承德某選礦廠磨機(jī)給礦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

池彥賀　王建民

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院)

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承德某選礦廠磨機(jī)給礦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

池彥賀王建民

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院)

針對磨礦分級過程的非線性、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯等特性，傳統(tǒng)的PID控制算法不能實(shí)現(xiàn)磨機(jī)給礦量的最優(yōu)控制，將模糊控制器加入到給定環(huán)節(jié)，指導(dǎo)磨礦分級系統(tǒng)最佳給礦量的設(shè)定，使傳統(tǒng)的恒值控制系統(tǒng)變成了隨動(dòng)控制系統(tǒng)。再由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化PID的參數(shù)，形成智能PID控制系統(tǒng)，使給礦量準(zhǔn)確快速跟蹤給定量?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，智能PID控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定，提高了磨機(jī)臺時(shí)處理量，降低了能耗，減少了工人的工作量，提高了選廠的經(jīng)濟(jì)效益。

磨機(jī)給礦量模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

磨礦分級作業(yè)是選礦過程的關(guān)鍵[1-2]，而其中球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢測與控制，又是磨礦分級作業(yè)的核心。磨機(jī)負(fù)荷是磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，指磨機(jī)內(nèi)部瞬時(shí)的裝載量，磨機(jī)的給礦量是磨機(jī)負(fù)荷指標(biāo)的重要組成部分[3]。中小型選礦廠采用傳統(tǒng)的PID控制器和人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法控制磨機(jī)給礦量，實(shí)時(shí)性差，穩(wěn)態(tài)誤差大，控制精度低。針對上述問題，筆者將模糊控制器加入到給定環(huán)節(jié)，通過對磨機(jī)運(yùn)行特性曲線的分析，總結(jié)出一套模糊控制規(guī)則，根據(jù)磨機(jī)現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模糊推理，輸出最佳磨機(jī)負(fù)荷值，指導(dǎo)系統(tǒng)最佳給礦量的設(shè)定。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性、可以處理非線性系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和PID算法簡單且魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的組合到一起，形成智能PID控制，對磨機(jī)給礦量實(shí)現(xiàn)了理想的控制效果。

1　磨礦工藝流程

承德某選礦廠一段磨礦分級作業(yè)有4個(gè)系列，磨礦分級作業(yè)工藝流程如圖1所示(以1#生產(chǎn)線為例)。破碎后的礦石由料倉經(jīng)下料機(jī)給到皮帶秤，然后進(jìn)入一段球磨機(jī)進(jìn)行磨礦。皮帶秤的稱重傳感器可以檢測到給料量的數(shù)值。同時(shí)根據(jù)設(shè)定好的水料比計(jì)算所需水量，球磨機(jī)加水量通過水流量計(jì)控制；球磨機(jī)排料給入螺旋分級機(jī)，螺旋分極機(jī)將粗粒級返回到球磨機(jī)，溢流顆粒進(jìn)入后續(xù)作業(yè)。

2　磨機(jī)運(yùn)行特性

球磨機(jī)運(yùn)行特性十分復(fù)雜，非線性、大時(shí)滯的特點(diǎn)導(dǎo)致磨機(jī)最優(yōu)負(fù)荷值不斷飄移[4-6]，典型的磨機(jī)負(fù)荷的大小與功率P、電流I、磨音s間的非線性關(guān)系如圖2所示。根據(jù)磨機(jī)負(fù)荷大小可以將磨礦特性曲線分成3個(gè)區(qū)域。當(dāng)0﹤t﹤t1時(shí)，磨機(jī)負(fù)荷較低，功率也不高，此時(shí)球磨機(jī)處于“空磨”狀態(tài)，臺時(shí)產(chǎn)量低且能耗高；當(dāng)t1﹤t﹤t2時(shí)，磨機(jī)負(fù)荷較高，功率也較高；當(dāng)t﹥t2時(shí)，磨機(jī)負(fù)荷較低且功率較低，并且磨機(jī)內(nèi)料量較多，磨機(jī)處于“飽磨”狀態(tài)，隨著磨機(jī)負(fù)荷的繼續(xù)增加，磨音愈發(fā)沉悶，所以容易出現(xiàn)堵磨現(xiàn)象，不但生產(chǎn)效率低而且會(huì)威脅到生產(chǎn)安全，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該盡量避免此區(qū)域出現(xiàn)。

圖1　磨礦分級工藝流程

圖2　磨機(jī)運(yùn)行特性曲線

3　磨機(jī)給礦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模糊控制對非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)有很好的控制效果。根據(jù)分析和現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)編寫控制規(guī)則。對球磨機(jī)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出一個(gè)最佳負(fù)荷點(diǎn)，也就是給礦量的給定值，然后通過智能PID控制器調(diào)節(jié)下料機(jī)的下料量以達(dá)到最佳給礦量，控制原理如圖3所示。其中給礦量的給定值為α，檢測值為β，給水量的檢測值為γ。

