Integrated automation system of grinding process based on intelligent optimizing control ZHAO Dayong, YUE Heng, ZHOU Ping, CHAI Tianyou (Research Center of Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China)
Abstract：The grinding processes in mineral processing plants are characterized by non-linearity, time-variability, with large inertia. Furthermore, their boundary conditions often change during operation, and technical indexes such as grinding particle size are difficult to measure online, and optimizing control is difficult to achieve. These often result in unstable operation, so the product quality and grinding efficiency cannot be guaranteed. This paper develops a hierarchical integrated automation system for this complex process, consisting of an intelligent optimizing process control layer and a process management layer. The structure, functions of the system and the intelligent optimizing control strategy are discussed. The intelligent optimizing process control layer includes an intelligent optimal setting system and a loop control system. Technical indexes are predicted by the soft-sensors, and the basic loop setpoints are optimized by the optimal setting models based on the prediction. This system has been successfully applied in a large mineral processing plant. The grinding processes have been stabilized, and key technical indexes have been evidently improved. Key words：grinding； integrated automation system；optimizing control 0 引言 磨礦過程是選礦廠的中間工序。礦石經(jīng)過物理的研磨、分級(jí)作用，顆粒由大變小到一定的程度，才能達(dá)到礦石的單體解離或近于單體解離，有利于選別工序的金屬回收和金屬富集。因此磨礦過程是影響選礦生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接制約著選礦產(chǎn)品質(zhì)量和金屬回收率。此外，磨礦作業(yè)能耗占選礦廠整個(gè)選礦過程的40%～60%。因此磨礦過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制具有重要意義。國外對(duì)磨礦過程的建模與控制的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，控制方法包括優(yōu)化控制[1]，多變量控制[2] ，預(yù)測(cè)控制[3]，但是國外的磨礦流程和設(shè)備與我國不盡相同，國外一般都用棒磨機(jī)為一段開路磨礦，或以新給礦配水力旋流器構(gòu)成磨礦閉路，并普遍使用粒度計(jì)等高精密在線檢測(cè)儀表，因此其研究成果難以適用于實(shí)現(xiàn)我國磨礦過程的自動(dòng)控制。國外對(duì)于磨礦粒度的軟測(cè)量的研究，僅限于用來代替常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)回路控制[4]。我國的磨礦過程具有自身特點(diǎn)，廣泛使用螺旋分級(jí)機(jī)。磨礦過程本身的大慣性、參數(shù)時(shí)變、非線性、邊界條件波動(dòng)大等復(fù)雜特性，以及關(guān)鍵工藝指標(biāo)磨礦粒度難以在線測(cè)量，導(dǎo)致在我國磨礦過程自動(dòng)化水平低，目前只在部分廠礦實(shí)現(xiàn)了給礦、給水等基礎(chǔ)回路的自動(dòng)控制。歐洲鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展指南指出：“對(duì)于降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗只能通過全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)[5]”。文獻(xiàn)[6]針對(duì)選礦過程提出了過程穩(wěn)定化、過程優(yōu)化、過程管理三層結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]提出了企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過程控制系統(tǒng)（PCS）三層結(jié)構(gòu)的金礦企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，成功應(yīng)用于遼寧省排山樓金礦，且成效顯著。結(jié)合磨礦的生產(chǎn)技術(shù)要求及工藝特點(diǎn)，從穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高磨礦效率、降低能耗的總體控制目標(biāo)出發(fā)，基于優(yōu)化關(guān)鍵生產(chǎn)工藝指標(biāo)的實(shí)際出發(fā)，結(jié)合專家系統(tǒng)、案例推理等人工智能技術(shù)，提出了過程管理系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)組成的二層結(jié)構(gòu)的磨礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。 1 磨礦過程描述 磨礦過程主要是將礦石經(jīng)過磨礦過程，處理成細(xì)粒度級(jí)的顆粒，提供給選別作業(yè)。