ACT專家系統(tǒng)在河南東溝鉬礦的應(yīng)用

李亞斐

(金堆城鉬業(yè)汝陽(yáng)有限責(zé)任公司，河南 汝陽(yáng) 471200)

0 引言

金堆城鉬業(yè)汝陽(yáng)有限責(zé)任公司20 000 t/d選礦廠采用半自磨+球磨+頑石破碎的碎磨工藝流程，選鉬系統(tǒng)由粗選及精選組成。粗選包括一粗二掃、一粗精，精選段包括三段再磨、五次精選、四次精掃選，采用浮選機(jī)+浮選柱相結(jié)合的工藝[1]。自2015年6月開(kāi)始試車至今，生產(chǎn)工藝已實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。為建設(shè)一座高度自動(dòng)化選礦廠，整個(gè)工藝系統(tǒng)所有設(shè)備的監(jiān)測(cè)控制，通過(guò)各種通用接口(如硬接線、Ethernet、Profibus-DP、Modbus)均接入奧圖泰PROSCON 2100S自動(dòng)化系統(tǒng)[2,3]。做到設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制，工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。隨著露天采場(chǎng)開(kāi)采的不斷深入，礦石性質(zhì)的頻繁變化給選礦過(guò)程控制和工藝穩(wěn)定性等方面帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此，保證磨礦和浮選系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性，減少因操作人員水平不同帶來(lái)的不穩(wěn)定變得極其重要[4]。

1 ACT專家系統(tǒng)介紹

奧圖泰ACT專家系統(tǒng)屬于應(yīng)用層的一種應(yīng)用軟件，其控制依據(jù)來(lái)源于DCS系統(tǒng)見(jiàn)圖1。通過(guò)OPC(OLE For Process Control)技術(shù)從DCS系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)經(jīng)ACT專家系統(tǒng)控制邏輯修改[5]，其控制邏輯具包括模糊邏輯、具有復(fù)雜表達(dá)式的邏輯執(zhí)行、數(shù)據(jù)驗(yàn)證和過(guò)濾、歷史計(jì)算、先進(jìn)的時(shí)間和延遲控制、線性回歸模型、用于復(fù)雜軟傳感器的擴(kuò)展卡爾曼濾波器等[6]；系統(tǒng)根據(jù)工況參數(shù)的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，小幅度多頻次，避免生產(chǎn)過(guò)程大幅度波動(dòng)變化，結(jié)合奧圖泰在選礦生產(chǎn)領(lǐng)域中積累的大量操作經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)推理知識(shí)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)選礦工藝増加礦石處理量、提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量、提高浮選回收率、降低設(shè)備能耗的生產(chǎn)目標(biāo)[7]。具體DCS系統(tǒng)與ACT專家系統(tǒng)的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 20 000 t/d選礦廠DCS操作界面

圖2 DCS系統(tǒng)與ACT專家系統(tǒng)的關(guān)系

磨礦智能優(yōu)化系統(tǒng)是基于粒度分析儀和磨礦預(yù)測(cè)功能構(gòu)成的，核心功能是在確保浮選給礦粒度分布合理的情況下增加處理礦量。通過(guò)循環(huán)負(fù)荷預(yù)測(cè)和其它過(guò)程信息能夠減少磨礦段的負(fù)荷，用于平衡磨礦粒度，使磨礦能力達(dá)到最大值；避免磨機(jī)給礦量的大幅度改變，影響磨礦過(guò)程效率。通過(guò)對(duì)磨機(jī)鋼球充填率預(yù)測(cè)以及磨礦效能預(yù)測(cè)，及時(shí)給出加球量和加球時(shí)間的建議；在各種參數(shù)的支持下，能對(duì)磨機(jī)、給礦機(jī)、磨礦濃度、分級(jí)溢流濃度等等方面進(jìn)行優(yōu)化。另外，通過(guò)對(duì)磨機(jī)球荷球比進(jìn)行分析與調(diào)整，能夠進(jìn)一步保護(hù)磨機(jī)油路的潤(rùn)滑系統(tǒng)。磨礦分級(jí)自動(dòng)化能夠?qū)δサV分級(jí)作業(yè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種故障進(jìn)行預(yù)警，從而讓磨礦分級(jí)作業(yè)能夠在最佳的狀態(tài)下運(yùn)作，見(jiàn)圖3。

