百花嶺選礦廠磨礦分級系統(tǒng)自動化控制升級的設(shè)想

史娟

（百花嶺選礦廠 陜 西 華 縣714102）

磨礦分級作業(yè)是選礦工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況的優(yōu)劣直接影響選礦廠的處理量、產(chǎn)品質(zhì)量、電能消耗及各項生產(chǎn)指標(biāo)。同時磨礦分級作業(yè)也是一個復(fù)雜的作業(yè)過程，相互制約影響的工藝參數(shù)多，僅靠單輸入、單輸出的PID控制回路很難實(shí)現(xiàn)好的控制效果，且部分工藝參數(shù)不能在線測量或測量精度差，這就需要引入一些先進(jìn)控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化控制。針對這一情況，一些選礦廠，采用現(xiàn)場總線把生產(chǎn)現(xiàn)場、具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力的測量控制設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在多個測量控制設(shè)備之間、以及現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換；并借助一些科研院校開發(fā)的磨礦分級的智能軟件包或引進(jìn)外國的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能判斷磨礦回路的狀態(tài)，并自動計算調(diào)節(jié)參數(shù)；使控制系統(tǒng)的性能得到一定程度的提高。

1 百花嶺磨礦分級系統(tǒng)自動化控制的現(xiàn)狀

百花嶺選礦廠老線一段磨礦共有10臺球磨機(jī)，其中9臺球磨機(jī)型號為Φ3.6×4 m格子型球磨機(jī)，與2FLC Φ2.4 m沉沒式雙螺旋分級機(jī)構(gòu)成磨礦分級閉路循環(huán)；另外1臺為Φ3.6×6 m溢流型球磨機(jī)，與4臺FX500旋流器構(gòu)成磨礦分級閉路循環(huán)。每套磨礦分級系統(tǒng)包括圓盤給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)、球磨機(jī)、螺旋分級機(jī)或者旋流器等主要設(shè)備。每個控制系統(tǒng)有6臺圓盤給料機(jī)，其中4臺敞開式圓盤給料機(jī)型號為CK-Φ1500，圓盤轉(zhuǎn)速固定；另外2臺封閉式圓盤給料機(jī)型號為JFY1500，由東芝VF-S7變頻器通過控制圓盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給礦量；每個系統(tǒng)有3臺皮帶輸送機(jī)，型號TD75-6650。測量點(diǎn)有給礦量、返砂水量、排礦水量、磨機(jī)功率、磨機(jī)音量、螺旋分級機(jī)電流；控制點(diǎn)有礦量控制1、礦量控制2、返砂水控制、排礦水控制。工藝設(shè)備與現(xiàn)有測量控制點(diǎn)布置圖如圖1所示。

現(xiàn)有控制系統(tǒng)顯示結(jié)果如圖2所示，第一臺PC機(jī)顯示0#、1#、2#、3# 磨礦分級控制系統(tǒng)， 第二臺 PC 顯示 4#、5#、6#磨礦分級控制系統(tǒng)，第三臺PC顯示7#、8#、9#磨礦分級控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)另設(shè)有磨礦分級控制柜，各套磨礦分級過程相對獨(dú)立，信號指示燈有電源指示、磨機(jī)異常、電機(jī)故障、球荷比異常、水路故障、給礦異常、加球報警等。指示儀表有磨機(jī)音量指示、磨機(jī)功率指示、分級電流指示。

圖1 工藝設(shè)備與測量控制點(diǎn)布置圖Fig.1 Process equipment and measurement control point layout

