基于Expert-PID算法的礦山球磨機(jī)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 帆,王鈺涌,張沛航,李 博,劉 水

(1.西北工業(yè)大學(xué) 倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院, 西安 710072；2.西安捷達(dá)測(cè)控有限公司, 西安 710199)

0 引言

礦山球磨機(jī)是選礦企業(yè)非常重要的磨礦設(shè)備，它主要由給料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加水管道、出料機(jī)構(gòu)以及配套測(cè)控傳感器、控制閥門等組成，它是礦山采石選礦配套的關(guān)鍵工序設(shè)備之一，其最為常見(jiàn)的為格子型濕式球磨機(jī)，它通過(guò)加入一定比例的鋼球?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種礦石和適量的水進(jìn)行濕式粉磨[1]。工作時(shí)礦石物料首先通過(guò)螺旋均勻地進(jìn)入內(nèi)裝不同規(guī)格鋼球第一倉(cāng)粗磨，其次進(jìn)入第二倉(cāng)進(jìn)一步研磨，最后進(jìn)入第三或尾倉(cāng)進(jìn)行細(xì)磨成合格產(chǎn)品并通過(guò)出料螺旋筒到回轉(zhuǎn)篩后排出。

礦山球磨機(jī)在選礦中主要是將礦石中的有用組分實(shí)現(xiàn)單體解離，不同的礦石在磨礦中其單體解離的程度跟礦石與水的配比息息相關(guān)，該配比也稱為礦漿濃度，其表征磨礦濃度與細(xì)度的技術(shù)指標(biāo)，在整個(gè)選礦工藝中有著極為重要的作用。礦漿濃度直接影響筒體內(nèi)礦漿的流動(dòng)性和輸送粉狀礦石顆粒的能力，也影響磨礦介質(zhì)鋼球作用的發(fā)揮。目前部分選礦企業(yè)的礦石球磨機(jī)礦漿濃度的控制完全靠現(xiàn)場(chǎng)工人憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)控，手動(dòng)方式體現(xiàn)出勞動(dòng)強(qiáng)度大、易受主觀因素影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大幅度的跑偏[2-3]。還有一部分自動(dòng)化程度高的球磨機(jī)采用傳統(tǒng)的PID算法自動(dòng)控制加水閥門，但是由于礦漿濃度受礦石量、鋼球量、加水量等多變量影響[4]，其控制呈現(xiàn)出非常明顯的非線性、滯后性、大慣性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PID算法很難解決多因素環(huán)境精確控制礦漿濃度，這很容易導(dǎo)致選礦后續(xù)工序中有用礦物回收率低[6]，給企業(yè)帶來(lái)較大的隱形經(jīng)濟(jì)損失。

專家系統(tǒng)(expert system)是人工智能傳統(tǒng)領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支，它用知識(shí)存儲(chǔ)與邏輯推理模擬人類專家解決復(fù)雜工程問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域[5]。選礦過(guò)程中把握好合適的礦漿濃度對(duì)于選礦后續(xù)工藝顯得尤為重要，本文擬結(jié)合傳統(tǒng)PID與Expert System各自的優(yōu)越性，將其復(fù)合為一個(gè)綜合控制算法實(shí)現(xiàn)礦山球磨機(jī)礦漿濃度的精確穩(wěn)定控制。

1 礦山球磨機(jī)控制模型建立

礦山球磨機(jī)的作用將礦石磨成一定的細(xì)度通過(guò)加入適量的水為后續(xù)分級(jí)機(jī)提供合適穩(wěn)定的礦漿濃度。對(duì)于球磨機(jī)來(lái)說(shuō)主要三個(gè)輸入?yún)?shù)：給礦量、鋼球量、加水量，一個(gè)輸出參數(shù)：特定濃度的排漿量。給礦量一般通過(guò)電子秤每隔一定的周期稱量送入到球磨機(jī)中，鋼球的數(shù)量一般通過(guò)加球機(jī)定時(shí)推入到球磨機(jī)中，加水量一般是通過(guò)管道閥門持續(xù)不斷的輸送到球磨機(jī)中。因此可以構(gòu)建一個(gè)五元組的球磨機(jī)的模型：BallMill=。礦漿濃度(slurry)是指礦漿中所含固體重量的多少，并用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示[7]。其計(jì)算如公式(1)為：

