磨礦分級自動控制與優(yōu)化控制技術在某選廠的應用

牛桂強

昆明理工大學 云南昆明 650093

礦石性質、鋼球質量與配比、磨礦質量分數(shù)、鋼球充填率、襯板磨損程度、分級設備等諸多因素，共同決定了磨礦產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量[1]?；谌斯そ?jīng)驗的操作經(jīng)常產(chǎn)生“欠磨”或者“過磨”現(xiàn)象[2]，導致浮選指標惡化和成本增加，必須及時調整磨機的給礦、給水、給球等條件。磨礦自動控制與優(yōu)化控制的目標是通過調整給礦量、磨礦質量分數(shù)、加球量等操作條件，使磨機始終保持其最大的工作能力，從而降低礦石單耗，提升處理能力[3]。

甘肅某選礦廠建于 1995年，經(jīng)過多次擴產(chǎn)改造，處理能力由 1 500 t/d 提高到 9 000 t/d，屬于國內大型選礦廠。其球磨分級自動化系統(tǒng)建于 2000年，可實現(xiàn)設備監(jiān)控及給礦量調整等簡單功能，生產(chǎn)過程中主要環(huán)節(jié)仍需人工根據(jù)經(jīng)驗手動調節(jié)操作，存在職工勞動強度大、控制不及時、不準確等弊端，難以滿足提高生產(chǎn)效率、嚴格管控成本的需求。針對上述問題，該廠對磨礦分級自動化系統(tǒng)進行改造。

1 磨礦分級自動控制技術

1.1 磨機負荷監(jiān)測技術的應用

磨機是影響磨礦產(chǎn)品質量的“主動”設備。該選礦廠投入了負荷監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了滿足平衡原則的主動控制，并對磨機負荷狀態(tài)與β特征值進行了標定，實現(xiàn)了磨機負荷監(jiān)測。

工業(yè)試驗證明，磨機負荷β值與磨機給礦量有著非常強的關聯(lián)性，它們之間的關系如圖 1 所示。

得益于振動信號的監(jiān)測與無線采集技術的成熟，與人工經(jīng)驗相比，圖 1 中所示曲線能夠實時捕捉到磨機的“空砸”和“脹肚”狀態(tài)，監(jiān)控實時性高，能夠準確預測磨機故障狀態(tài)。

圖1 磨機負荷特征 β 值與給礦量之間的關系Fig.1 Relationship between mill load feature β and ore feeding amount

1.2 球磨機恒定給礦和比例給水控制

核子秤與振動給礦機組成閉環(huán)控制回路。給礦控制器將瞬時礦量與給礦設定值進行比較，根據(jù)偏差自動調節(jié)給礦機頻率，實現(xiàn)瞬時礦量對設定值的跟隨。給礦控制器綜合考慮了料倉料位報警限位、輸送帶延時、給料機工作頻率及給料能力等多個因素，通過多重規(guī)則選擇合適的給料口和合理的控制參數(shù)，實現(xiàn)了給礦量穩(wěn)定控制和輸送帶上物料勻布，滿足了生產(chǎn)的技術要求。

電磁流量計與調節(jié)閥構成一個恒定給水閉環(huán)控制系統(tǒng)。給水設定值=給礦設定值×比例系數(shù)。給礦設定值改變后，給水控制器在最短時間內使得給水量達到新的設定值。

1.3 磨礦泵池補加水控制

旋流器進漿質量分數(shù)依靠調整泵池補加水來保障。在質量分數(shù)穩(wěn)定時，泵池給水量必需保持相對穩(wěn)定；質量分數(shù)變化時，給水調節(jié)必須盡快響應。磨機泵池補加水的設定值根據(jù)旋流器的給礦質量分數(shù)變化，由工藝負責調整。補加水設定值改變后，補加水控制器在最短時間內使補水量達到新的設定值。

1.4 旋流器分級質量分數(shù)與粒度控制

為反映磨礦產(chǎn)品的質量分數(shù)和實現(xiàn)粒度在線檢測[4]，采用一套 BPSM-Ⅲ型礦漿粒度、質量分數(shù)在線分析儀，實現(xiàn)旋流器分級溢流質量分數(shù)與粒度的優(yōu)化控制。該分析儀有效解決了礦漿粒度、質量分數(shù)的在線分析技術問題，同時實現(xiàn)了礦漿質量分數(shù)的無射源分析，避免射源帶來的污染與安全隱患。

1.5 智能自動加球機

在球磨機給料端安裝一套智能自動加球裝置。其工作原理是通過安裝在滾筒上的球爪隨機取球，然后通過光電檢測器進行非接觸檢測，并由 P LC 進行智能辨識和控制。該裝置的應用解決了以往加球機存在的鋼球卡、堵問題，實現(xiàn)了鋼球的定量添加與統(tǒng)計，減輕了操作人員的勞動強度，提高了磨礦效率，實現(xiàn)了鋼球補加和控制的自動化。

2 磨礦分級優(yōu)化控制技術

優(yōu)化控制技術可以實現(xiàn)對泵池液位，旋流器入口流量、質量分數(shù)、壓力以及出口質量分數(shù)、粒度，磨機功耗的檢測，利用裝球量、磨機排礦質量分數(shù)、旋流器溢流粒度的預估模型，通過給礦、泵池液位、旋流器組開關、循環(huán)負荷、功率等的調節(jié)，實現(xiàn)過程優(yōu)化，保證磨礦分級過程穩(wěn)定和達到最大處理能力。磨礦分級優(yōu)化控制示意如圖 2 所示。