整個磨礦分級自動化控制系統(tǒng)是2006年投入使用的，由于當(dāng)時的技術(shù)所限，在使用過程中，存在以下幾個問題：

1）磨礦負(fù)荷和磨礦濃度不能在線測量問題，這兩個參數(shù)對磨礦效率和質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。球磨機(jī)內(nèi)磨礦濃度過高會使礦漿流動性降低，鋼球在磨機(jī)內(nèi)部與礦漿接觸面積會增大，使得鋼球單位面積研磨效率提高，但是由于濃度過高，礦漿浮力很大使得鋼球落下時存在緩沖不能充分撞擊襯板，而且因?yàn)榱鲃有宰儾钍沟玫V漿不能及時排除，會造成“過粉碎”現(xiàn)象；磨礦濃度過低會使礦漿流動性提高，鋼球在磨機(jī)內(nèi)部與礦漿接觸面積會減小，使得鋼球單位研磨效率降低，但是由于水的浮力較小使得鋼球撞擊襯板的力度增大，可以充分研磨。所以說合適的磨礦濃度對于磨礦分級流程至關(guān)重要。目前磨礦負(fù)荷可以通過磨機(jī)電流、功率，或者電耳間接反映，但是由于電流功率的非單調(diào)性，以及電耳受其他參數(shù)影響較大等因素，使得應(yīng)用范圍有限；磨礦濃度的檢測一直無法實(shí)現(xiàn)。

圖2 磨礦分級過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of grinding and classification process control system

2)返砂量不能在線測量問題。返砂量對于磨礦過程是一個至關(guān)重要的參數(shù)，由于返砂量無法直接測量，使得磨礦濃度無法確定，且磨機(jī)入口水量的控制目前沒有考慮返砂量，所以這對磨機(jī)濃度和磨礦效率產(chǎn)生很大的弊端。

3)不能滿足優(yōu)化控制、節(jié)能高效的需求。現(xiàn)有磨礦控制算法為最基本的PID定值控制，不能滿足優(yōu)化控制，未能完全發(fā)揮磨機(jī)的最大效率。

2 國內(nèi)外磨礦分級系統(tǒng)自動化的應(yīng)用情況

由于早些年間礦山企業(yè)選礦廠的裝備普遍沒有實(shí)現(xiàn)大型化，礦山自動化在國內(nèi)一直沒有收到足夠的重視，另外由于專業(yè)自動化人才的缺失，使得國內(nèi)選礦自動化的水平長期沒有顯著進(jìn)步，與國外先進(jìn)的選礦自動化水平尚有一定差距。

通過公開報道，可以看出，國內(nèi)中小型選礦廠目前針對磨礦自動化主要在控制系統(tǒng)的組建、過程儀表的使用及簡單控制邏輯的實(shí)施方面進(jìn)行探討。同時一些中大型選廠在已經(jīng)在這些方面取得一定的應(yīng)用成果。

在控制系統(tǒng)應(yīng)用方面，現(xiàn)場總線由于其出色的互操作性及維護(hù)、診斷方便性，已經(jīng)越來越受到選礦企業(yè)的重視。攀鋼在其帆鈦磁鐵礦選廠采用現(xiàn)場總線連接遠(yuǎn)程I/O站、給礦皮帶變頻、球磨機(jī)控制系統(tǒng)及智能MCC，使得磨機(jī)的給礦控制和濃度控制編程組態(tài)更為方便，同時使控制回路的性能也大幅提高[1]。冬瓜山選礦廠在建設(shè)中采用了引進(jìn)型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，利用16條現(xiàn)場總線連接300多臺現(xiàn)場儀表、2臺分析儀、智能MCC及大型機(jī)電一體化設(shè)備，共4 000多個信號，實(shí)現(xiàn)了底層信號的全數(shù)字化，其強(qiáng)大的通訊、診斷功能為實(shí)現(xiàn)高性能的磨礦自動化提供了優(yōu)修的基礎(chǔ)[2]。

