廠磨礦的自動化控制水平，達到了提高生產(chǎn)率、降低能耗、減少生產(chǎn)故障的目的。

磨礦過程 專家系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 模糊控制 OPC通訊

磨礦自動化技術(shù)隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展而不斷進步。磨礦自動化初期控制方式主要以人工操作為主，自動檢測儀表為輔。到20世紀60年代中期，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字PID的發(fā)展，磨礦過程進入了數(shù)字控制時代，初步實現(xiàn)了給礦量的自動調(diào)節(jié)。到了70年代中后期，隨著DCS技術(shù)和現(xiàn)場檢測儀表的發(fā)展，磨礦自動化技術(shù)進入大規(guī)模集散控制時代，80年代以后，磨礦自動化技術(shù)主要向智能化控制發(fā)展[1]。

在磨礦過程控制系統(tǒng)的研究中，南非、澳大利亞、加拿大等國家一直處于領先地位。國外的磨礦自動化研究現(xiàn)狀是通過把計算機技術(shù)與先進的控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了高水平的磨礦過程智能優(yōu)化控制。而我國在磨礦自動控制領域起步較晚，70年代中后期才正式開始選礦自動控制的研究工作。雖然目前我國的磨礦技術(shù)比70年代中后期有了飛躍的發(fā)展，但國內(nèi)磨礦自動化技術(shù)基本都是基于簡單數(shù)字控制或單變量 PID控制，并沒有在綜合智能控制的方向上取得較大的突破。某些選礦廠引進的國外磨礦控制系統(tǒng)又過分依賴于先進機械設備，因此不能很好的與國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀相融合。少數(shù)實現(xiàn)自動控制的企業(yè)也只能保證整個磨礦機組的穩(wěn)定性控制，難以實現(xiàn)智能優(yōu)化控制[2]。隨著我國經(jīng)濟、科技、技術(shù)水平等的飛速發(fā)展，我國諸多礦山企業(yè)對生產(chǎn)管理水平的要求已不再局限于現(xiàn)狀，節(jié)約資源、降低成本、提高生產(chǎn)率、提高金屬回收率等都成為日常管理必不可少的重要課題[3]?，F(xiàn)有的自動化水平已經(jīng)滯后于我國礦山行業(yè)的發(fā)展要求，因此對選礦自動化采用專家系統(tǒng)控制技術(shù)已經(jīng)勢在必行。

1 工藝流程簡介

某礦山選礦廠磨礦過程為半自磨+球磨+破碎工藝(以下簡稱SABC流程)，先由采礦車將礦石運輸?shù)叫仄扑闄C進行破碎，破碎產(chǎn)品經(jīng)運輸皮帶運到儲礦堆進行堆積。然后原礦從儲礦堆經(jīng)過3#皮帶機進入半自磨機，半自磨機排礦進入直線篩，篩上產(chǎn)品經(jīng)過4#皮帶機、5#皮帶機進入頑石緩沖倉，經(jīng)過頑石緩沖倉下的給料機送入6#-1和6#-2皮帶機，經(jīng)由皮帶進入圓錐破碎機，圓錐破碎機排料進入半自磨機給料皮帶。最后直線篩篩下產(chǎn)品進入砂泵池，由變頻砂泵打入到水力旋流器組進行分級，沉砂部分進入到球磨機，球磨機排礦返回到旋流器給礦砂泵池，旋流器溢流產(chǎn)品進入到浮選。其SABC工藝流程見圖1。

圖1 磨礦工藝流程

2 專家系統(tǒng)的設計目的及控制目標

該專家系統(tǒng)的設計目的為：與自動化操作條件下相比，提高磨機處理臺時5～12個百分點；在保證溢流粒度合格的前提下，提高旋流器溢流粒度的穩(wěn)定性。

該專家系統(tǒng)的控制目標為：磨礦粒度-0.074 mm粒級含量占60%～65%；旋流器溢流濃度為40%～50%；在旋流器溢流濃度與磨礦粒度滿足要求的條件下，使磨機的處理能力最大化，同時由于下游浮選流程的限制，對磨機的最大處理能力進行限制；在保證溢流粒度合格的前提下，提高旋流器溢流粒度的穩(wěn)定性，保持在5%以上。