圖2 磨礦分級優(yōu)化控制過程Fig.2 Process flow of optimization control for grinding classification

2.1 磨機給礦優(yōu)化控制

磨機的給礦控制是磨礦過程優(yōu)化控制要解決的核心問題。利用磨機負荷監(jiān)測系統(tǒng)提供的磨機負荷特征β值，給礦優(yōu)化控制器自動調整磨機給礦量，同時相應調整前補加水、鋼球的添加量，使得磨機的給礦量、返砂量與排礦量相匹配，使其充填率、磨礦質量分數(shù)、粒度處于最佳范圍，保持滿負荷且不脹肚的狀態(tài)，從而發(fā)揮磨機的最大處理能力。采用磨機β值與給礦設定值的閉環(huán)調節(jié)，與人工設定操作相比，磨機平均處理能力提高了 17 t/h，約 9.1%，具體如表 1 所列。表 1 中的磨礦處理量是相對值，優(yōu)化控制值指的是球磨機實際增加的處理能力。

由表 1 可知：在磨礦處理量方面，處理量顯著提高；β值有所降低，表明磨機有效負荷增加；在溢流粒度方面，粒度變化很??；在溢流質量分數(shù)方面，質量分數(shù)變化幅度較?。辉诟∵x回收率方面，指標明顯提高。

表1 磨機給礦優(yōu)化試驗結果Tab.1 Results of optimization test for ore feeding to mill

2.2 滯后問題優(yōu)化控制

該廠的粉礦倉體積很大，從粉礦倉底部的給礦口到磨機入口有一條較長的輸送帶，礦量檢測儀安裝在靠近磨機入口處，這就帶來控制上的滯后問題，如果處理不當，會引起給礦量的波動甚至振蕩。為了減少滯后對控制速度、精度的影響，采用了兩種方式：一是設置合理的控制器參數(shù)，盡可能減小穩(wěn)態(tài)誤差，同時不能出現(xiàn)發(fā)散的情況；二是根據(jù)給礦機特性設置啟動初值，并將礦量的測量值做預處理，確?？刂破鞯玫脚c實際相符的反饋值。

2.3 給礦口切換優(yōu)化控制

粉礦倉設有多個給礦口，各口之間需要輪轉切換，對這種需求的簡單處理會造成切換時巨大的擾動，即使時間很短，也會明顯影響磨機的工作狀態(tài)。

采用精細化控制策略對每個給礦口的位置、給礦能力進行標定，利用軟件控制給礦機切換的時序、頻率，從而大大減少切換時的擾動。無論是礦量波動的幅度還是時間，精細化控制都顯著優(yōu)于普通控制和人工控制。

2.4 水量控制與執(zhí)行機構優(yōu)化控制

水量控制在選礦過程中極為常見，看似簡單，但要達到最佳的控制性能卻非常困難。其中最重要的問題就是執(zhí)行機構特性差異極大，即使是同一款電動調節(jié)閥，它的流量特性也不盡相同。該廠通過對不同執(zhí)行機構特性的數(shù)學建模，將水量控制實現(xiàn)完整而真實的計算機仿真，從而為每一個水量控制回路設計相應的控制器參數(shù)，實現(xiàn)了每個回路的最優(yōu)解。相比普通控制策略，優(yōu)化控制策略在控制精度、速度以及閥門動作頻率和幅度上均有明顯優(yōu)勢，其穩(wěn)態(tài)誤差縮小約75%，動作頻率減小約 90%。

2.5 分級優(yōu)化控制

分級系統(tǒng)是磨礦過程的重要環(huán)節(jié)，主要設備有泵池、泵、旋流器等；關鍵參數(shù)有分級壓力、溢流粒度、泵池液位等；其控制難點在于受控的變量往往多于控制手段，很難兼顧所有工藝指標。例如旋流器分級壓力和泵池液位均與泵速關系密切，顯然無法做到二者同時控制。優(yōu)化控制方案可充分利用泵池的有效容積，在不出現(xiàn)冒頂、打空等前提下，優(yōu)先保證核心工藝指標的控制效果，通過帶記憶的變結構控制策略，實現(xiàn)最優(yōu)的綜合性能。

3 結論

(1) 基于磨機負荷β值的給礦設定值優(yōu)化控制是有效的。磨機優(yōu)化控制與分級控制配合，在保證產(chǎn)品質量的前提下，磨機處理量提高約 9.1%。

(2) 通過磨礦分級自動化系統(tǒng)實現(xiàn)在線監(jiān)控，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工監(jiān)控方式，提高了系統(tǒng)的安全性。

(3) 磨機負荷監(jiān)測技術以及精細化給礦控制穩(wěn)定了磨機的負載率，杜絕因斷料造成的空砸情況，延長了襯板的使用壽命。生產(chǎn)流程的穩(wěn)定減少了企業(yè)的意外損失。同時，通過各種先進檢測技術和優(yōu)化控制技術的應用，磨礦分級及相關生產(chǎn)崗位人員精簡了30%。

(4) 自動控制與優(yōu)化控制技術對磨礦分級各工藝環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)化監(jiān)控，實時觀察分析各磨礦分級系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為操作工進行實時的工藝調整提供了直觀的數(shù)據(jù)，保證了車間工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了精準化作業(yè)目的，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。