铜浮选专家控制系统设计与应用.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 2 0 ．0 4 ．0 1 9 铜浮选专家控制系统设计与应用 刘金优，F i l i b e r t oO r r a n t e ，刘华锋，程堆强 通标标准技术服务有限公司，天津3 0 0 4 5 7 摘要针对国内某选矿厂铜浮选工艺泡沫速率不稳定，精矿品位波动大，回收率不理想等特点．设计了一套浮选专家 控制系统，该系统结合泡沫影像分析技术，在线品位分析技术，P 1 D 控制与模糊逻辑控制技术。系统架构简明合理，逻辑层次 清晰有效，投入运行一段时间后，在不同原矿品位前提下，都能实现稳定泡沫速率，减少精矿品位波动，提高回收率等指标优 化，同时药剂添加量也有明显减少。这表明该系统运行效果良好，值得应用推广。 关键词铜浮选；专家控制系统；泡沫速率；回收率 中图分类号T D 9 2 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 2 0 0 4 一1 0 5 一0 7 D e s i g na n dA p p l i c a t i o no fE x p e r tC o n t r o lS y s t e mi nt h eC o p p e rF l o t a t i o nP r o c e s s L J U ．厂i 押y o “，F i Z i 6 P r ￡o0 r r 口起￡8 ，L f UH “口厂P 咒g ，C H E N GD “i q i a 规g S G ．孓C - s 丁CS ￡日托d 盘r d s 了、P f ，z i f n ZS P ，．口i f P 5C o ．，L z 矗，丁i 口押J i 行3 0 0 4 5 7 ，C j 行以 A b s t r a c t A i m i n ga ts o m eu n s a t i s f a c t o r yp r o p e r t i e so ft h ec o p p e rf l o t a t i o np r o c e s si n ad o m e s t i cp l a n t s u c ha su n s t a b l ef r o t hv e l o c i t y ， h i g hv a r i a t i o no fc o n c e n t r a t eg r a d ea n dl o wr e c o V e r y ， af l o t a t i o ne x p e r t c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ， w h i c hc o m b i n e sf r o t hi m a g ea n a l y s i s t e c h n o l o g y ， o n l i n eg r a d ea n a l y s i s t e c h n o l o g y ，P I Dc o n t r o la n df u z z y1 0 9 i cc o n t r 0 1t e c h n 0 1 。g y ． T h es y s t e ms t r u c t u r ei sr e a s o n a b l e ，a n dt h e 1 0 9 i cl e v e li sc l e a r ． A f t e rr u n n i n gf o rap e r i o d ，s t a b l ef r o t hv e l o c i t y ，d e c r e a s eo fc o n c e n t r a t eg r a d eV a r i a t i o n a n di n c r e a s eo fr e c 。v e r yc a na l lb ea c h i e v e du n d e rd i f f e r e n tr a wg r a d es i t u a t i o n s ．