WSlurry=WOre/WTotal×100%=

WOre/(WOre+WBall+WWater)×100%

(1)

式中，WSlurry為礦漿的重量百分濃度(%)；WOre為礦漿中礦石顆粒的重量(kg)；WBall為礦漿中鋼球損耗的重量(kg)；WWater為礦漿中液體水的重量(kg)；WTotal為礦漿所有組分總的重量(kg)。

考慮到球磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，鋼球損耗的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦石變?yōu)榧?xì)小顆粒的重量，故可以忽略不計(jì)，因此礦漿濃度的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為公式(2)：

CSlurry=WOre/(WOre+WWater)×100%

(2)

在該模型中，因?yàn)榻o礦量Ore是由電子秤每隔一段時(shí)間輸入到球磨機(jī)中，由于上游破碎環(huán)節(jié)來(lái)礦量經(jīng)常動(dòng)態(tài)變化，加上稱量的間隔周期與實(shí)際稱量很難精確，此時(shí)如果以恒定流量加水，很難保證穩(wěn)定的礦漿濃度，因此需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整閥門使得進(jìn)水流量動(dòng)態(tài)適應(yīng)實(shí)際給礦量才能保證滿足后續(xù)浮選工藝的礦漿濃度。進(jìn)水流量的計(jì)算如果公式(3)所示：

(3)

式中，μ為管道流量系數(shù)；A為管道過(guò)水面積；g為重力加速度；H為管道的作用水頭。

管道的流量系數(shù)μ是衡量管道通水能力的指標(biāo),流量系數(shù)值大，說(shuō)明管道的流通能力大，流體流過(guò)管道時(shí)的壓力損失小，其取值可以根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)確定。A在本文中主要就是指的管道截面積，其越大表明同行的上限流量數(shù)值就越大。管道的作用水頭H是管線內(nèi)液體的壓強(qiáng)，管道里的水壓力常以kg/cm*cm表示。

通過(guò)上述系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)可以看出，礦山球磨機(jī)控制系統(tǒng)核心內(nèi)容就是如何準(zhǔn)確、有效控制礦漿中的礦石細(xì)小顆粒重量與加水量的合理配比。

2 礦山球磨機(jī)Expert-PID物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大部分選礦企業(yè)球磨設(shè)備生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，灰塵與噪音往往很大，對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)操作人員身心健康非常不利。物聯(lián)網(wǎng)(IoT，Internet of Things)是新一代萬(wàn)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[22]，使用該技術(shù)可以在球磨設(shè)備上布置若干傳感器采集礦山球磨機(jī)的加球量、給礦量、加水量、閥門開(kāi)度等信息，并通過(guò)Expert-PID算法動(dòng)態(tài)控制加水閥門的大小，使得礦漿濃度滿足后續(xù)浮選工藝要求。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理論、礦山球磨機(jī)設(shè)備工藝特定與遠(yuǎn)程安全穩(wěn)定測(cè)控要求，設(shè)計(jì)出如圖1所示的礦山球磨機(jī)Expert-PID物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)宏觀架構(gòu)[9]，從下至上為感知層、匯聚層、控制層、應(yīng)用層，下面分別詳細(xì)介紹。

圖1 礦山球磨機(jī)Expert-PID物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)宏觀架構(gòu)圖

