摘要：選礦行業(yè)的磨礦過(guò)程存在大慣性、參數(shù)時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，特別是邊界條件波動(dòng)，工藝指標(biāo)磨礦粒度難以在線測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)磨礦粒度的優(yōu)化控制，因而導(dǎo)致磨礦生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定，難以保證磨礦質(zhì)量和磨礦效率。提出了基于磨礦粒度優(yōu)化控制的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能優(yōu)化過(guò)程控制系統(tǒng)和運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)組成。討論了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和智能優(yōu)化控制策略。智能優(yōu)化過(guò)程控制系統(tǒng)由智能優(yōu)化設(shè)定和底層控制回路兩級(jí)組成，通過(guò)軟測(cè)量模型對(duì)磨礦粒度等工藝指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)，通過(guò)回路設(shè)定模型給出底層回路控制的優(yōu)化設(shè)定值。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于某大型選礦廠磨礦過(guò)程，穩(wěn)定了生產(chǎn)流程，提高了磨礦效率，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制、優(yōu)化管理和優(yōu)化運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：磨礦；綜合自動(dòng)化；優(yōu)化控制

引言

磨礦過(guò)程是選礦廠的中間工序。礦石經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)程的40%～60%。因此磨礦過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制具有重要意義。國(guó)外對(duì)磨礦過(guò)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(guó)外的磨礦流程和設(shè)備與我國(guó)不盡相同，國(guó)外一般都用棒磨機(jī)為一段開(kāi)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(guó)磨礦過(guò)程的自動(dòng)控制。國(guó)外對(duì)于磨礦粒度的軟測(cè)量的研究，僅限于用來(lái)代替常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)回路控制[4]。我國(guó)的磨礦過(guò)程具有自身特點(diǎn)，廣泛使用螺旋分級(jí)機(jī)。磨礦過(guò)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(guó)磨礦過(guò)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(guò)全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]”。文獻(xiàn)[6]針對(duì)選礦過(guò)程提出了過(guò)程穩(wěn)定化、過(guò)程優(yōu)化、過(guò)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(guò)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(guò)程管理系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)組成的二層結(jié)構(gòu)的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 磨礦過(guò)程描述

磨礦過(guò)程主要是將礦石經(jīng)過(guò)磨礦過(guò)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(cāng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)高或過(guò)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(guò)大或過(guò)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(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

通過(guò)以上分析，我們首先確定，磨礦過(guò)程的主要控制變量為電振排礦機(jī)的振動(dòng)頻率、一段球磨機(jī)入口加水閥位開(kāi)度、螺旋分級(jí)機(jī)補(bǔ)加水閥位開(kāi)度、水力旋流器給礦礦漿泵轉(zhuǎn)速、二段泵池補(bǔ)加水閥位開(kāi)度等；主要被控變量為一段球磨機(jī)給礦量、一段球磨機(jī)入口加水流量、一段球磨機(jī)磨礦質(zhì)量濃度、螺旋分級(jí)機(jī)補(bǔ)加水流量、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、二段泵池液位等。

2 磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

結(jié)合選礦廠磨礦過(guò)程的特點(diǎn)，提出了磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

該系統(tǒng)由磨礦智能優(yōu)化控制系統(tǒng)和運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)兩層結(jié)構(gòu)組成。其中智能優(yōu)化控制系統(tǒng)采用EIC三電一體化計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)和智能控制技術(shù)，由磨礦過(guò)程智能優(yōu)化回路設(shè)定系統(tǒng)、一段磨礦回路控制子系統(tǒng)與二段磨礦回路控制子系統(tǒng)組成。

運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、故障診斷、設(shè)備管理、生產(chǎn)安全管理、報(bào)表生產(chǎn)與打印、系統(tǒng)通訊和操作指導(dǎo)、系統(tǒng)安全、用戶管理和系統(tǒng)導(dǎo)航等功能模塊。智能優(yōu)化控制系統(tǒng)和運(yùn)行過(guò)程管理系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)、以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)兩層和各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息集成，從而實(shí)現(xiàn)磨礦過(guò)程的綜合自動(dòng)化。

智能優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備邏輯連鎖控制、回路控制和回路優(yōu)化設(shè)定控制等功能。邏輯連鎖控制主要包括電振排礦機(jī)組、給礦皮帶、螺旋分級(jí)機(jī)、礦漿泵及水力旋流器給礦變頻器組等設(shè)備裝置的單機(jī)啟停操作和全線聯(lián)起、聯(lián)停的操作。回路控制主要實(shí)現(xiàn)重要工藝參數(shù)的連續(xù)穩(wěn)定控制，并控制在工藝要求范圍內(nèi)。控制回路主要包括一段球磨機(jī)給礦量、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、二段水力旋流器給礦壓力、給礦質(zhì)量濃度的回路控制，以及礦漿泵泵池液位的前饋控制，保證磨礦過(guò)程的穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。磨礦智能優(yōu)化控制系統(tǒng)以保證磨礦產(chǎn)品粒度、提高球磨機(jī)的磨礦效率和分級(jí)機(jī)設(shè)備的分級(jí)效率、提高球磨機(jī)的處理量、降低能耗綜合生產(chǎn)指標(biāo)為目標(biāo)，采用智能協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)磨礦粒度的目標(biāo)要求和邊界條件等的波動(dòng)情況，分別對(duì)一段磨礦控制系統(tǒng)和二段磨礦控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制回路的設(shè)定值進(jìn)行在線優(yōu)化。