M e a n w h i l e ，t h ed o s a g eo f r e a g e n t sw a sa l s or e d u c e do b v i o u s l y ． T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mw o r k sw e l la n di sw o r t h yo f a p p l y i n ga n dp r o m o t i n g ． K e yw o r d s c o p p e rf l o t a t i o n ；e x p e r tc o n t r o ls y s t e m ；f r o t hv e l o c i t y ；r e c o v e r y 近年来，随着全球优质矿产资源的不断消耗，各 种入选金属矿原矿品位日趋下降，加之矿石性质复 杂多变，选矿厂整体回收率呈下降趋势，同时人工成 本和耗材采购成本不断攀升，矿山选矿总体成本越 来越高。为了提高经济效益和企业竞争力，各个矿 山和选矿厂不断探索和寻求选矿工艺和技术的创 新，专家控制系统便是这样一种技术创新。专家控 制系统概念于上世纪8 0 年代提出口] ，并在9 0 年代 引人我国_ 3 ] ，它是基于人工智能的一项电脑控制程 序，可以将某一领域内的专家经验集中存储到一个 知识库中，然后通过设定的逻辑规则自动调取使用， 使得在专家不在场的情况下，生产或管理也能保持 稳定，高效。专家控制系统在选矿领域的应用遍及 破碎，磨矿，浮选，浓密，压滤等各个环节。而浮选相 对产能占比最大，有报导称浮选工艺在整个选矿流 程中产能占比可达7 0 ％[ 4 ] ，因此，专家控制系统在浮 选工艺领域的报导也是越来越多_ 8 ] 。 S G S 是最早将专家控制系统应用到选矿浮选工 艺的公司之一[ 9 。1 ⋯。自1 9 9 9 年，由S G S 主导的全球 最大铜矿山E S C O N D I D A 的8 个系列浮选专家控 制系统工业化应用成功后，S G S 共有超过1 0 0 个选 矿专家控制系统项目在智利、墨西哥、加拿大、赞比 亚等矿产区成功应用，其中浮选专家控制系统项目 超过4 0 个。专家控制系统技术在全球范围内应用 推广迅速，逐渐成为选矿行业的技术潮流和全球大 中型选矿厂的标配。我国虽然具有国际一流的选矿 工艺技术和选矿主体装备，但生产控制自动化、信息 化、专家控制智能化方面与发达国家相比，起步晚、 收稿日期2 0 2 0 0 2 2 7 作者简介刘金优 1 9 8 7 一 ，男，江西吉安人，硕士，工程师，主要从事选矿自动化技术研究。E m a i l l a r r y j y ．1 i u s g s ．c o m 万方数据 1 0 6 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 差距大，成为选矿行业最主要的短板之一⋯] 。近1 0 年，在国家“智慧矿山”等政策的大力支持下，国内洛 钼集团等采矿专家控制系统已经开始工业化应用， 但是浮选专家控制系统工业化应用还在初步研发阶 段。本文将着重介绍S G S 根据国内某选矿厂工艺 特点设计的铜浮选专家控制系统及其应用，以期给 国内浮选专家控制系统发展和推广提供一定的经验 与思路。 1 浮选工艺及其控制现状 浮选是目前铜、锌、铅、金等有色金属、贵金属矿 物最主要的选别方法，至今有1 0 0 多年历史。浮选 通常由粗选、扫选和精选几个部分组成，根据矿石中 有价金属硫化物的可浮性，加入有针对性的浮选药 剂，依次从矿浆中把它们浮选分离出来，得到精矿和 尾矿[ 1 引。本文专家控制系统所投入应用的某选矿厂 铜浮选工艺流程如图1 。包含一段粗选，两段扫选， 一段混精，三段精选等作业组。入选矿石中，铜矿物 与其他矿物嵌布共生，关系密切，且嵌布粒度分布不 均，原矿中铜品位在o ．0 8 ％～o ．2 5 ％之间波动，给选 矿带来一定难度。目前该厂区已建立D C S 控制系 统，由操作人员根据人工经验来调节控制参数设定 值，并通过P I D 进行控制，由于操作人员难以及时根 据生产工况变化准确地设定泡沫层厚度、进气量和 浮选药剂添加量等参数，易造成泡沫速率不稳定、精 矿品位波动大、回收率难以提升等问题。因此，工厂 决定寻求更有效的控制方法专家控制系统来代替 原来的人工控制。该系统采用泡沫影像分析技术， 在线品位分析技术，P I D 控制与模糊逻辑控制技术 相结合，最终实现浮选参数和工艺指标智能化控制， 克服干扰因素引起的生产波动、质量下降、经济指标 恶化等。 