選礦廠磨礦分級智能化控制系統(tǒng)研究

郭榮才

摘 要：隨著社會對選礦的需求不斷升高，選礦自動化發(fā)展在近幾年得到廣泛關(guān)注。磨礦控制環(huán)節(jié)是整個(gè)選礦工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中如果能夠把先進(jìn)的智能控制技術(shù)與豐富的人工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，就會獲得很好的生產(chǎn)效果。首先，該文研究磨礦電氣分層控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理；其次總結(jié)磨礦分級過程控制的技術(shù)特點(diǎn)以及現(xiàn)存問題；最后研究如何將智能控制引入到磨礦分層控制系統(tǒng)回路中。

關(guān)鍵詞：選礦自動化 磨礦電氣控制 分級過程控制 智能化

中圖分類號：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0031-03

選礦自動化的發(fā)展是從20世紀(jì)中期開始發(fā)展起來的技術(shù)，相比傳統(tǒng)的人工選礦它具有以下優(yōu)勢：（1）降低人工成本；（2）簡化操作流程；（3）提高生產(chǎn)效率；（4）降低損耗；（5）提高選礦產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及質(zhì)量。選礦自動化的工藝主要分為3個(gè)部分：（1）原料礦物破碎過程；（2）磨礦過程；（3）浮選過程。其中磨礦環(huán)節(jié)是礦石破碎的繼續(xù)部分，主要目標(biāo)為將礦石經(jīng)過處理后形成細(xì)粒度級的顆粒用于浮選環(huán)節(jié)，所以磨礦的效果直接影響磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量（包括：磨礦粒度特性、磨礦產(chǎn)品濃度、磨礦單體的解離度）和后續(xù)其他工藝處理能力，這樣就會影響整個(gè)選礦自動化工藝的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、高品質(zhì)性[1]。磨礦分級自動化能夠有效減少球磨機(jī)能耗的同時(shí)還能提高磨礦分級效率以及能源利用率。其發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段[2]：（1）初始發(fā)展階段。開始沒有用于檢測控制的儀表，主要由人來主觀操作，這樣導(dǎo)致生產(chǎn)指標(biāo)不穩(wěn)定；（2）穩(wěn)定發(fā)展階段。由于這個(gè)時(shí)期自動檢測儀表使用和推廣，如，礦漿pH計(jì)、X焚光分析儀和線礦裝粒度儀等，使得在磨礦過程給礦量及溢流濃度能得到精確控制；（3）最優(yōu)化生產(chǎn)發(fā)展階段。這個(gè)階段主要特點(diǎn)是控制理論的不斷發(fā)展，先進(jìn)的控制技術(shù)不斷優(yōu)化控制效果，如，PID串級控制、模糊控制與PID控制結(jié)合等。不過，由于磨礦本身的非線性以及時(shí)變性特點(diǎn)，其本身的建模以及回路控制相對復(fù)雜，國內(nèi)很少企業(yè)研究出較好的成果。近年來，由于人工智能技術(shù)、過程模型以及仿真技術(shù)得到很好推廣，這樣使得國內(nèi)外出現(xiàn)了許多以磨礦過程控制模型為基礎(chǔ)，將智能控制算法與傳統(tǒng)的控制理念結(jié)合的潮流。該文分析傳統(tǒng)的選礦廠磨礦分級控制系統(tǒng)，研究近年來國內(nèi)外的智能化控制算法與磨礦分級控制相結(jié)合情況。