在常規(guī)控制策略方面，多數(shù)選礦廠能夠?qū)崿F(xiàn)在人工設(shè)定給礦量的前提下進(jìn)行給料機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)及分級的濃度控制。如遼寧排山樓金礦以磨礦分級的細(xì)度為控制對象，對比實(shí)際磨礦細(xì)度和設(shè)定值，指導(dǎo)增減給礦量。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于礦石性質(zhì)和磨礦回路運(yùn)行狀況的變化，需要人工摸索工藝參數(shù)，并對給礦量進(jìn)行人工干預(yù)，因此由自動化系統(tǒng)自動計算給礦量的功能難以實(shí)現(xiàn)，自動化系統(tǒng)只能在人工設(shè)定給礦量的條件下，自動調(diào)節(jié)給礦皮帶的轉(zhuǎn)速，且經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)節(jié)響應(yīng)的滯后[3]。與之類似，略陽鋼鐵黑山溝選礦廠以磨機(jī)負(fù)荷為控制目標(biāo)，利用電耳預(yù)測磨機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，作為輔助決策信息，幫助操作員實(shí)時調(diào)整給礦量[4]。其實(shí)質(zhì)仍然是無法實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)自動計算給礦量，給礦皮帶的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)仍由給礦量人工設(shè)定值決定。當(dāng)然，即使無法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自己計算給礦量，如果能做到在人工設(shè)定給礦量的前提下，控制系統(tǒng)能迅速響應(yīng)，這也能使磨礦控制性能得到一定程度的提高。在這方面，江西銅業(yè)的城門山銅礦采用了模糊PID的控制策略進(jìn)行給礦皮帶轉(zhuǎn)速的控制?？刂撇呗愿鶕?jù)實(shí)際給礦量與人工設(shè)定給礦量的偏差及偏差變化率建立模糊規(guī)則，實(shí)時推理出新的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，輸入到控制器，使得實(shí)際給礦量與人工設(shè)定值偏差較大時，控制系統(tǒng)比例作用自動增大，積分作用自動減小，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)快速性，當(dāng)實(shí)際給礦量與人工設(shè)定值較為接近時，則增強(qiáng)積分作用，穩(wěn)定調(diào)節(jié)，最終使實(shí)際給料控制在人工設(shè)定值10%的波動內(nèi)，取得了良好的控制效果[5]。

由上面的實(shí)際案例可以看出，要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)智能計算出合適的給礦設(shè)定值非常困難，關(guān)鍵在于磨機(jī)本身的狀態(tài)（如充填率）難以直接精確測得，磨礦回路的運(yùn)行又受到非常多的因素的干擾，捉摸不定。要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)智能判斷磨礦回路的狀態(tài)，并自動計算合適的給礦量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，就必須引入一些不同于常規(guī)PID控制算法的先進(jìn)控制策略。紹興平水銅礦針對磨礦回路時變、大滯后、非線性的特征，提出了自尋優(yōu)的控制策略?？刂撇呗愿鶕?jù)電耳信號、磨機(jī)電流、分級機(jī)電流、粒度及設(shè)備開關(guān)量自動識別礦石的易磨性（人為分為5大類）。并根據(jù)經(jīng)識別的不同礦石的特性，采取不同的控制辦法，使控制系統(tǒng)的性能得到一定程度的提高[6]。類似的嘗試還有江西銅業(yè)大山選廠引進(jìn)ACT先進(jìn)控制軟件對磨礦控制進(jìn)行功能擴(kuò)展。ACT先進(jìn)控制軟件通過建立一系列判斷規(guī)則，對磨礦回路首先進(jìn)行狀態(tài)預(yù)估，再判斷需要調(diào)整的狀態(tài)優(yōu)先級，最后自動發(fā)出調(diào)節(jié)指令的方式對磨礦回路進(jìn)行智能控制。ACT的實(shí)施時和運(yùn)行使得大山選廠磨機(jī)臺效得到提高，但其對磨礦過程中出現(xiàn)的大幅度負(fù)荷變化的應(yīng)對能力尚有不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)和提升[7]。

有別于國內(nèi)的各種嘗試，通過磨礦回路的外在運(yùn)行參數(shù)精確預(yù)估磨機(jī)內(nèi)在參數(shù)的智能控制手段在國外已早有報道。AngloGold Ashani公司在南非的Mponeng及Kopanang選廠就成功引入芬蘭美卓公司開發(fā)的專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磨礦回路的自動、智能、精確、穩(wěn)定控制[8]。專家系統(tǒng)通過嚴(yán)格的機(jī)理模型，能實(shí)時推斷出磨礦回路中關(guān)鍵的不可測量量如磨機(jī)內(nèi)部充填量、磨機(jī)內(nèi)磨礦濃度、磨機(jī)出漿濃度、磨礦粒度，基于這些量，專家系統(tǒng)能自動將磨礦回路始終控制在最優(yōu)狀態(tài)。此類優(yōu)化控制技術(shù)當(dāng)數(shù)目前世界范圍內(nèi)最為先進(jìn)的方案。

3 百花嶺磨礦分級系統(tǒng)自動化升級的設(shè)想

針對百花嶺磨礦回路自動化的現(xiàn)狀及對國內(nèi)外磨礦自動化技術(shù)的調(diào)研，必須從以下幾個層次和思路對百花嶺磨礦自動化進(jìn)行改造：