原矿 铜精矿 图1铜浮选工艺流程图 F i g ．1C o p p e rf l o t a t i o nf l o w s h e e t 2 专家控制系统设计 2 ．1 专家控制系统组成 本文专家控制系统包含三个部分泡沫影像系 统，专家处理系统，人机交互界面。其中泡沫影像系 统 M E T f r o t h 如图2 ，它用于读取和分析所有安装 在浮选机上端的高清摄像头探测到的泡沫数据，包 括泡沫速率、泡沫大小、泡沫密度、泡沫稳定性等，并 将分析数据传送给专家处理系统。同时，泡沫影像 系统还可以实时观测各作业组浮选机的动态泡沫视 频，便于“跑槽”、“不刮泡”等紧急情况处理。专家处 理系统 M E T e x p e r t 是整个专家控制系统的“大 脑”，它是知识和逻辑的存储处理平台。它将浮选专 家经验和现场资深T 程师的经验汇总在一起，通过 自然化的语言 i f ．⋯”，t h e n ⋯⋯ 写入系统。例如 “i f 粗选泡沫速率慢，t h e n 增加进气量，减少泡沫层 厚度”。同时，结合泡沫影像系统数据 如泡沫速率， 泡沫稳定性等 和D C S 在线数据 进气量，泡沫层厚 度，药剂添加量以及在线品位和理论回收率等 趋势 关系，通过模糊逻辑 F u z z yl o g i c 进行模糊化和去 模糊化，计算置信度，最终做出具体的控制参数调节 判断。人机交互界面 M E T h m i ，也称操作界面，它 是专家控制系统的“人脸”，将浮选工艺参数和专家 处理系统判断动作实时友好地显示出来，用户可以 在此界面看到专家控制系统所有控制动作信息和控 制效果反馈，如图3 。 l _ l 隰翰娜繁黟”⋯4 ⋯。黔 _ _ 万方数据 2 0 2 0 年第4 期刘金优等铜浮选专家控制系统设计与应用 1 0 7 头通过网线连接到交换机，再通过光纤连接到泡沫 影像系统服务器。泡沫影像系统数据和D C S 系统 数据通过 P C 通讯传输到专家处理系统。专家处 理系统动作信息显示的人机交互界面可以连接到中 控室电脑屏，同时，中控室电脑屏也可以同步显示泡 沫影像系统信息供操作人员参考 图4 。此外，人机 交互界面也可以分屏显示到其他显示屏，便于选矿 工程师和车间领导随时查看。 图3专家控制系统人机交互界面 上主界面。下控制参数界面 F i g ．3 M E T h i mo fe x p e r tc o n t r o ls y s t e m u p m a i ni n t e r f a c e ，d o w n c o n t r o l p a r a m e t e r si n t e r f a c e 2 ．3 专家控制系统逻辑设计 专家控制系统逻辑是专家系统判断动作的“法 规”和“条文”，它分为i 个层次基础逻辑，品位／回 收率逻辑，全局逻辑。其中 1 基础逻辑，又称泡沫速率逻辑，它可以不利用 在线品位和理论回收率数据，操作人员根据经验，设 定相应作业组泡沫速率设定值，专家控制系统经过 模糊逻辑处理，自动调节相应进气量和泡沫层厚度， 进而达到泡沫速率 也即浮选速率 的控制。如上述 逻辑规则“i f 粗选泡沫速率慢 相比于设定值 ，t h e n 增加进气量，减少泡沫层厚度”便是基础逻辑。同 时，专家控制系统也可以设定进气量和泡沫层厚度 等控制参数调节范围的上下限以及调节动作间隔 f ，保证进气量和泡沫层厚度在合理的范围和合理 的频次内调节。基础逻辑的运行，使得操作人员从 需要调节进气量和泡沫层厚度两个参数到只需调节 泡沫速率一个参数，且泡沫速率直观地反应浮选速 率，对现场工艺稳定指导意义更大。 2 品位／回收率逻辑，品位／回收率逻辑需要利 用在线品位和理论回收率数据，然后根据工厂工艺 指标需求，提前设定精矿品位和理论回收率合理上 下限范围，专家系统根据品位和回收率实际值同设 定值的趋势关系 低，正常，高 ，自动调节各个作业 组的泡沫速率和药剂添加量，不需再人工设定。其 中泡沫速率控制通过上述基础逻辑实现，药剂添加 量控制通过P I D 控制实现，最终到达减少精矿品位 波动，提高回收率等目的。品位／回收率逻辑的良好 运行，需要在线品位分析仪保证一定的检测精度。 