1 礦廠磨礦電氣分級控制系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的磨礦電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由圖1所示，由圖可以看出核心是磨棒機(jī)，分級作業(yè)主要是在原來磨棒機(jī)的基礎(chǔ)上加入分級機(jī)，目前主要是有水力旋流分級機(jī)和螺旋分級機(jī)兩種。其余包括不同的子系統(tǒng)[3]：（1）磨礦電機(jī)潤滑油部分。主要采用高、低壓潤滑油系統(tǒng)，磨主體分三段，前兩段采用球形磨，第三段采用棒形磨；（2）電氣控制聯(lián)鎖和繼電保護(hù)部分。不同設(shè)備的打開與關(guān)掉是有先后且持續(xù)時(shí)間也是不同的，要實(shí)現(xiàn)這些就需要電氣聯(lián)鎖，繼電保護(hù)主要有氣壓、氣溫、油溫、油壓保護(hù)，還包括過電流、電壓、勵(lì)磁保護(hù)等兩部分組成；（3）同步電機(jī)勵(lì)磁裝置部分。由兩部分組成：一部分是系統(tǒng)組成的回路部分；另一部分就是這個(gè)回路的控制部分，整個(gè)電路采用三相全橋整流，去磁部分采用具有高、低電壓的雙級雙路去磁；（4）自動噴油機(jī)械裝置部分。為了保證大齒輪運(yùn)行摩擦小，噴油裝置就會每過一段時(shí)間就噴油潤滑一下；（5）氣動離合器部分。要就是通過氣壓壓力推動同步電機(jī)帶動磨機(jī)轉(zhuǎn)動的過程，目前主流的供氣結(jié)構(gòu)是兩層供氣：一層是用來控制氣罐泄壓的壓力；另一層是確保控制氣罐工作壓力；（6）慢速轉(zhuǎn)動設(shè)備部分。添加慢速轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，帶動磨機(jī)運(yùn)動，使其可以實(shí)現(xiàn)電動“盤車”。

磨礦分級流程：礦石經(jīng)傳送帶送入球磨機(jī)中，在棒磨機(jī)內(nèi)加入礦水，然后在鋼球沖擊和研磨下逐漸粉碎，最后排入分級機(jī)中，分級機(jī)通過礦粒大小不同運(yùn)動特點(diǎn)不一樣的原理，小顆粒礦石下沉速度較慢，就會隨分級機(jī)溢流進(jìn)入浮選環(huán)節(jié)，較大的則會返回棒磨機(jī)中重新再磨。

2 傳統(tǒng)電氣分級控制系統(tǒng)存在的問題

存在以下幾點(diǎn)主要問題：（1）磨礦分級過程中，許多檢測量存在多變性以及隨機(jī)性的特點(diǎn)，不能很好地做出適應(yīng)性強(qiáng)的控制策略；（2）檢測無法實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)控制。在時(shí)間上就無法避免地存在滯后的問題，且測量的結(jié)果也不準(zhǔn)確；（3）需要較多的繼電器（時(shí)間繼電器和中間繼電器），這樣接線復(fù)雜的同時(shí)容易出現(xiàn)故障，且維修較為困難。

3 磨礦分級智能控制研究

3.1 磨礦分級機(jī)建模

為了實(shí)現(xiàn)磨礦分級的智能化控制，數(shù)學(xué)建模的準(zhǔn)確性就十分重要。針對不同的分級機(jī)采用不同的建模。螺旋分級機(jī)粒度分級數(shù)學(xué)模型通過質(zhì)量守恒定律，將分級前后的第次結(jié)果滿足（1）（2）等式；旋流器粒度分級數(shù)學(xué)模型國內(nèi)外有很多，目前使用廣泛的是采用阿提本分離粒度模型，可以以公式（3）（4）表示：

式中：、、分別為初始礦石總量、分級后流入浮選的礦石總量以及分級后進(jìn)入沉砂的礦石總量；、、分別為初始第i 粒級礦石質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分級后流入浮選的第i 粒級礦石質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及分級后進(jìn)入沉砂的第i 粒級礦石質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為分級效率；、、分別為旋流器給礦石入口壓力、礦石密度以及給水密度；、 分別為分離粒度和分級粒度；為旋流器直徑；為給礦的固體體積溶度。

3.2 磨礦分級控制算法

有了準(zhǔn)確的控制模型，再加上近年來分級過程檢測（如，給礦量檢測、礦漿濃度檢測、礦漿粒子檢測等）儀表的快速發(fā)展，給磨礦分級控制的發(fā)展提供了很好的前提條件。傳統(tǒng)的磨礦控制策略存在以下問題：（1）閉環(huán)PID控制不能很好地適用于時(shí)間滯后較多的控制對象，但磨礦本身存在很大的時(shí)間滯后，期間參數(shù)隨機(jī)性變化的情況較多，不能很好地應(yīng)用于磨礦分級過程；（2）Simth預(yù)估控制模型能夠在一定程度減小由于磨礦分級帶來的時(shí)間滯后的影響，但補(bǔ)償效果不明顯，且對系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制能力不強(qiáng)；（3）解耦控制算法則只能處理對應(yīng)的被控變量，在一定程度上存在局限性。