2.1 感知層

感知層位于本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最低層，它主要為球磨機(jī)設(shè)備的信號(hào)傳感器(Sensor)或者執(zhí)行器(Actuator)，包含礦石稱重傳感器節(jié)點(diǎn)、礦山稱重控制節(jié)點(diǎn)、進(jìn)水流量傳感器節(jié)點(diǎn)、進(jìn)水閥門控制節(jié)點(diǎn)、礦漿濃度傳感節(jié)點(diǎn)?？紤]到設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，通過(guò)有線的方式通信連接不方便且維護(hù)成本較高，本系統(tǒng)將感知層設(shè)計(jì)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor network)，其采用Texas Instruments公司2.4 GHz 頻段CC2530 ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(SoC)芯片，其外圍連接電路如圖2所示，CC2530內(nèi)置了良好性能的RF信號(hào)收發(fā)器單元、功能強(qiáng)大的8051單片機(jī)CPU、較大容量的可編程的Flash Memory以及可以擴(kuò)展的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM。CC2530為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)低功耗的要求可以設(shè)置不同的運(yùn)行模式。CC2530結(jié)合了Texas Instruments公司的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧(Z-StackTM)，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee 解決方案[15]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)CC2530芯片外圍連接電路圖

本系統(tǒng)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)工作機(jī)制基本相同，只是信號(hào)的流向有所差異。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)各自的感知電路采集開(kāi)關(guān)量(ON-OFF通斷信號(hào))、電流(4～20 mA)、電壓(1～5 V)等數(shù)據(jù)，內(nèi)部通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換并硬件濾波得到正確的物理量放入CC2530緩沖區(qū)內(nèi)存；執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制量將開(kāi)關(guān)信號(hào)或者數(shù)字量輸出信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成電流(4～20 mA)、電壓(1～5 V)等模擬量信號(hào)輸出到給礦、加水執(zhí)行機(jī)構(gòu)上去。

2.2 匯聚層

匯聚層在本物聯(lián)網(wǎng)中就是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(Coordinator)，主要是將感知層所有的WSN節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的形式收集起來(lái)發(fā)送到控制層，同時(shí)將控制層發(fā)出的調(diào)控信號(hào)下發(fā)到感知層的執(zhí)行器上。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件單元組成原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，內(nèi)部包含的主要模塊有：CC2530控制中心單元、外部?jī)?chǔ)存單元、鍵盤I/O單元、無(wú)線信號(hào)天線單元、節(jié)點(diǎn)本地顯示單元、直流電池供電單元、USB本地接口單元、RS485上行通信單元等組成。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件單元組成原理結(jié)構(gòu)圖

CC2530控制中心單元為節(jié)點(diǎn)的核心芯片，它協(xié)調(diào)和控制其他單元的正常運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線信號(hào)天線單元收集下層傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或者發(fā)送調(diào)節(jié)信號(hào)給執(zhí)行器。USB本地接口單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下載程序、設(shè)置參數(shù)功能。節(jié)點(diǎn)本地顯示單元可以將球磨機(jī)設(shè)備各個(gè)傳感器采集或者執(zhí)行器的控制數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)本地實(shí)時(shí)顯示，方便本地測(cè)控調(diào)試工作。外部?jī)?chǔ)存單元主要是存放協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)本地歷史采集數(shù)據(jù)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。鍵盤I/O單元使用矩陣掃描方式工作檢查用戶按鍵操作信號(hào)，通過(guò)它可以跟節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本地人機(jī)交換。直流電池供電單元通過(guò)為節(jié)點(diǎn)提供本地直流工作電源支持。RS485上行通信單元實(shí)現(xiàn)跟上層Expert-PID物聯(lián)網(wǎng)控制中心(Server)長(zhǎng)距離有線抗干擾串口通信。

2.3 操作層

操作層為Expert-PID物聯(lián)網(wǎng)控制中心(Server)，在本系統(tǒng)中包含硬件為一臺(tái)高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(industry control computer)以及在其運(yùn)行的含有Expert-PID算法的服務(wù)器軟件系統(tǒng)?？紤]到球磨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在高強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲干擾，需采用可靠性與穩(wěn)定性較高的工業(yè)PC作為中心控制計(jì)算機(jī)，它需要具備兩個(gè)接口，一個(gè)是跟下層協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的RS485通信接口，另一個(gè)是跟應(yīng)用層上行通信的網(wǎng)絡(luò)接口。