一般来说，对于精矿品位在1 0 ％～3 0 ％之间，相对偏差 叫时 盯 ∞眦架∞框n 统睥 系强洲蹦家吖专- 4 出图抡叶 g F 万方数据 1 0 8 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 需保证在5 ％～1 0 ％[ 13 | ，通过对比工厂1 个月的在 线班组数据和化验室班组数据 图5 ，可发现，在线 精矿品位和理论回收率同化验室的相对偏差在6 ％ 左右，符合生产指导要求。 专家控制系统品位／回收率逻辑规则的设计，以 铜粗选为例 表1 ，根据在线精矿品位和理论回收率 同指标设定值趋势关系，分为9 种情况。每条规则 显示当前状态泡沫速率和药剂添加量调节动作，包 括动作趋势，最大动作幅度以及动作间隔。其中最 大动作幅度和动作间隔可以在人机交互界面进行修 改，方便现场操作人员和选矿工程师根据工况变化 及时进行修正和完善。 图5 在线班组 圆点 和化验室班组 方点 数据对比 F i g ．5C o m p a r i s o no fo nl i n e r o u n dd o t a n dL a b s q u a r ed o t d a t a 表1铜粗选品位／回收率部分逻辑规则 T a b l e1S o m eg r a d e r e c o v e r yl o g i cr u l e so fr o u g h e rf l o t a t i o n 规则回收率 R ／精矿品位 G 泡沫速率动作时间间隔药剂1动作时间间隔药剂2动作时间间隔 3 全局逻辑，又名优先级逻辑，全局逻辑本身并 不直接参与控制参数的控制，它赋予品位／回收率逻 辑执行的优先级顺序。它可以统筹兼顾各个作业组 逻辑规则的执行，将各作业组的独立控制统一为整 体工艺协调控制。例如当处于回收率高，品位也高 的情况，可以优先执行粗扫选的逻辑规则使回收率 进一步提升，然后再执行精选的逻辑规则使品位保 持稳定。同时，从控制成本角度来讲，优先控制泡沫 速率比控制药剂添加量经济效益更好。全局逻辑的 运行，可使整个工艺段更稳定，精矿品位和回收率等 指标提升更有保障。 专家控制系统三个层次的逻辑，关系层层递进， 又紧密配合，只有下一层逻辑运行良好，上一层逻辑 才能有效运行，同时上一层逻辑又能智能地优化下 一层逻辑的运行，最终实现工艺稳定，指标提升。 3 专家控制系统应用 专家控制系统在某选矿厂投入三个月来，各项 参数和指标都得到稳步提升，首先是基础逻辑的投 入，使得现场工艺泡沫速率 浮选速率 更加稳定。 例如根据工厂指标参数分类特点，将原矿品位分为 低 o ．1 8 ％ 三个区间，对比专家控制系统投入前后的相同时间内， 粗选泡沫速率在不同区间的表现情况 图6 ，表2 ，可知 专家控制系统投入后，粗选泡沫速率稳定性增加 标准 偏差S D 减少 了3 0 ％左右，稳定性提高效果显著。 万方数据 正常品位原矿 图6 专家控制系统投入前 实线 。后 虚线 粗选泡沫速率对比 F i g ．6R o u g h e rV e l o c i t yc o m p a r i s o nb e f o r e r e a ll i n e a n da f t e r d o t t e dl i n e e x p e r tc o n t r o ls y s t e m 表2 专家控制系统投入前后粗选泡沫速率对比 2 0 ％～3 0 ％，有效地降低了工艺耗材使用和经济 T a b l e2 R o u g h e rv e l o c i t yc o m p a r i s o n 成本。 b e f o r ea n da f t e re x p e r tc o n t r o ls y s t e m 表3 专家控制系统投入前后 品位和回收率方面，对比专家控制系统投入前 后三个月化验室指标数据 图7 ，表3 ，可知，专家控 制系统投入后，在保证精矿品位绝对值小幅增加的 同时，精矿品位波动减少 标准偏差S D 减少 5 ％以 上。理论回收率则改善更为明显，理论回收率绝对 值提高超过4 ％。 