3.2.1 磨礦分級現(xiàn)代控制算法

現(xiàn)代控制算法是從20世紀(jì)中期發(fā)展起來的，主要有：（1）自適應(yīng)控制?？梢酝ㄟ^控制變量的輸入輸出參數(shù)，提取模型的一些信息，然后調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)，使自身處于一個(gè)滿意的工作狀態(tài)，這樣就算一些控制變量在變化，也能通過自適應(yīng)算法自我調(diào)整逐漸適應(yīng)；（2）預(yù)測控制。與傳統(tǒng)的Simth預(yù)估控制不同，是建立在傳統(tǒng)預(yù)測算法、滾動優(yōu)化算法、反饋矯正算法基礎(chǔ)上的滾動時(shí)域模型。如動態(tài)矩陣控制，能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)，且具有很強(qiáng)的魯棒性。

3.2.2 磨礦分級智能控制算法

隨著人工智能的發(fā)展，智能控制算法在磨礦工藝?yán)锏玫搅溯^好的應(yīng)用。目前用于磨礦分級的智能控制算法主要有模糊PID控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及混沌控制。

（1）模糊PID控制[4]。在磨礦分級工藝中，常常采用兩個(gè)二維的模糊控制器并聯(lián)連接設(shè)計(jì)。這兩個(gè)模糊控制器一個(gè)是用于給料控制，一個(gè)用于主電機(jī)電流控制。前者輸入變量是粒度偏差、粒度偏差變化率，輸出為控制量、、，其語言值為，對應(yīng)的論域值為。隸屬度函數(shù)采用三角形隸屬度函數(shù)，規(guī)則為合成算法，輸出量采用重心法解模糊運(yùn)算，生成相應(yīng)的給料模糊控制規(guī)則。另外一個(gè)主電機(jī)電流控制的輸入?yún)?shù)是主電機(jī)工作電流偏差以及主電機(jī)工作電流偏差變化率，其輸出控制量的論域和語言值與給料控制一樣，對應(yīng)的隸屬度函數(shù)以及控制規(guī)則也相同。其結(jié)構(gòu)可參考圖2。

（2）專家控制[5]。主要依靠的是模擬熟練員工或者專家對磨礦工藝思維的一套智能推理算法。如圖3所示，其中：Pa為粒度實(shí)際化驗(yàn)值；Pd為粒度期望設(shè)定值；Ip為工況條件集；Id為邊界條件集。這樣通過磨機(jī)的動態(tài)特點(diǎn)，結(jié)合知識庫，采用人工智能自動尋優(yōu)算法來修正磨礦分級環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，使得控制更加具有適應(yīng)性。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[6]。目前有很多算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。建立一個(gè)N1層輸入M1層輸出的W1層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對磨礦分級磨機(jī)裝載量的控制，另外，再建立一個(gè)N2層輸入M2層輸出的W2層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)磨礦濃度的控制，即將給礦量、補(bǔ)加水量、返砂量等作為輸入，磨機(jī)功率的最優(yōu)值作為輸出然后就是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬訓(xùn)練，常采用RBFN訓(xùn)練方式，也有RLS和LMS等。最后得到合適的參數(shù)，用于磨礦分級控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在近年來發(fā)展較快，特別是人工智能的發(fā)展，該方法能夠很好地避免磨礦延時(shí)特性以及參數(shù)波動所引起的一些擾動，具有很好的魯棒性。

4 結(jié)語

隨著社會對選礦的需求不斷升高，選礦自動化發(fā)展在近幾年得到廣泛關(guān)注。磨礦控制環(huán)節(jié)在選礦工藝中占有重要地位，在實(shí)際應(yīng)用中容易受到干擾以及其他影響，且磨礦分級控制本身存在的非線性時(shí)變的特點(diǎn)，加大了對磨礦控制的難度。通過研究分析磨礦分級系統(tǒng)的原理，找出實(shí)際應(yīng)用的問題，分析現(xiàn)有控制算法的特點(diǎn)，研究如何將先進(jìn)的智能控制算法（模糊PID控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）引入到磨礦分級控制環(huán)節(jié)，能夠有效地優(yōu)化整個(gè)磨礦分級控制工藝，提高生產(chǎn)效率。

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