操作層最為重要的是Expert-PID物聯(lián)網(wǎng)控制中心(Server)軟件設(shè)計(jì)，它包含的功能模塊如圖4所示，主要名稱與內(nèi)容描述如下：1)系統(tǒng)調(diào)度模塊，它為操作層服務(wù)器系統(tǒng)的主控模塊，根據(jù)系統(tǒng)的事件與優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)或者停止其他模塊的運(yùn)行；2)設(shè)備工藝畫面模塊，它是服務(wù)器軟件中主要的人機(jī)界面顯示模塊，將球磨機(jī)設(shè)備結(jié)合采集量、控制量以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式直觀顯示出來(lái)；3)下行RS485通信模塊，它是Server軟件與下位協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸信息的通道，采用工業(yè)上主流穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)距離RS485總線技術(shù)；4)Expert-PID算法控制模塊，它是操作層服務(wù)器系統(tǒng)最為重要的核心模塊，也是本系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)目的的主要依賴工具，通過(guò)本算法實(shí)現(xiàn)對(duì)礦漿濃度維持符合磨礦工藝要求相對(duì)恒定的狀態(tài)設(shè)定量[14]；5)上行TCP/IP通信模塊，它提供給應(yīng)用層PC機(jī)或者移動(dòng)手機(jī)客戶端訪問(wèn)的通道；6)數(shù)據(jù)記錄查詢模塊，它實(shí)現(xiàn)將采集到球磨機(jī)各傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以查詢?yōu)g覽數(shù)據(jù)并為企業(yè)生產(chǎn)提供分析決策支持；7)動(dòng)態(tài)曲線趨勢(shì)模塊，它將采集到的數(shù)據(jù)以圖形化動(dòng)態(tài)曲線的形式顯示出來(lái)，為用戶提供直觀的趨勢(shì)信息判斷未來(lái)測(cè)量信息走勢(shì)，從而可以進(jìn)一步干預(yù)后續(xù)正確調(diào)控設(shè)置參數(shù)。

圖4 操作層軟件系統(tǒng)主要模塊組成圖

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層包含選礦企業(yè)工廠局域網(wǎng)范圍的PC機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端程序設(shè)計(jì)與手機(jī)移動(dòng)客戶端程序設(shè)計(jì)。通過(guò)PC機(jī)或者手機(jī)客戶端，選礦設(shè)備技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的各傳感器實(shí)時(shí)采集信息，根據(jù)需要可以遠(yuǎn)程調(diào)整礦漿濃度的Expert-PID知識(shí)庫(kù)中各種參數(shù)。

應(yīng)用層的PC機(jī)或者手機(jī)客戶端系統(tǒng)的模塊主要包含主循環(huán)調(diào)度模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、球磨機(jī)設(shè)備工藝畫面模塊、Expert-PID參數(shù)查看設(shè)置模塊、記錄數(shù)據(jù)查詢模塊、動(dòng)態(tài)曲線顯示模塊等，其功能與框圖跟操作層類似，就不再重復(fù)論述。

3 礦山球磨機(jī)Expert-PID算法設(shè)計(jì)

選礦浮選工藝中，礦漿濃度Slurry (Slur)和回收率Retrieve (Retr)具有一定程度的相關(guān)規(guī)律性，其相關(guān)性如式(4)所示：

(4)

式中，α為浮選正相關(guān)系數(shù)，β為浮選負(fù)相關(guān)系數(shù)，f為相關(guān)函數(shù)。從公式(4)可以看出當(dāng)?shù)V漿濃度Slur在小于等于SK范圍時(shí)，Slur越大，回收率逐漸增加，Slur=SK時(shí)達(dá)到最大值Rmax；但Slur超過(guò)最佳濃度SK時(shí)，回收率Retr又逐漸降低。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是在給礦量、加水量動(dòng)態(tài)變化的情況下實(shí)現(xiàn)選礦后續(xù)浮選工藝要求的最佳的礦漿濃度SK，其需要一個(gè)高性能先進(jìn)的調(diào)控算法-Expert-PID。