圖3 磨礦部分ACT操作界面

從傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，浮選操作工需要依靠對(duì)泡沫肉眼評(píng)估來(lái)進(jìn)行操作和決策，由于每個(gè)班次、每個(gè)操作工之間的解讀會(huì)產(chǎn)生很大差別，導(dǎo)致浮選指標(biāo)的差異大。高效浮選優(yōu)化系統(tǒng)基于泡沫分析儀，可以克服主官因素，通過(guò)FrothSense泡沫分析儀系統(tǒng)測(cè)量泡沫流速、泡沫大小、運(yùn)動(dòng)方向、泡沫穩(wěn)定性和顏色等，同時(shí)提供與這些變量相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便總結(jié)規(guī)律和固化操作參數(shù)。配合具備一個(gè)適配性自調(diào)整功能的前饋式控制器的EXACT液位控制器，可以更好地在浮選機(jī)液位控制中抵消上游擾動(dòng)，在各種過(guò)程條件下使用泡沫攝像機(jī)測(cè)量泡沫速度。產(chǎn)率控制器從品位-回收率控制器接收每個(gè)浮選機(jī)內(nèi)所需的泡沫速度設(shè)定值，控制器通過(guò)調(diào)整浮選送氣量、浮選機(jī)液位和藥劑量將泡沫速度相應(yīng)地調(diào)整至設(shè)定值，泡沫速度設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量的泡沫速度之間只有很小的誤差。通過(guò)在線品位分析儀，能夠重復(fù)測(cè)量原礦、粗精、粗尾、精尾和鉬精礦的金屬含量，每15分鐘顯示一次測(cè)量值并抽取適量礦樣作為班樣，相比工藝實(shí)驗(yàn)室的8小時(shí)取樣速度，在線分析儀無(wú)疑是評(píng)估過(guò)程穩(wěn)定性的最佳方法，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 浮選ACT程序策略

圖5 浮選ACT操作界面

2 工業(yè)應(yīng)用

2.1 測(cè)試方案簡(jiǎn)介

為了進(jìn)一步提高選鉬系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，驗(yàn)證ACT專家系統(tǒng)對(duì)選礦工藝指標(biāo)的影響，并與人工操作的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析臺(tái)效、泡沫流速、回收率、電耗和磨礦、浮選穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)的差異，數(shù)據(jù)分析在Matlab (MathworksInc.)環(huán)境下進(jìn)行的。于2020年1月進(jìn)行了10天的開(kāi)關(guān)測(cè)試，測(cè)試以48小時(shí)為一個(gè)周期，共分為5個(gè)開(kāi)關(guān)測(cè)試周期，每個(gè)測(cè)試周期由24小時(shí)ACT開(kāi)啟和24小時(shí)ACT關(guān)閉組成。計(jì)劃停機(jī)，停機(jī)期間及工藝恢復(fù)正常以前的數(shù)據(jù)將從數(shù)據(jù)分析中剔除，保證兩種操作所得到的結(jié)論令人信服。

2.2 臺(tái)效對(duì)比分析

針對(duì)測(cè)試期間遇到的不同磨礦性能的多種礦石類型，對(duì)開(kāi)關(guān)測(cè)試控制策略進(jìn)行了調(diào)整。由于頑石破碎和半自磨轉(zhuǎn)速控制的局限性，所實(shí)施的磨礦控制策略僅限于半自磨機(jī)新給礦量的控制。如圖6所示，中前半段為ACT關(guān)閉期間的人工操作波動(dòng)比較大。后半段為ACT控制，給礦量相對(duì)穩(wěn)定。

圖6 半自磨新給礦趨勢(shì)(白色趨勢(shì)線)

在1月11日至1月14日期間，新給礦有兩個(gè)開(kāi)/關(guān)周期的時(shí)間趨勢(shì)。如圖7和表1數(shù)據(jù)所示，與人工DCS控制相比當(dāng)ACT系統(tǒng)控制磨礦回路時(shí)，新給礦噸數(shù)的變化率減少33%，平均臺(tái)效提高了33 t/h，提高了約4%的產(chǎn)能。另外開(kāi)啟ACT系統(tǒng)控制后，給礦量的標(biāo)準(zhǔn)差明顯變小，說(shuō)明給礦更加穩(wěn)定。同時(shí)半自磨平均功率降低了432.3 kW，軸承壓力降低了86.3 kPa。說(shuō)明ACT系統(tǒng)能使磨機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)負(fù)荷附近，提高了磨機(jī)的磨礦效率，同時(shí)保持了磨機(jī)的粒度分布。