3 專家系統(tǒng)引入的優(yōu)勢

磨礦智能化平臺及專家優(yōu)化系統(tǒng)是大數(shù)據(jù)結(jié)合專家思想[4]，通過先進的算法(模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡技術(shù))來實現(xiàn)優(yōu)化控制的智能平臺[5-6]。在流程優(yōu)化控制的基礎上，可實現(xiàn)以下功能：保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性；增加處理量，提高回收率和產(chǎn)品質(zhì)量；減少生產(chǎn)成本和能源消耗；減少操作工能力水平對工藝流程的影響。

4 專家系統(tǒng)及其在選礦過程中的實現(xiàn)

4.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能研究的主要領域，專家系統(tǒng)的力量來自于它強大又豐富的知識庫和處理知識的推理機制。其實質(zhì)是一個計算機程序系統(tǒng)，能夠以某一領域?qū)＜业乃浇鉀Q該領域的復雜問題[7-8]。

磨礦智能優(yōu)化平臺(專家系統(tǒng))是以流程為主的系統(tǒng)控制優(yōu)化平臺，在保證系統(tǒng)連續(xù)安全穩(wěn)定運行的前提下，提高選礦廠產(chǎn)品的回收率、粒度合格率、降低能源消耗等指標[9]。優(yōu)化平臺的核心控制理念是模糊控制，根據(jù)現(xiàn)場工藝的特點和要求，結(jié)合專家的控制經(jīng)驗，共同制定模糊推理機制，對現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵變量和指標進行自動控制和調(diào)整，達到優(yōu)化整個系統(tǒng)的目的[10]。專家系統(tǒng)功能見圖2。

圖2 專家系統(tǒng)功能

4.2 優(yōu)化控制平臺

優(yōu)化控制平臺的主要功能有：規(guī)則庫的啟動、停止控制；規(guī)則庫信息交互、控制效果查看；計算結(jié)果的傳送與顯示。其控制內(nèi)容為：磨機給礦量優(yōu)化控制，磨機磨礦濃度優(yōu)化控制，旋流器溢流粒度控制。優(yōu)化控制平臺的界面見圖3。

圖3 優(yōu)化控制平臺界面

4.3 變量管理

變量管理環(huán)節(jié)作為專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源的重要組成部分，主要采用C#與OPC通訊以及C#與數(shù)據(jù)庫交互等技術(shù)，可對數(shù)據(jù)采集與保存，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)點添加、刪除、修改、自定義變量的設置、數(shù)據(jù)變量的上下限設置、數(shù)據(jù)變量歸檔與采集頻率設置、數(shù)據(jù)變量濾波除噪方法等功能。變量管理界面見圖4。

4.4 軟測量

軟測量的基本思想是把自動控制理論與生產(chǎn)過程知識有機結(jié)合起來，應用計算機技術(shù)對難以測量或暫時無法測量的重要變量，選擇其他一些可測量變量，通過構(gòu)造某種數(shù)學模型，從而來推斷或估計該變量，以軟件來代替硬件的功能。該部分通過軟測量模型建立、修改、刪除、軟測量模型輸入、輸出變量配置、軟測量模型參數(shù)與權(quán)重配置、軟測量模型效果展示(曲線圖與數(shù)據(jù)表格共同顯示)，完成軟測量任務，軟測量訓練方法主要提供ESN(回聲狀態(tài)網(wǎng)絡)、SVM(支持向量機)、SCM(樣本特征匹配)3種方法。軟測量界面見圖5。

4.5 規(guī)則庫管理

規(guī)則庫主要用于存取和管理所獲取的專家知識和經(jīng)驗，供推理系統(tǒng)利用，關(guān)鍵因素在于：一是識別領域規(guī)則的基本結(jié)構(gòu)和特點，尋找合適的規(guī)則表示方法；二是確定適當?shù)囊?guī)則庫存儲結(jié)構(gòu)；三是抽取領域規(guī)則轉(zhuǎn)化成計算機可識別的代碼；四是調(diào)試精練規(guī)則庫。從而實現(xiàn)模糊規(guī)則新建、編輯、刪除、輸入輸出、自定義變量的配置、變量模糊化(隸屬度函數(shù)選擇、參數(shù)配置)、模糊規(guī)則編輯、模糊規(guī)則調(diào)試與模擬輸出、模糊規(guī)則自學習添加、調(diào)試過程與模擬輸出結(jié)果圖形展示等功能。規(guī)則庫界面見圖6。