3.1 傳統(tǒng)的PID算法

在自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域中，目前發(fā)展最為成熟的技術(shù)就是傳統(tǒng)PID控制算法[8]，它不需要精確的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)置合適的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或者動(dòng)態(tài)自整定即可獲得較好的調(diào)控效果。在球磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)感知層礦漿濃度傳感器采集到濃度值Slurry是隨時(shí)間t變化的函數(shù)，其用P(t)表示，設(shè)定的最佳濃度為SK，其偏差為e(t)=SK-P(t)，通過(guò)PID算法最后得到的給水量閥門調(diào)控輸出值v(t)。球磨機(jī)采用傳統(tǒng)的PID算法[21]，如式(5)所示：

(5)

式中，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，TI是積分動(dòng)態(tài)系數(shù)，TD是微分動(dòng)態(tài)系數(shù)，KP是比例動(dòng)態(tài)系數(shù)。

公式(5)為傳統(tǒng)的PID算法的模擬運(yùn)算表示，它不宜用于計(jì)算機(jī)數(shù)字化連續(xù)求解。如果在一定時(shí)間周期T內(nèi)，將數(shù)學(xué)上積分求解化解為若干次偏差e(k)求和，兩次偏差相減e(k)-e(k-1)表示微分計(jì)算，就可以得到數(shù)字化位置型PID算法公式(6)，這樣就可以方便計(jì)算機(jī)離散化數(shù)字運(yùn)算[13]。

(6)

其輸出控制量v(k)對(duì)應(yīng)球磨機(jī)給水閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制位置，但是這種算法每次得到都是閥門應(yīng)該處于的位置，由于球磨機(jī)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，容易受到環(huán)境噪聲的干擾，導(dǎo)致閥門頻繁開(kāi)大或者關(guān)小，這不利于設(shè)備的長(zhǎng)久健康運(yùn)行，另外該公式運(yùn)算容易產(chǎn)生大的累加誤差[18]。如果將兩次位置型PID算法公式相減，即v(k)-v(k-1)，可以得到增量型PID控制算法[19]，如公式(7)所示：

Δv(k)=KP[e(k)-e(k-1) ]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(7)

從增量型PID算法公式(7)可以看出，計(jì)算機(jī)運(yùn)算只需要記住最近3次的偏差值e，就可以計(jì)算出在上次閥位的基礎(chǔ)上增加或者減少的調(diào)整量。這對(duì)于球磨機(jī)加水管道閥門控制非常有利，它是基于上次的閥門位置進(jìn)行增量調(diào)控，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，每次控制不會(huì)大幅度的調(diào)整閥門位置，這對(duì)于閥門的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行非常有利[16]。

傳統(tǒng)的PID算法中，KP、TI、TD系數(shù)由用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，往往不能適應(yīng)球磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中多變量、滯后性、大慣性等復(fù)雜情況，因而有時(shí)出現(xiàn)調(diào)控偏差大的情況[20]。

3.2 Expert-PID復(fù)合算法

專家系統(tǒng)(Expert System)是一種根據(jù)輸入?yún)?shù)基于知識(shí)庫(kù)中的邏輯規(guī)則進(jìn)行推理運(yùn)算的控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)PID的算法跟專家系統(tǒng)進(jìn)行融合就可以得到礦山球磨機(jī)Expert-PID復(fù)合算法[10-11]，其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 礦山球磨機(jī)Expert-PID復(fù)合算法原理圖