圖7 在2個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的給礦趨勢(shì)

表1 半自磨給礦數(shù)據(jù)計(jì)算表 t·h-1

2.3 選鉬回收率分析

當(dāng)ACT開(kāi)啟時(shí)，在線分析儀測(cè)量的性能測(cè)試,見(jiàn)表2，平均給礦品位為0.099%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.011%，實(shí)驗(yàn)室定義的，平均給礦品位為0.11%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.022%。

表2 給礦品位和回收率統(tǒng)計(jì)表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

為實(shí)現(xiàn)選鉬浮選控制的目標(biāo)，在ACT系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于在線品位分析儀給礦品位、鉬浮選流量進(jìn)行計(jì)算浮選給礦金屬量，自動(dòng)反饋到調(diào)整粗、掃選回路泡沫速度控制的策略，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.4 工藝穩(wěn)定性分析

2.4.1 磨礦回路穩(wěn)定性

提高磨礦回路穩(wěn)定性有助于改善下游浮選指標(biāo)，并有助于延長(zhǎng)半自磨機(jī)襯板的使用壽命。半自磨前后軸瓦的油壓通常被用來(lái)表示半自磨內(nèi)部的物料負(fù)荷。開(kāi)關(guān)試驗(yàn)過(guò)程中軸承油壓數(shù)據(jù)分析表明，不同的試驗(yàn)周期內(nèi)半自磨負(fù)荷存在差異，見(jiàn)圖8。通過(guò)測(cè)量半自磨機(jī)油壓的變化來(lái)說(shuō)明半自磨內(nèi)物料負(fù)荷的變化，可能是由于礦石的不同磨礦特性導(dǎo)致，也可能是鋼球充填率、磨機(jī)襯板磨損或其他未知原因的變化。

圖8 半自磨軸瓦壓力趨勢(shì)圖(間接指示半自磨機(jī)內(nèi)物料的變化情況)

開(kāi)關(guān)測(cè)試表明，啟用ACT控制后，半自磨臺(tái)效顯著增加。磨礦系統(tǒng)的最終產(chǎn)品從水力旋流器中溢流至粗選，通過(guò)粒度分布情況對(duì)比，當(dāng)ACT開(kāi)啟的時(shí)候可以適當(dāng)避免過(guò)磨的情況(<149 μm減少1.1個(gè)百分點(diǎn))。對(duì)于中、粗粒度，啟用或停止ACT時(shí)的粒度分布基本相同，見(jiàn)圖9。

圖9 浮選給礦測(cè)試期間PSI粒度分布情況分析圖

水力旋流器溢流粒度在線分布是磨礦控制中常用的主要反饋信息。將該指標(biāo)引入磨礦控制中，見(jiàn)表3，進(jìn)一步提高了磨礦回路的穩(wěn)定性，并使含鉬礦物顆粒的分布更加合理。這對(duì)最大限度地提高浮選回收率，優(yōu)化磨礦回路能耗具有重要意義。

表3 磨礦回路穩(wěn)定性分析表

2.4.2 浮選回路穩(wěn)定性

浮選實(shí)施的控制策略目的使粗掃選浮選泡沫速度保持在一個(gè)基于在線品位分析結(jié)果的設(shè)定值。泡沫速度控制的目標(biāo)通過(guò)穩(wěn)定的粗掃選泡沫刮量最大限度地提高鉬的回收率，見(jiàn)圖10。

圖10 粗掃選泡沫速度趨勢(shì)圖(1月15日～16日為停車時(shí)間)

對(duì)泡沫速度數(shù)據(jù)的分析表明，當(dāng)ACT系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)它會(huì)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)充氣量和液位將泡沫速度控制到設(shè)定值。通過(guò)主動(dòng)控制，粗選泡沫速度的變化幅度從71.0 mm/s降到62.3 mm/s，掃選泡沫速度的變化幅度從153.1 mm/s降到100.7 mm/s。穩(wěn)定浮選刮量有助于提高精礦品位同時(shí)提高回收率。

