磨礦濃度的串級PID控制

郭文萍，劉述春，陳 清，曾令揮

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西 宜春336003）

0 引言

磨礦作業(yè)在選礦廠中占重要的地位，各種選礦方法都要求有用礦物與脈石達(dá)到必要的單體分離，必須通過磨礦過程將礦石磨到所需的粒度[1]。磨礦濃度控制是磨礦分級自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，磨礦濃度的高低會(huì)影響磨礦介質(zhì)與物料的摩擦力、介質(zhì)的有效重量（介質(zhì)的絕對重量減去礦漿浮力）、礦漿的流動(dòng)性和磨礦機(jī)的運(yùn)輸能力等，從而影響磨礦機(jī)的生產(chǎn)效率[2-4]。磨礦濃度應(yīng)該有一個(gè)適宜的范圍，不宜過大或過小[5-6]。因此在其他條件不變時(shí)，穩(wěn)定磨礦濃度在合適區(qū)域是提高磨機(jī)工作高效率的必要條件。

現(xiàn)有的磨礦過程控制主要采用常規(guī)的PID控制，串級PID控制是將內(nèi)環(huán)控制器與外環(huán)控制器相結(jié)合，在磨礦過程中已逐漸得到應(yīng)用[7-10]。本研究應(yīng)用串級PID控制技術(shù)對磨礦濃度進(jìn)行控制，發(fā)揮串級PID控制技術(shù)對磨礦參數(shù)時(shí)變、滯后、非線性適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，同時(shí)突出串級PID控制技術(shù)簡單實(shí)用、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 棒磨工藝與控制流程

圖1 棒磨機(jī)工藝與控制流程圖Fig.1 Process and control flow chart of rod mill

棒磨工藝與控制流程（如圖1所示）是棒磨機(jī)磨礦時(shí)，鋼棒隨著棒磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生提升和跌落形式的不斷運(yùn)動(dòng)。需要被研磨的礦物從棒磨機(jī)進(jìn)料口不斷進(jìn)入棒磨機(jī)筒體內(nèi)，被不斷運(yùn)動(dòng)的鋼棒碾壓至粉碎，被研磨過的礦物形成合格產(chǎn)品，在新進(jìn)入棒磨機(jī)礦物的作用下，以溢流的方式從棒磨機(jī)筒體排出并進(jìn)入后續(xù)生產(chǎn)工藝。

被研磨過的合格礦物產(chǎn)品通過泵體傳送至篩選工序，經(jīng)過高頻振動(dòng)篩的篩分，粒徑大于0.5 mm的礦物產(chǎn)品需傳送到棒磨機(jī)進(jìn)行再次研磨，粒徑小于0.5 mm的礦物產(chǎn)品直接進(jìn)入后端的選礦工序[11-12]。為了防止管道夾帶空氣造成流量及濃度測量不準(zhǔn)確，應(yīng)用了管道傾斜安裝方法。為了避免泵池溢流或沙泵空抽，保證將礦漿輸送到高頻篩輸送過程的流暢，達(dá)到高頻篩對礦漿篩選過程所要求的給礦量和濃度，通常需要對沙泵進(jìn)行變頻控制，并對泵池額外補(bǔ)水，以保持泵池液位在一定范圍。

棒磨機(jī)內(nèi)部的持水量決定了棒磨濃度，其持水量首先來源于由運(yùn)送帶輸送到棒磨機(jī)礦料的含水量，以及用于輸送高頻篩返沙量的水量。當(dāng)棒磨濃度偏高時(shí)，應(yīng)向棒磨機(jī)額外補(bǔ)充水量。

2 棒磨流程狀態(tài)檢測與控制方式

（1）由變頻器控制料倉給料電機(jī)的頻率，控制給料帶的速度，從而控制棒磨機(jī)的給料量。其給料量通過安裝在運(yùn)送帶上的核子秤實(shí)時(shí)在線檢測。

（2）由380 V低壓大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)棒磨機(jī)筒體回轉(zhuǎn)。棒磨機(jī)的負(fù)荷（脹肚或空肚）通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率變送器實(shí)時(shí)在線檢測。

（3）由磨音頻譜儀來檢測棒磨機(jī)負(fù)荷情況的變化。

（4）由電磁流量計(jì)和核子濃度計(jì)實(shí)時(shí)在線檢測高頻篩的返沙流量和濃度。

（5）由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)棒磨補(bǔ)水量，其補(bǔ)水量通過電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)在線檢測。

（6）由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)泵池補(bǔ)水量，其補(bǔ)水量通過電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)在線檢測。泵池的液位由超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)在線檢測。

（7）由變頻器控制沙泵電機(jī)的頻率，從而控制高頻篩的給料量。其給料量的流量和濃度通過安裝在運(yùn)送管道上的電磁流量計(jì)和核子濃度計(jì)實(shí)時(shí)在線檢測。

（8）磨機(jī)進(jìn)料與出料濃度計(jì)算。

磨機(jī)內(nèi)物料的濃度不能直接檢測，但可以將磨機(jī)進(jìn)料濃度或出料濃度作為磨機(jī)內(nèi)物料的濃度。根據(jù)磨機(jī)給料及高頻篩返沙的流量和含水量（或濃度）可以計(jì)算出磨機(jī)進(jìn)料濃度。根據(jù)高頻篩給礦流量、濃度和礦漿池補(bǔ)水流量可以計(jì)算出磨機(jī)出料濃度。

