一種變結(jié)構(gòu)的選礦過程泵池控制策略及其實現(xiàn)

鄒國斌,王慶凱,余 剛,徐 寧,朱勝強(qiáng)

(1.北京礦冶研究總院,北京市 100160;

2.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室,北京市100160; 3.山東省黃金電力公司,山東萊州261441)

一種變結(jié)構(gòu)的選礦過程泵池控制策略及其實現(xiàn)

鄒國斌1,2,王慶凱1,2,余 剛1,2,徐 寧1,2,朱勝強(qiáng)3

(1.北京礦冶研究總院,北京市 100160;

2.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室,北京市100160; 3.山東省黃金電力公司,山東萊州261441)

針對選礦過程泵池的控制要求,提出一種變結(jié)構(gòu)的控制策略,建立Matlab模型并進(jìn)行仿真,驗證了策略的有效性,得到了實際調(diào)試時的初始建議參數(shù)。應(yīng)用效果表明,變結(jié)構(gòu)的泵池控制策略能充分利用砂泵池的緩沖能力,為后續(xù)流程提供穩(wěn)定的工作條件。

變結(jié)構(gòu)控制；選礦過程；泵池；Matlab模型

選礦流程中包含很多泵池,如磨礦分級泵池、浮選中礦泵池、礦漿分配泵池等。這些泵池往往作為流程之間或者流程內(nèi)部分段的緩沖節(jié)點(diǎn),用于平緩上游流程的波動,給下游流程預(yù)留足夠的操作和控制空間。緩沖泵池一般配備液位檢測儀表,通過調(diào)節(jié)渣漿泵的頻率實現(xiàn)液位等調(diào)節(jié)量的控制,首要目標(biāo)是確保泵池不冒槽、不抽空,其控制性能的優(yōu)劣直接影響流程上下游之間的工藝平穩(wěn)和選礦工藝指標(biāo)[1]。

傳統(tǒng)的泵池控制方式包括手動控制、恒液位控制、恒流量控制等。手動控制即操作工根據(jù)實際工況,手動設(shè)定渣漿泵頻率。此種方式的勞動強(qiáng)度大,需要操作工時刻關(guān)注泵池液位情況,且無法適應(yīng)泵池液位干擾大、泵池緩沖能力小的情況。恒液位控制即設(shè)定液位控制目標(biāo),采用PID等常規(guī)控制策略自動調(diào)整渣漿泵頻率[2-3]。此種方式雖然避免了泵池冒槽和抽空,但會將干擾直接引入下游流程,導(dǎo)致后續(xù)工藝的波動,大大降低了泵池的緩沖效果。恒流量控制即設(shè)定礦漿排出流量控制目標(biāo),采用PID等常規(guī)控制策略自動調(diào)整渣漿泵頻率。此種方式有利于下游流程的穩(wěn)定,但在上游工況波動較大的情況下,容易造成泵池的冒槽、抽空現(xiàn)象,也會影響到下游流程的平穩(wěn)運(yùn)行。近年來,部分學(xué)者研究了預(yù)測控制、模糊控制等智能控制方法在選礦泵池控制中的應(yīng)用,取得了較好效果[4~7]。但這類方法往往針對特定流程且實現(xiàn)復(fù)雜,適應(yīng)性和推廣性較差。由此可見,常規(guī)的控制策略不能適應(yīng)緩沖泵池的控制要求,復(fù)雜控制策略適應(yīng)性又較差。因此,設(shè)計并實現(xiàn)專用的控制策略,對選礦過程的平穩(wěn)運(yùn)行和提高工藝指標(biāo)均具有重要的意義。

1 泵池控制的要求

典型的選礦過程緩沖泵池流程如圖1所示。

圖1 典型選礦過程緩沖泵池流程

上游排礦(如磨機(jī)排礦、浮選溢流泡沫等)直接進(jìn)入泵池,根據(jù)工藝需要添加一定量的補(bǔ)加水調(diào)漿后,通過渣漿泵排出至下游流程。車間事故池礦漿或者清理衛(wèi)生、消泡等過程產(chǎn)生的沖洗水也會進(jìn)入泵池。在泵池上方,一般安裝液位計用于實時檢測泵池內(nèi)礦漿液面。