如圖11所示，ACT系統(tǒng)會(huì)及時(shí)調(diào)整設(shè)定值去穩(wěn)定泡沫流速，在粗選第一槽連續(xù)穩(wěn)定的液位控制中，需要根據(jù)礦石情況及原礦品位及時(shí)調(diào)整流速設(shè)定值來(lái)獲得最佳的泡沫流速。當(dāng)ACT關(guān)閉時(shí)，人工操作每天只改變幾次液位設(shè)定值，也存在一定的滯后性，這反過(guò)來(lái)又表現(xiàn)為浮選刮量和回收率等工藝波動(dòng)。如表4分析所示，在當(dāng)ACT開(kāi)啟并控制工藝時(shí)，液位設(shè)計(jì)值和設(shè)定值之間的穩(wěn)定性也得到了明顯改善。表4列出了粗選液位實(shí)際值與設(shè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)ACT開(kāi)啟并控制工藝，液位控制明顯有更高的精度(測(cè)量值與設(shè)定值之間的誤差更小)，進(jìn)一步改善了浮選回路的操作。

表4 浮選回路穩(wěn)定性分析

圖11 粗選第一槽液位設(shè)定值及反饋值趨勢(shì)圖

根據(jù)奧圖泰在國(guó)外鉬選廠相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，在ACT系統(tǒng)投入使用并正?；院筮x鉬回收率和鉬精礦品位具有進(jìn)一步提高的潛力。為了達(dá)到最佳的操作效果，建議采用基于在線檢測(cè)儀表的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的粒度分布控制和浮選刮量控制的綜合控制方法。

2.5 電耗對(duì)比

除了提高半自磨臺(tái)效和穩(wěn)定磨礦給礦量，處理每噸礦石電耗的下降也非常明顯。如圖12所示，對(duì)于不同礦石類型的可變磨礦特性，通過(guò)ACT系進(jìn)行自動(dòng)跟蹤找到最佳參數(shù)，有助于減少鋼球砸襯板的時(shí)間和次數(shù)，最大限度地延長(zhǎng)半自磨機(jī)襯板的使用壽命。

圖12 能源消耗趨勢(shì)圖

在開(kāi)關(guān)測(cè)試中，啟用ACT系統(tǒng)控制時(shí)，半自磨機(jī)的平均能耗為9.16 kW·h·t-1，而手動(dòng)操作時(shí)為10.47 kW·h·t-1。

表5 噸礦石電耗對(duì)比表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ACT開(kāi)關(guān)測(cè)試，半自磨機(jī)臺(tái)效從856 t/h提高到了889 t/h，半自磨機(jī)電耗減少了12.5%，基于在線品位分析儀和化驗(yàn)室數(shù)據(jù)的選鉬回收率分別提高了0.5個(gè)百分點(diǎn)和1.7個(gè)百分點(diǎn)，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)磨礦和浮選系統(tǒng)的過(guò)程自動(dòng)控制和自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)，杜絕人為因素引起的生產(chǎn)事故和產(chǎn)品事故，不僅保證產(chǎn)品質(zhì)量而且生產(chǎn)更加高效穩(wěn)定，同時(shí)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)公司優(yōu)化人員結(jié)構(gòu)、提高勞動(dòng)效率的要求。

由于本次ACT系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)間短，加上數(shù)據(jù)的有限性和統(tǒng)計(jì)的時(shí)效性，待ACT專家系統(tǒng)正式投入穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)比使用前后的半自磨臺(tái)效、電耗、系統(tǒng)工藝穩(wěn)定性和回收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)做一個(gè)全面的統(tǒng)計(jì)，以評(píng)價(jià)ACT專家系統(tǒng)的實(shí)際使用效果。目前ACT專家系統(tǒng)仍需完善和優(yōu)化方向如下：

1)進(jìn)一步優(yōu)化磨礦和浮選區(qū)域的ACT控制，如粒度分布控制功能、在線分析儀品位標(biāo)定等；

2)重新啟用頑石破碎機(jī)和修復(fù)半自磨機(jī)變頻控制；

3)增加DCS系統(tǒng)冗余，提高通訊信號(hào)穩(wěn)定性；

4)建議增加奧圖泰的RockSense皮帶礦石塊度分析儀和MillSense智能磨機(jī)分析儀，將會(huì)更加精確的反映給礦與半自磨機(jī)負(fù)荷的關(guān)系。