圖4 變量管理界面

圖5 軟測量臺界面

4.6 學習庫

學習庫對規(guī)則的實時修正，以及磨礦的一些參數(shù)自學習從而實現(xiàn)對磨礦過程的一些狀態(tài)以及故障的預估有很重要的意義，具體主要有模糊規(guī)則學習和軟測量模型訓練兩個功能。學習庫界面見圖7。

4.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是指用適當?shù)慕y(tǒng)計分析方法對收集來的大量數(shù)據(jù)進行分析，提取有用信息和形成結(jié)論而對數(shù)據(jù)加以詳細研究和概括總結(jié)的過程，這一過程也是質(zhì)量管理體系的支持過程。在實用中，數(shù)據(jù)分析可幫助人們作出判斷，以便采取適當行動。該部分主要可實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計評價等。數(shù)據(jù)分析界面見圖8。

圖6 規(guī)則庫管理界面

圖7 學習庫界面

5 專家控制系統(tǒng)接口

專家系統(tǒng)通過與DCS系統(tǒng)的接口，實現(xiàn)選礦工藝流程的自動化控制。磨礦專家系統(tǒng)通過以下方式實現(xiàn)與DCS系統(tǒng)的通信。

(1)DCS系統(tǒng)預留有以太網(wǎng)接口，以供與專家控制系統(tǒng)實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。專家控制系統(tǒng)通過OPC通信方式實現(xiàn)與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交互。

(2)專家控制系統(tǒng)自動讀取DCS的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對當前數(shù)據(jù)進行分析，提出優(yōu)化設定值。專家控制系統(tǒng)將優(yōu)化設定值發(fā)送到組態(tài)軟件的指定界面上進行顯示，并由操作員確認后(點擊組態(tài)上的優(yōu)化參數(shù)確認按鈕)傳輸給DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)將優(yōu)化設定值輸入到相關(guān)的設定值，并執(zhí)行該設定值。當操作員不確認的話，專家控制系統(tǒng)只顯示，不控制。

圖8 數(shù)據(jù)分析界面

(3)專家控制系統(tǒng)自動讀取DCS的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對當前操作指令進行分析，給出指令對磨礦流程的影響預測值，用于分析指令對磨礦流程的影響(正面的或者負面的)，并對操作員的操作方法正確與否進行評估。

6 結(jié) 語

某礦山選礦廠針對磨礦過程的特點，研究開發(fā)了磨礦全流程專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)集優(yōu)化控制平臺、變量管理、知識庫、學習庫、軟測量、數(shù)據(jù)分析為一體。經(jīng)現(xiàn)場應用實踐表明，該專家系統(tǒng)有效提高了選礦廠的磨礦自動化控制水平，為其他同類礦山的自動化改造提供了參考借鑒。

[1] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清華大學出版社，2008.

[2] 王豐雨.磨礦分級作業(yè)混合控制系統(tǒng)研究[D].貴州：貴州大學，2007.

[3] 王澤紅，陳炳辰.球磨機負荷檢測的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國粉體技術(shù)，2001，18(4):22-24.

[4] Dayong Zhang，Tianyou CHai. Intelligent optimal control system for ball mill grinding process[J].Control Theory and Application，2013(3)：454-462.

[5] 傅京孫，蔡自興，徐光枯．人工智能及其應用[M].3版.北京：清華大學出版社，2004.

[6] 邢傳鼎，楊家明，任慶生．人工智能原理及應用[M].1版.上海：東華大學出版社，2005.

[7] 黃之初，黎水平.磨機負荷專家模糊控制原理及實現(xiàn)方法[J].礦冶工程，1996(16)：22-25.

[8] Dubois D，Hullermeier E，Prade H. Fuzzy Set-based Methods in Instance-based Reasoning[J].IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2002，10(3)：322-332.

[9] 沙亞紅，常太華.球磨機負荷檢測方法綜述[J].現(xiàn)代電力，2006，15(2):234-236.

[10] Kolaez J. Measurement system of the mill charge in grinding ball mill circuits[J].Minerals Engineering，1997，10(12):1329-1338.

2015-03-10)

張 雄(1976—)，男，首席設計師，118002 遼寧省丹東市濱江中路136號。