其工藝流程圖如圖1所示。圓筒礦倉內(nèi)的粉礦經(jīng)由電振排料機(jī)、給礦皮帶，送入一段球磨機(jī)內(nèi)，經(jīng)過球磨機(jī)、雙螺旋分級(jí)機(jī)組成的一段閉路磨礦系統(tǒng)細(xì)磨后，再經(jīng)過細(xì)篩的篩分作用，大顆粒的礦石被送入由二段球磨機(jī)、水力旋流器組成的二段閉路磨礦系統(tǒng)繼續(xù)再磨，水力旋流器的溢流和經(jīng)篩分作用后的小顆粒被送入選別工序。為了保證磨礦分級(jí)效果，必須在一段磨機(jī)入口、一段磨機(jī)出口和二段泵池處分別加入一定流量的清水。 磨礦過程最關(guān)鍵的工藝指標(biāo)是二段磨礦的旋流器溢流粒度指標(biāo)。從控制的角度看，影響磨礦作業(yè)的主要因素有一段球磨機(jī)給礦量、一段球磨機(jī)磨礦質(zhì)量濃度、螺旋分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度、水力旋流器給礦壓力、水力旋流器給礦質(zhì)量濃度等。保持球磨機(jī)給礦量穩(wěn)定，使其不波動(dòng)或波動(dòng)范圍很小，對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定球磨機(jī)磨礦過程都是很重要的因素，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮應(yīng)保證球磨機(jī)的最大處理能力。對(duì)于格子型球磨機(jī)來說，一個(gè)比較合適的磨礦質(zhì)量濃度是實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)磨礦效率高低的前提，磨礦質(zhì)量濃度的過高或過低都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響，比如球磨機(jī)漲肚等事故。螺旋分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度在某種程度上與一次分級(jí)溢流粒度有一定的關(guān)系，并且溢流質(zhì)量濃度的高低將會(huì)影響分級(jí)機(jī)返砂的多少和返砂的質(zhì)量濃度，從而影響球磨機(jī)的磨礦效率和球磨機(jī)的處理量，因此控制分級(jí)機(jī)溢流質(zhì)量濃度是控制產(chǎn)品質(zhì)量好壞、磨礦效率的重要環(huán)節(jié)。為了保證水力旋流器在生產(chǎn)上的穩(wěn)定及其產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，必須控制旋流器的給礦壓力，保證旋流器的工作狀況最佳（沉砂呈傘裝，角度不能過大或過小），防止產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，同時(shí)也防止旋流器給礦泵池被打空或打冒。旋流器的溢流粒度與旋流器的給礦質(zhì)量濃度有一定的關(guān)系，此參數(shù)配合旋流器的給礦壓力將是控制旋流器分級(jí)效率的重要工作參數(shù)。以上各種因素的相互影響，共同作用，決定了磨礦作業(yè)的好壞。正是從該工藝的生產(chǎn)技術(shù)要求及工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了磨礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
4 結(jié)束語 針對(duì)磨礦過程當(dāng)中存在的大慣性、時(shí)變、非線性、工藝參數(shù)（磨礦粒度、磨礦質(zhì)量濃度、磨機(jī)負(fù)荷）難以在線測(cè)量等綜合復(fù)雜性，提出了由磨礦智能優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)和磨礦回路控制系統(tǒng)組成的實(shí)現(xiàn)磨礦粒度和磨機(jī)處理量優(yōu)化控制的磨礦過程智能優(yōu)化控制策略。結(jié)合選礦廠生產(chǎn)過程，提出了由智能優(yōu)化控制系統(tǒng)、運(yùn)行過程管理系統(tǒng)組成的兩層結(jié)構(gòu)的磨礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以推廣到鋼鐵、有色金屬、選礦、水泥等行業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)過程，有廣闊應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) [1] Duarte M, Redard J. Grinding operation optimization of the CODELCO-Andina concentrator plant[J]. Minerals Engineering, 1998, 11(12): 1119-1142. [2] Manuel D, Florencio S. A comparative experimental study of five multivariable control strategies applied to a grinding plant[J]. Powder Technology, 1999, 104(1): 1-28. [3] Andre P, Daniel H. A survey of grinding circuit control methods: from decentralized PID controllers to multivariable predictive controller[J]. Powder Technology, 2000, 108(2): 103-115. [4] Herbst J A and Pate W T. Object components for comminution system softsensor design[J]. Powder Technology, 1999, 105(1): 424-429. [5] 歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟著. 歐洲鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展指南[M]. 韓靜濤譯. 北京: 中國金屬學(xué)會(huì),1999. [6] Houseman L A, Schubert J H, Hart J R and Carew W D. PlantStar 2000: a plant-wide control platform for minerals processing[J]. Minerals Engineering, 2001, 14(6): 593-600. [7] 柴天佑,李小平,周曉杰，等. 基于三層結(jié)構(gòu)的金礦企業(yè)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)[J].控制工程,2003, 10(1): 18-22.