1)保證現(xiàn)場儀表的有效性，添加必要的現(xiàn)場儀表以保證上層控制策略的可實(shí)施性；

2)采用高等的數(shù)學(xué)工具，對關(guān)鍵的磨礦回路變量進(jìn)行有效預(yù)估，提高控制有效性；

3)采用更先進(jìn)的控制算法，提高控制精度。

改造后的磨礦分級流程優(yōu)化控制必須解決分級機(jī)返砂量、磨礦濃度和磨機(jī)負(fù)荷的檢測或預(yù)估，從而修正比例給水控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)返砂水變比控制。然后，利用檢測到的過程參數(shù)與參數(shù)設(shè)定值比較，實(shí)現(xiàn)串級控制，可使系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性提高。最終，利用自尋優(yōu)算法實(shí)現(xiàn)給礦量設(shè)定值最優(yōu)化，提高產(chǎn)量和效率，并節(jié)約能源，使系統(tǒng)始終處在最優(yōu)環(huán)境下。

1)控制測點(diǎn)的調(diào)整

原有的控制策略中采用的過程測點(diǎn)比較有限，這也限制了更合理的控制策略的使用?？紤]到在給礦量及磨礦濃度不變的前提下，要穩(wěn)定分級機(jī)返砂量，就必須穩(wěn)定分級機(jī)溢流濃度，因此需要添加分級機(jī)溢流濃度測點(diǎn)進(jìn)控制回路。另外，分級機(jī)電流對于判斷分級返砂量有間接指示作用，同樣要納入控制回路。另外，磨機(jī)的負(fù)荷無法直接測量，但單純依靠電耳，無法精確反映磨機(jī)的負(fù)荷變化，還需要配合以磨機(jī)電流和磨機(jī)的油壓信號綜合判斷，因此磨機(jī)的電流信號和油壓信息也需要加入到更新的控制邏輯中。

2)智能儀表的升級

在控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常會出現(xiàn)儀表的讀書異常，但未能自動發(fā)現(xiàn)，從而造成控制邏輯的運(yùn)行紊亂。目前多數(shù)智能儀表的自檢功能能很好的反映儀表的讀數(shù)狀態(tài)。因此采用現(xiàn)場總線技術(shù)（如Hart協(xié)議、Profibu PA協(xié)議）來連接現(xiàn)場智能儀表，并將現(xiàn)場智能儀表的狀態(tài)自檢融入到控制邏輯中，以增強(qiáng)控制邏輯的容錯性能。

3)磨機(jī)負(fù)荷的預(yù)估

分級機(jī)的分級效果主要取決于磨機(jī)的磨礦細(xì)度，而磨礦細(xì)度又與磨機(jī)的負(fù)荷息息相關(guān)，磨機(jī)負(fù)荷的變化經(jīng)常會造成礦石的過磨或欠磨，另外，合理的保持磨機(jī)的負(fù)荷也是提高磨機(jī)臺效的關(guān)鍵，因此整個磨礦分級自動化的核心可以說主要是對磨機(jī)負(fù)荷的控制。

然而磨機(jī)的負(fù)荷是一個由多種因素綜合決定的不可直接測量量，傳統(tǒng)的利用磨機(jī)的功率、電流、電耳強(qiáng)度等量都不能直接、精確的反應(yīng)磨機(jī)的負(fù)荷。目前很多科研單位也在開發(fā)間接測量磨機(jī)負(fù)荷的新方法、新技術(shù)。如東北大學(xué)自動化研究中心借助基于規(guī)則的推理和統(tǒng)計過程控制技術(shù)提出了一種新型的磨機(jī)負(fù)荷檢測方法，能在一定程度上防止磨機(jī)的過負(fù)荷狀態(tài)[9]。類似的還有昆明理工大學(xué)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過磨機(jī)的外部信息推測磨機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)[10]。然而這種利用復(fù)雜數(shù)學(xué)技術(shù)進(jìn)行磨機(jī)負(fù)荷檢測的方法效果尚不明確，且難以在DCS中編程實(shí)現(xiàn)。