其算法工作原理內(nèi)容描述如下：1)因加入到球磨機(jī)給礦量與進(jìn)水流量動(dòng)態(tài)變化，球磨機(jī)礦漿濃度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量值為P(t)，它隨著時(shí)間t的不同而發(fā)生改變；2)礦漿濃度測(cè)量值根據(jù)選礦后續(xù)工藝的要求其提供最佳濃度設(shè)定值SK,調(diào)控的目標(biāo)使得偏差e(t)無(wú)限接近零；3)閾值檢測(cè)器主要是給Expert System推理機(jī)供球磨機(jī)工藝狀態(tài)檢測(cè)閾值范圍參數(shù)：偏差的e(t)的范圍、給礦量的范圍、礦漿濃度當(dāng)前所處范圍等；4)Expert System知識(shí)庫(kù)存放了球磨機(jī)狀態(tài)參數(shù)各種閾值范圍下PID控制效果知識(shí)，它由礦山專家領(lǐng)域知識(shí)和設(shè)備操作人員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)組成，它主要是由若干條動(dòng)態(tài)IF-ELSE產(chǎn)生式邏輯控制規(guī)則組成；5)Expert System推理機(jī)根據(jù)閾值檢測(cè)器的提供的當(dāng)前狀態(tài)范圍參數(shù)條件搜索系知識(shí)庫(kù)里面提供的產(chǎn)生式邏輯控制規(guī)則知識(shí)給增量型PID控制器提供合適的比例參數(shù)CP、積分參數(shù)CI、微分參數(shù)CD，并調(diào)用增量型數(shù)字PID控制器根據(jù)偏差e(t)進(jìn)行運(yùn)算得到實(shí)際控制輸出參數(shù)v(t)，并將增量值把它發(fā)送給球磨機(jī)加水閥門上[17]；6)評(píng)價(jià)優(yōu)化機(jī)構(gòu)是Expert System的優(yōu)化自學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)，它根據(jù)本次調(diào)控輸出后偏差e(t)變化趨勢(shì)是否處于收縮趨勢(shì)給出綜合評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上將優(yōu)化閾值參數(shù)數(shù)據(jù)寫入到知識(shí)庫(kù)更新邏輯產(chǎn)生式規(guī)則。

本Expert-PID復(fù)合算法中主要有如下4種產(chǎn)生式規(guī)則：

1) if (|e(t)|

v(t)=v(t-1)+CIe(t)

(8)

當(dāng)|e(t)|0), 此時(shí)加水閥門可以基本維持不變，在此基礎(chǔ)上作用弱積分效應(yīng)即可。

2) if (e(t)≥E1) then執(zhí)行公式(9)：

v(t)=Vmax

(9)

當(dāng)e(t)≥E1成立時(shí)，說(shuō)明工藝要求礦漿濃度SK與測(cè)量濃度P(t)正偏差的高于允許設(shè)定的上限閾值參數(shù)E1(E1>0)值，這說(shuō)明加水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于礦石顆粒形成礦漿的要求，此時(shí)將加水閥門直接開(kāi)到最大值，使其快速達(dá)到目標(biāo)濃度。

③if (e(t)≤E2) then執(zhí)行公式(10)：

v(t)=Vmin

(10)

當(dāng)e(t)≤E2成立時(shí)，說(shuō)明工藝要求礦漿濃度SK與測(cè)量濃度P(t)負(fù)偏差的低于允許設(shè)定的下限閾值參數(shù)E2(E2<0)值，這說(shuō)明加水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦石顆粒形成礦漿的要求，此時(shí)將加水閥門直接開(kāi)到最小值，使其快速達(dá)到目標(biāo)濃度。

④if (Em≥e(t)≥En) then執(zhí)行公式(11)：

v(t)=v(t-1)+{XP[e(t)-e(t-1)]+XIe(t)+

XD[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]}

(11)

將偏差分成若干等級(jí)，分別處于不同的閾值[Em,En]區(qū)間范圍，應(yīng)該選取不同的比例參數(shù)XP、積分參數(shù)XI、微分參數(shù)XD，使得數(shù)字PID運(yùn)算采用最合適系數(shù)運(yùn)算，最終可以快速調(diào)節(jié)閥門達(dá)到控制目標(biāo)[12]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

作者運(yùn)用本文提出的物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)理論與Expert-PID調(diào)控算法為國(guó)內(nèi)某選礦廠磨礦車間多臺(tái)格子型濕式球磨機(jī)進(jìn)行了實(shí)際的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的操作層球磨機(jī)Expert-PID軟件運(yùn)行工藝畫面如圖6所示。