設(shè)通過運(yùn)送帶的磨機(jī)進(jìn)料量為Min，t·h-1，其濃度為DMin，%；通過高頻篩的磨機(jī)返沙流量為Mf，t·h-1，其濃度為DMf，%，則補(bǔ)水前的磨機(jī)總進(jìn)料濃度Din計(jì)算如式（1）所示。

設(shè)高頻篩給礦流量為Ms，t·h-1；其濃度為DMs，%；礦漿池補(bǔ)水流量為Wp，·h-1；則磨機(jī)出料濃度為Dout計(jì)算如式（2）所示。（9）磨機(jī)補(bǔ)水給定量計(jì)算

根據(jù)磨機(jī)進(jìn)料情況計(jì)算磨機(jī)補(bǔ)水量。設(shè)磨機(jī)給定濃度為DM，%；設(shè)補(bǔ)水給定量為Wg，t·h-1；為達(dá)到磨機(jī)要求的給定濃度，則

或根據(jù)磨機(jī)出料情況計(jì)算磨機(jī)補(bǔ)水量，為達(dá)到磨機(jī)要求的給定濃度，其補(bǔ)水增量ΔWg計(jì)算如式（4）所示。

3 磨礦濃度的串級控制

磨礦濃度不便于直接測量，但可以間接測量磨機(jī)進(jìn)料濃度和出料濃度，如式（1）和式（2）所示?？梢詫⒛C(jī)的進(jìn)料濃度或出料濃度作為磨機(jī)磨礦濃度。當(dāng)補(bǔ)水前的磨機(jī)總進(jìn)料濃度高于磨機(jī)給定濃度時(shí)，應(yīng)對磨機(jī)補(bǔ)水。為了避免補(bǔ)水前磨機(jī)入料的濃度就已偏低，磨機(jī)給料和高頻篩返沙物料的含水率不能太高。

以磨機(jī)進(jìn)料濃度作為磨礦濃度，就是要控制磨機(jī)補(bǔ)水量，從而控制磨機(jī)總進(jìn)料的濃度，因而可以構(gòu)建圖2所示的串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是根據(jù)磨機(jī)給定濃度和磨機(jī)入口進(jìn)料情況確定磨機(jī)補(bǔ)水量，而后控制補(bǔ)水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以滿足磨機(jī)補(bǔ)水的要求。

圖2 磨礦入料濃度串級控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Grinding feed concentration cascade control system schematic

以磨機(jī)出料濃度作為磨礦濃度，就是要通過控制磨機(jī)補(bǔ)水量來控制磨機(jī)出料的濃度，因而可以構(gòu)建圖3所示的串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是根據(jù)磨機(jī)給定濃度和磨機(jī)出料情況確定磨機(jī)補(bǔ)水量，而后控制補(bǔ)水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以滿足磨機(jī)補(bǔ)水的要求。

為了提高磨機(jī)的生產(chǎn)效率，使磨機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，控制系統(tǒng)通過磨音頻譜儀監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行給礦量的實(shí)時(shí)控制，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)給礦量，防止磨機(jī)“空肚”和“脹肚”，使磨機(jī)始終運(yùn)行在最優(yōu)負(fù)荷狀態(tài)，發(fā)揮設(shè)備的最大運(yùn)行價(jià)值。

圖3 磨礦出料濃度串級控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of cascade control system for grinding and discharging concentration

4 磨機(jī)濃度串級PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用

試驗(yàn)針對某鎢礦被研磨過的合格礦物產(chǎn)品進(jìn)行磨機(jī)串級PID控制系統(tǒng)應(yīng)用，并就磨機(jī)礦石處理量進(jìn)行了前后對比。

在控制系統(tǒng)應(yīng)用初期，以傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)控制參數(shù)的設(shè)置，并進(jìn)行控制參數(shù)整定。經(jīng)過數(shù)月的試運(yùn)行及程序修改完善，控制系統(tǒng)能穩(wěn)定的調(diào)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)濃度的自動(dòng)控制。系統(tǒng)應(yīng)用后，磨機(jī)的礦石處理量有一定比例提高，磨礦濃度控制在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，磨礦粒度滿足下段工藝要求。經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，控制系統(tǒng)應(yīng)用后的平均每小時(shí)礦石處理量提升約4.6%，應(yīng)用前后對比數(shù)據(jù)如圖4。同時(shí)，也減輕了磨機(jī)操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了人工操作憑經(jīng)驗(yàn)造成的礦石處理量波動(dòng)的問題。系統(tǒng)操作界面如圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)應(yīng)用前后磨機(jī)礦石處理量對比圖Fig.4 Contrast chart of ore handling capacities before and after application of control system

圖5 控制系統(tǒng)人機(jī)界面Fig.5 Man-machine interface of control system

5 結(jié)語

磨礦濃度的串級PID控制方法在某鎢礦棒磨濃度控制系統(tǒng)中應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，串級PID控制方法實(shí)現(xiàn)了磨礦濃度的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，并且具有控制反應(yīng)快，超調(diào)節(jié)范圍微小，抗擾動(dòng)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對工業(yè)礦物研磨過程的相關(guān)參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)，提高了磨礦的生產(chǎn)效率，優(yōu)化濃度、粒度等工藝指標(biāo)，可滿足鎢等各類工業(yè)礦物研磨過程控制的需求。