實際工藝流程中,上游排礦量經(jīng)常出現(xiàn)短期波動或長期漂移,補(bǔ)加水量需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié),事故池等返回量又具有隨機(jī)性,加上緩沖泵池容積往往有限,給緩沖泵池的控制帶來很大困難。結(jié)合工藝和控制實踐,一種好的泵池控制策略需要滿足以下要求：1)必須確保泵池生產(chǎn)安全。泵池液位不能太高,以免冒槽；也不能太低,以免抽空。且高限和低限要留有一定的裕量,以保證在進(jìn)出量波動時有足夠的調(diào)整時間。2)保證下游流程的平穩(wěn)運(yùn)行。在工況相對平穩(wěn)時,需要確保泵池排礦的穩(wěn)定,在工況發(fā)生長期漂移時,能夠快速自適應(yīng)至新的平衡點(diǎn),最大限度地維持下游流程的穩(wěn)定。3)充分吸收流程波動及干擾。在工況發(fā)生周期小波動或沖擊干擾時,盡可能充分利用泵池的有效容積,避免泵速頻繁調(diào)整,緩沖工況波動對流程的影響。

2 變結(jié)構(gòu)的泵池控制策略

根據(jù)選礦過程緩沖泵池控制的要求,設(shè)計了變結(jié)構(gòu)的泵池控制策略,充分利用泵池的有效容積,在不出現(xiàn)冒頂、抽空等事故的前提下優(yōu)先保證下游流程的穩(wěn)定,通過帶記憶的變結(jié)構(gòu)控制策略實現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)。其控制框圖如圖2所示。其中變結(jié)構(gòu)控制模塊以液位實際值、液位控制限與液位中限為參數(shù),綜合判斷選擇相應(yīng)的控制模式,如恒液位、恒泵速和超限控制,并實現(xiàn)各模式之間的無擾切換。

圖2 變結(jié)構(gòu)的泵池控制策略框

變結(jié)構(gòu)的泵池控制策略如下所述：1）根據(jù)泵池液位與上上限、上限、下限、下下限的關(guān)系分為5個控制區(qū)間,針對每個區(qū)間實現(xiàn)不同的控制策略。按液位由高至低分別為上限報警區(qū)、上限調(diào)整區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、下限調(diào)整區(qū)、下限報警區(qū)。2）液位處于穩(wěn)定區(qū)時,泵速維持不變,以保證下游流程的穩(wěn)定。此時系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。3）若液位從穩(wěn)定區(qū)進(jìn)入調(diào)整區(qū),說明系統(tǒng)發(fā)生了工況變化,平衡被破壞。此時需調(diào)整泵速,使液位重新進(jìn)入穩(wěn)定區(qū),達(dá)成新的平衡后再次進(jìn)入恒泵速控制。4）若液位從調(diào)整區(qū)進(jìn)入報警區(qū),說明系統(tǒng)進(jìn)入了異常狀態(tài)。如進(jìn)入上限報警區(qū),則將頻率設(shè)定為最大值,以防止泵池冒槽；如進(jìn)入下限報警區(qū),則將頻率設(shè)定為最小值,以防止泵池抽空。

變結(jié)構(gòu)的緩沖泵池控制策略可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表述,如圖3所示。

圖3 變結(jié)構(gòu)的泵池控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移

3 泵池控制策略參數(shù)仿真

變結(jié)構(gòu)的緩沖泵池控制策略應(yīng)用成功的關(guān)鍵在于控制參數(shù)的設(shè)定。不合理的參數(shù)不但無法實現(xiàn)泵池的平穩(wěn)控制,在模式切換過程中還可能造成人為振蕩?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場往往不允許進(jìn)行長時間和劇烈的調(diào)試過程,對控制策略和參數(shù)整定過程進(jìn)行仿真具有重要實際意義。