同时，药剂添加量改善方面，以粗选为例，对 比专家系统投入前后一个月药剂添加量变化，由 表4 可知，专家系统投入后，粗选药剂添加量减少 铜精矿品位和理论回收率对比 T a b l e3C o n c e n t r a t eg r a d ea n dr e c o v e r y c o m p a r i s o nb e f o r ea n da f t e re x p e r t c o n t r o ls y s t e m ／％ 万方数据 零 山 上Ⅱ 理论回收率／％ 正常品位原矿 图7 专家控制系统投入前 实线 ，后 虚线 铜精矿品位 左 和理论回收率 右 对比 F i g ．7 C o n c e n t r a t eg r a d e 1 e f t a n dr e c o v e r y r i g h t c o m p a r i s o nb e f o r e r e a ll i n e a n d a f t e r d o t t e dl i n e e x p e r tc o n t r o Is y s t e m 表4专家控制系统投入前后 铜粗选药剂添加量变化 T a b l e4 D o s a g ec h a n g eo fR o u g h e r r e a g e n t sb e f o r ea n da f t e re x p e r tc o n t r 0 1s y s t e m 4结论 综上，本文设计了一套铜浮选专家控制系统， 该系统将泡沫影像分析技术，在线品位分析技术， P I D 控制和模糊逻辑控制技术有机结合，架构简明 合理，逻辑清晰有效，在国内某选矿厂投入运行一 段时间后，泡沫速率稳定性增加了3 0 ％，精矿品位 波动减少了5 ％，回收率绝对值提高超过4 ％，同时 万方数据 2 0 2 0 年第4 期刘金优等铜浮选专家控制系统设计与应用 药剂添加量减少2 0 ％～3 0 ％。这表明该系统运行 [ 7 ] 效果良好，可以带来可观的经济效益，值得在国内 应用和推广。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] R O B E R TP A U LE D W A R D S ．E x p e r ts y s t e mc o n t r o lo f af l o t a t i o nc i r c u i t [ D ] ．V a n c o u v e r T h eu n i v e r s i t yo f B r i t i s hC 0 1 u m b i a ，1 9 9 0 3 1 ． 王晶．选矿过程自动化的咨询和专家系统[ J ] ．国外金 属矿选矿，1 9 9 2 1 0 3 9 5 1 ． W A N GJ i n g ．C o n s u l t a t i o na n de x p e r ts y s t e mo fm i n e r a l p r o c e s s i n ga u t o m a t i o n [ J ] ． M e t a l l i c0 r eD r e s s i n g A b r o a d ，1 9 9 2 1 0 3 9 5 1 ． 陈子鸣，茹青．用于浮选控制的模糊自适应专家系统结 构设计原理[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，1 9 9 3 5 3 6 3 8 ． C H E NZ i m i n g ，R UQ i n g ．S t r u c t u r ed e s i g np r i n c i p l eo f f u z z ya d a p t i v ee x p e r ts y s t e mf o r f l o t a t i o nc o n t r 0 1 [ J ] ． N o n f e r r o u sM e t a l s M i n e r a lP r o c e s s i n gs e c t i o n ，19 9 3 5 3 6 3 8 ． 刘代才，李朝辉，王永红，等．多金属硫化矿浮选分选智 能化控制研究展望[ J ] ．世界有色金属，2 0 19 8 4 7 6 ． L l UD a i c a i ，L IC h a o h u i ，W A N GY o n g h o n g ，e ta 1 ． 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