圖6 操作層球磨機(jī)Expert-PID軟件運(yùn)行工藝畫面

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)調(diào)控礦漿濃度的效果，運(yùn)用本文提出的基于Expert-PID復(fù)合算法與傳統(tǒng)的增量型PID算法在該選礦企業(yè)的格子型濕式球磨機(jī)進(jìn)行對(duì)比運(yùn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，兩種算法都針對(duì)基于同一臺(tái)球磨機(jī)在相同測(cè)控硬件、操作系統(tǒng)環(huán)境下依次分別運(yùn)行2個(gè)小時(shí)且加水、給礦設(shè)備都處于理想運(yùn)行狀態(tài)，兩次實(shí)驗(yàn)的給礦頻次與給礦量基本一致，兩次實(shí)驗(yàn)的設(shè)定CSlurry=28.5%，Expert-PID復(fù)合算法與傳統(tǒng)的增量型PID算法初始參數(shù)都為：KP=0.45；TI=255.0；TD=35.0，系統(tǒng)運(yùn)行后Expert-PID根據(jù)算法規(guī)則動(dòng)態(tài)選擇合適比例參數(shù)CP、積分參數(shù)CI、微分參數(shù)CD賦給KP、TI、TD，傳統(tǒng)的增量型PID算法參數(shù)維持不變。通過(guò)配套軟件記錄數(shù)據(jù)后期在軟件中合并形成的對(duì)比動(dòng)態(tài)曲線如圖7所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人為有意不規(guī)則的加大與減小瞬時(shí)給礦量一次。

通過(guò)圖7的實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線可以看出，Expert-PID復(fù)合算法能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)量礦漿濃度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定的最佳濃度，傳統(tǒng)的PID算法需要較長(zhǎng)時(shí)間才能調(diào)控到較為穩(wěn)定的目標(biāo)值。對(duì)于不規(guī)則的外部增加或者減小給礦量引起的測(cè)量礦漿濃度值的迅速變化，Expert-PID復(fù)合算法比傳統(tǒng)的PID算法根據(jù)專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)做出基本一步到位的給水調(diào)節(jié)輸出量，呈現(xiàn)出較好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性能，從而使得測(cè)量值與設(shè)定值總體偏差較小，其波動(dòng)幅度相對(duì)較為平穩(wěn)。

圖7 Expert-PID復(fù)合算法與傳統(tǒng)PID運(yùn)行效果對(duì)比曲線

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)控制技術(shù)在該選礦廠磨礦車間多臺(tái)格子型濕式球磨機(jī)進(jìn)行實(shí)際改造運(yùn)行，改造前該企業(yè)的礦山球磨機(jī)為儀器儀表輔助手動(dòng)控制(Manuel)方式，通過(guò)企業(yè)的大約6個(gè)月對(duì)編號(hào)QMJ-III-K3球磨機(jī)改造前后運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，其改造前后磨礦產(chǎn)品溢流濃度與實(shí)際礦石處理能力技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 某選礦廠球磨機(jī)實(shí)施本系統(tǒng)前后技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

從表1中可以看出，采用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)控制系統(tǒng)可以一定程度上的提高了礦石處理能力，且磨礦產(chǎn)品的溢流濃度也得到較好的增加，為該企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益的較大提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

球磨機(jī)是選礦企業(yè)非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，如果采用傳統(tǒng)的人工控制或者儀器儀表輔助控制，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、礦漿濃度不穩(wěn)定等落后狀況。運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)球磨機(jī)礦漿濃度自動(dòng)化控制系統(tǒng)，采用分層的設(shè)計(jì)手段，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化處理，具有較高的可行性與可維護(hù)特性。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中對(duì)球磨機(jī)礦漿濃度采用Expert-PID復(fù)合算法可以針對(duì)不同的外界傳感器參數(shù)閾值范圍實(shí)施不同的比例、積分、微分參數(shù)運(yùn)算，可以使得實(shí)際礦漿測(cè)量值能夠快速且較小偏差的跟隨選礦要求的最佳濃度值，它比傳統(tǒng)的PID算法具備更好的魯棒性、穩(wěn)定性與可靠性。企業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明，本物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)在一定程度上改變礦山球磨機(jī)手動(dòng)控制產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)較低、處理能力落后的狀況，具備較好的應(yīng)用推廣價(jià)值，同時(shí)給同類礦山設(shè)備遠(yuǎn)程控制提供了較好的示范作用。