建立泵池變結(jié)構(gòu)控制的Matlab/Simulink模型,如圖4所示。變結(jié)構(gòu)控制策略采用matlab有限狀態(tài)機(jī)（Stateflow）表述,渣漿泵采用一階模型,泵池采用積分模型,如表1所示。

表1 泵池仿真模型

圖4 變結(jié)構(gòu)泵池控制策略Matlab/Simulink模型

圖5 變結(jié)構(gòu)泵池控制策略仿真結(jié)果

利用渣漿泵開環(huán)運(yùn)行數(shù)據(jù)和泵池物理尺寸可擬合表1中模型的參數(shù)。以國內(nèi)某選礦廠流程為例,通過數(shù)據(jù)擬合得到渣漿泵模型中a=16,b=3；泵池模型中k=1/36。對模型中的流量和液位分別增加白噪聲和周期性干擾后,對泵池進(jìn)行變結(jié)構(gòu)控制策略仿真。經(jīng)過多輪參數(shù)整定,得到泵池控制的效果如圖5所示。仿真結(jié)果驗證了控制策略的有效性并得到最優(yōu)參數(shù)。該組參數(shù)既保證了液位觸發(fā)控制限后快速調(diào)整到位,24 h內(nèi)的調(diào)整次數(shù)和調(diào)整時間占比也較小,可將其作為實際調(diào)試時的初始參數(shù)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在國內(nèi)某大型礦山選礦廠磨礦分級泵池采用本文所述變結(jié)構(gòu)控制策略,在仿真整定的控制參數(shù)基礎(chǔ)上微調(diào)即得到穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)。其應(yīng)用效果如圖6所示,24 h內(nèi)砂泵僅做了9次調(diào)整,調(diào)節(jié)時間所占比例約12.5%,而傳統(tǒng)控制方法幾乎100%的時間在進(jìn)行調(diào)節(jié)。該策略較之常規(guī)恒液位控制方案更能充分利用砂泵池的緩沖能力,在保證液位安全的前提下,使得渣漿泵轉(zhuǎn)速盡可能不變,為后續(xù)旋流器分級提供穩(wěn)定的工作條件。

圖6 變結(jié)構(gòu)泵池控制策略應(yīng)用效果

5 總結(jié)與展望

本文針對選礦過程泵池的控制要求,提出一種變結(jié)構(gòu)的控制策略,建立matlab模型并進(jìn)行仿真,驗證了策略的有效性,得到了實際調(diào)試時的初始建議參數(shù)。應(yīng)用效果表明,變結(jié)構(gòu)的泵池控制策略相比常規(guī)方式,更能充分利用砂泵池的緩沖能力,在保證液位安全的前提下,使得渣漿泵轉(zhuǎn)速盡可能不變,為后續(xù)流程提供穩(wěn)定的工作條件。

[1] 文祥.變頻調(diào)速在球磨泵池液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].銅業(yè)工程,1999(1):15-17.

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A Variable Structure Control Strategy and its Implementation of Pump Sump in Mineral Process

ZOU Guobin1,2,WANG Qingkai1,2,YU Gang1,2，XU Ning1,2，ZHU Shengqiang3
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy,Beijing 100160,China; 2.Beijing Key Laboratory of Automation of Mining and Metallurgy Process,Beijing 100160,China；3.Shandong HuangJinPower Company,LaiZhou,Shandong 261441,China）

According to the control requirements of the pump sump in mineral process,a variable structure control strategy and its implementation of pump sump in mineral process is presented.The Matlab model is established and simulated,which proving the strategy effective and providing the parameters.The application results show that this control strategy can make full use of the buffer capacity of the pump sump,while providing a stable working conditions for the follow-up process.

variable structure control;mineral process;pump sump；theMatlab model

TP391.9

A

1004-4345(2015)03-0031-03

2015-04-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）：選冶檢測與優(yōu)化控制技術(shù)項目選礦過程信息物理融合的優(yōu)化控制技術(shù)課題（2011AA060203）。

鄒國斌（1984—），男，工程師，主要從事選礦過程自動化及其優(yōu)化控制研究工作。