本文采用一種適用于工程實(shí)踐的方法來預(yù)估磨機(jī)負(fù)荷。眾所周知，單純的電耳信號及磨機(jī)油壓都無法直接精確的反應(yīng)磨機(jī)的負(fù)荷，但通過有機(jī)結(jié)合上述兩個參數(shù)，必定可以更為精確的預(yù)測磨機(jī)負(fù)荷。實(shí)際操作中，可以通過增加給礦量的試驗(yàn)，標(biāo)定磨機(jī)功率與電耳信號、磨機(jī)油壓的關(guān)系。當(dāng)功率不斷上升時，電耳信號強(qiáng)度應(yīng)該不斷下降，磨機(jī)油壓信號應(yīng)該不斷上升，在磨機(jī)達(dá)到功率最大值時，磨機(jī)功率開始下降。記錄該功率峰值時的電耳信號強(qiáng)度及磨機(jī)油壓數(shù)值。此數(shù)值可以看作是磨機(jī)的最佳負(fù)荷點(diǎn)。另外，在磨機(jī)峰值功率的85%、90%、95%時記錄同樣的數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)擬合一條磨機(jī)功率與電耳強(qiáng)度、磨機(jī)油壓的函數(shù)關(guān)系。這樣，在高負(fù)荷區(qū)，就可以根據(jù)磨機(jī)的運(yùn)行功率，粗略的預(yù)估磨機(jī)的負(fù)荷了。另外，由于礦石的性質(zhì)原因，磨機(jī)的負(fù)荷曲線時常會發(fā)生偏移，因此需要在不同時期多做幾組標(biāo)定試驗(yàn)，然后在程序中以數(shù)值最小的一組曲線來預(yù)估磨機(jī)負(fù)荷，以保證預(yù)估的負(fù)荷值具有一定的安全裕量。

4)返砂量的預(yù)估

工藝研究表明，如果磨機(jī)的磨礦效果達(dá)到設(shè)計要求的情況下，分級機(jī)的返砂量相對固定的，一般為給礦量的400%左右，此時對分級機(jī)的電流進(jìn)行標(biāo)定。如果發(fā)現(xiàn)分級機(jī)的電流發(fā)生大幅度的增加（增加量通過試驗(yàn)確定），則表明返砂量在增加，磨礦效果在惡化，此時就可以根據(jù)分級機(jī)電流的變化預(yù)估返砂量的變化，從而指導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

5)磨礦自動控制策略的修改

磨機(jī)負(fù)荷及返砂量的標(biāo)定完成后，則可以在DCS中實(shí)現(xiàn)給礦量的智能調(diào)節(jié)。即初始給礦量由人工設(shè)定，然后切換成自動化系統(tǒng)智能給礦。自動化系統(tǒng)將實(shí)時根據(jù)磨機(jī)的功率，預(yù)估當(dāng)前磨機(jī)的負(fù)荷水平，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前磨機(jī)負(fù)荷水平尚未達(dá)到峰值功率對應(yīng)的最佳值，則緩慢逐步增加給礦量，當(dāng)預(yù)估的磨機(jī)負(fù)荷達(dá)到最佳值時則停止給礦量的增加。當(dāng)由于擾動，預(yù)估的磨機(jī)負(fù)荷超過負(fù)荷最佳值時，系統(tǒng)將自動減少給礦量。使磨機(jī)始終運(yùn)行在最佳負(fù)荷附近。同時自動化系統(tǒng)將實(shí)時監(jiān)視分級機(jī)的電流變化，如果發(fā)現(xiàn)分級機(jī)電流增大幅度超過一定閾值，則自動減少給礦量，以改善磨機(jī)的磨礦效率。

另外，根據(jù)工藝研究表明，當(dāng)給礦量與返砂量保持不變的情況下，理想的返啥水量與入磨機(jī)的總給礦量成正比[11]。于是在正常的返砂比下，由工藝標(biāo)定返砂水量，同時自動控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測實(shí)際給礦量及預(yù)估的返砂量的變化，實(shí)時對返砂水量進(jìn)行修正，以保證最佳的磨礦濃度。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)百花嶺磨礦控制的現(xiàn)狀及國內(nèi)外同類自動化應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出了升級改造百花嶺磨礦自動化系統(tǒng)的總體思路和建議。在具體實(shí)施過程中，計劃做到分布實(shí)施，并積極同相關(guān)科研單位及有實(shí)力的科技公司合作，以保證改造效果達(dá)到預(yù)期。

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