圖3　控制系統(tǒng)原理

由磨機(jī)運(yùn)行特性曲線，將磨音信號s、電流I、功率信號P通過斜率計(jì)算得到Ks、KI、KP。由Ks、KI、KP作為模糊控制器的輸入變量會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜，二維的模糊控制規(guī)則已不能直觀的表示，而且編寫的程序工作量會(huì)很大且不易編程，通過對球磨機(jī)運(yùn)行特性曲線的分析可以看出，最佳的磨機(jī)瞬時(shí)處理量所對應(yīng)的區(qū)域KP<0，當(dāng)KP>0時(shí)磨機(jī)處于嚴(yán)重“欠磨”狀態(tài)，需要加大料的給定。為了簡化控制規(guī)則，當(dāng)KP<0時(shí)，選取KI和Ks作為模糊控制器的輸入，選取給料量的設(shè)定值作為輸出，記做α；當(dāng)KP>0時(shí)，α以一定的步長增大給礦量的設(shè)定值，直至KP<0。

采用模糊控制器得出磨機(jī)最優(yōu)負(fù)荷所對應(yīng)的最大給礦量α，并以此作為給料輸入量，給料量采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器控制，該系統(tǒng)采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以PID的3個(gè)參數(shù)ks、kI、kp作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，優(yōu)化PID控制器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性和時(shí)變性系統(tǒng)有很好的控制效果，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID相結(jié)合，不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的處理能力和適應(yīng)能力。

選用西門子工控計(jì)算機(jī)構(gòu)成DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)由過程控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層3層結(jié)構(gòu)組成。過程控制層由2塊西門子塊和6塊 模塊組成，經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)和WinCC通信并對現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備發(fā)出控制指令；過程監(jiān)控層由WinCC組態(tài)軟件組成，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲、曲線繪制、遠(yuǎn)程儀表的控制等功能；C#控制站作為控制終端，經(jīng)由RS485與組態(tài)軟件進(jìn)行串行通訊，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳遞給C#應(yīng)用程序，將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法嵌入到C#控制站，通過對過程監(jiān)控層的數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算來指導(dǎo)給礦量的設(shè)定值，從而起到磨機(jī)給礦量最優(yōu)控制的效果。另外設(shè)置了一臺C#服務(wù)器，C#的客戶端可以訪問數(shù)據(jù)庫的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對磨礦現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)視和管理，并且可以通過瀏覽器的形式進(jìn)行訪問，為生產(chǎn)管理帶來了很大方便。

圖4　DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4　現(xiàn)場運(yùn)行效果與仿真效果

4.1現(xiàn)場運(yùn)行效果

圖5是傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)在承德某選礦廠1#生產(chǎn)線運(yùn)行效果，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)采用固定給礦量，不能保證磨機(jī)始終處于最佳負(fù)荷狀態(tài)，圖示給礦量約為65t/h，在跟蹤調(diào)節(jié)過程中有較大的波動(dòng)；圖6是智能PID控制系統(tǒng)在2#生產(chǎn)線試運(yùn)行的效果，與1#生產(chǎn)線相比，2#系統(tǒng)根據(jù)磨機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)自行調(diào)節(jié)給礦量，保障了磨機(jī)時(shí)刻處于最佳負(fù)荷狀態(tài)且不需要人為干預(yù)，當(dāng)前時(shí)間段的磨機(jī)給礦量的最低值為76t/h，最高為82t/h，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，臺時(shí)處理量提高了20%左右，而且曲線較光滑平穩(wěn)，跟蹤響應(yīng)速度快。

4.2仿真效果

為了顯示智能PID控制器的控制效果，選取二階系統(tǒng)模擬被控對象模型，以單位階躍信號作為輸入，通過Matlab/Simulink進(jìn)行智能PID控制與傳統(tǒng)PID控制的實(shí)驗(yàn)仿真對比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，智能PID控制器調(diào)節(jié)所需時(shí)間短，系統(tǒng)的快速性好，超調(diào)量小，系統(tǒng)能快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5　結(jié)　論

將模糊控制加入到磨機(jī)給礦量控制系統(tǒng)的給定環(huán)節(jié)，以模糊推理的形式根據(jù)磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)確定出最佳磨機(jī)負(fù)荷，并指導(dǎo)給礦量的設(shè)定值，使傳統(tǒng)的恒值系統(tǒng)升級為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅使磨機(jī)臺時(shí)處理量提高了20%，而且減少了能耗；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加入克服了傳統(tǒng)PID響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，可以使磨機(jī)給礦量準(zhǔn)確快速地跟蹤給定值，且具有良好的魯棒性。實(shí)踐表明，智能PID控制方法安全、可靠，達(dá)到了理想的效果，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5　傳統(tǒng)PID控制效果

圖6　智能PID控制效果

圖7　仿真結(jié)果

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2016-04-25)

池彥賀(1991—)，男，碩士研究生，063009 河北省唐山市新華西道46號。