模糊智能控制在磨矿控制系统中的应用.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G H 二▲LE N G Ⅱ慨R Ⅱ呵G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 模糊智能控制在磨矿控制系统中的应用①． 蔡国良，修蕾 丹东东方测控技术有限公司。辽宁丹东1 1 8 0 0 2 摘要矿山行业的磨矿过程具有多变量、参数时变、非线性、滞后时间长等特点，常规的P I D 控制很难达到良好效果。为了实现磨 机磨矿自动控制功能，将磨矿系统的运行方式方法与一线工人的实际操作经验相结合，建立起F u z z y P I D 的闭环控制系统，此系统 不但具有P I D 控制的无静差、稳定性好，而且还可利用模糊控制达到对参数的适应性和快速调节。在现场实践中，此模糊控制器取 得了很好的控制效果。 关键词磨矿；P I D ；模糊控制 中圈分类号T D 9 2文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 0 7 1 0 4 所谓磨矿就是指在选别前的最后一次加工，也就 是说磨矿最终目的就是让矿石中的大部分或全部有用 成分单体分离出来，实现选别作业的粒度要求，使选别 作业有效回收矿石中的有用成分，与此同时还避免过 磨现象发生。磨矿作业与选别作业有很大的关系，选 别指标 精矿质量和金属回收率 的好坏很大程度上 取决于磨矿产品质量 细度和浓度 。如果磨矿产品 的细度不够，待选矿物不能充分解离，达不到选别作业 的粒度要求，会降低选别指标；如果磨矿产品出现过磨 的情况，就会产生矿泥，不能使待选矿物充分回收，会 降低金属回收率。此外，在磨矿过程中，还需要保证磨 机内合适的磨矿浓度⋯。 从上面的介绍可以看出磨矿作业对选矿来说十分 重要而且影响深远。针对选矿厂来说磨矿即是消耗能 量最多又是提高磨矿产品的质量和金属回收率的一项 作业。磨矿作业消耗的电能约占选矿厂的3 0 ％一 4 0 ％左右，若能有效改善磨矿作业，提高磨矿机的生产 率，既可提高磨矿产品质量，又可以降低磨矿费用，从 而降低选矿成本并且提高选矿厂的生产率。 1 磨矿操作流程 磨矿分级环节是选矿厂磨选工艺流程中的一个重 要环节，磨矿工艺流程如图1 。人磨矿石由给料胶带 机、皮带胶带机送入磨机进行磨矿。磨机的排矿给入 矿浆池，经给矿渣浆泵给入水力旋流器进行分级，分级 沉砂给入球磨机进行磨矿作业，磨机排矿给入矿浆池 形成闭路。分级溢流自流进入浮选槽给矿矿浆池。 [ i 3 给矿量检测控制 磨机装载量检测控制冒 ■■聊 譬端。水| 叫图补加水 图1 磨矿工艺流程 2 磨矿过程的模糊控制系统设计 t 。y 。． 磨机磨矿分级过程是一个具有多变量、强干扰、大 滞后、非线性强和参数时变等特性的工业过程。磨机 的处理对象矿石的性质很难定量分析，同时 磨机的工作状态也很难判断，只能定性地判断磨机工 作状态和矿石性质的变化趋势。对于磨机磨矿这种有 大量的过程参数频繁变化的生产过程，常规控制是无 法实现磨机的精确控制的，但是有经验的球磨工可以 取得很好的控制效果。 模糊系统的功能非常强大，因为它将与环境中的 过程相关的人的经验知识转换成了具体的操作。这些 知识 特别是关于过程和设备的静态和动态行为的知 识 通过使用模糊系统被用于实现过程自动化【2 】。 模糊控制器是基于模糊条件语句描述的语言控制 规则进行逻辑控制的控制器，因此在规划和使用模糊 ①收稿日期2 0 1 2 4 3 3 1 6 作者简介蔡国良 1 9 7 8 一 ，男 满族 ，吉林永吉人，工程师，主要从事全流程自动化的研究工作。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 控制器时，根本就不用对其运行过程进行数字公式化 描述。如果用户想要进行模糊应用，只需要知道怎样 才能引起所需要的特性即可。对于一些有丰富生产经 验的老厂来说，设备生产能力、不同矿石的处理量、球 磨机磨矿浓度、分级机溢流浓度等最佳指标，磨矿工程 技术人员以及现场操作人员都有丰富的知识。采用智 能控制决策，吸收这些知识稳定球磨机的给矿量、保证 磨矿浓度、稳定分级机溢流浓度作为本系统的控制 方案。 根据磨矿运行过程及其特点，将整个磨矿系统分 为若干个控制子系统，每个子系统都有自己的控制要 求及调节目标，当所有的子系统完成自己相应的任务 后，再根据磨矿运行需求，将所有的子系统实现串级控 制，使其形成一个完整的控制系统，见图2 。磨机控制 子系统包括磨机给矿量控制、磨机浓度控制、旋流器 溢流粒度控制。 磨机给矿ll 磨机给矿ll 泵池补加l 陆流器给i 量控制Il 水控制Il 水控制ll 压力控制 溢流粒 。 王 。。 。。 塑引雾鞠H 嚣黝H 磁黼 溢流粒度检测 图2 一段磨矿分级闭路环节串级控制系统框图 2 ．1 磨机装载量的模糊判断 想要充分发挥磨机作业生产效果，必须提高磨机 的处理量，最大效用地发挥磨矿回路的作业效率，以保 障磨机作业重要的生产目标得以实现。要想真正实现 磨机作业生产目标必须通过调节给矿量，保持磨机的 装载量处于最佳工况这种途径。 根据现场工人总结的经验，磨机功率变送器输出 信号高低与磨机内负荷的高低相关，在一般情况下，磨 机功率变送器输出信号与磨机内负荷成正比，磨机装 载量越多，功率变送器输出越高，但如果磨机内负荷超 载，磨机功率变送器输出信号将会降低，具体过程详见 图3 。 以磨机功率指数及它的变化率为主要依据，同时 也结合给矿量进行综合分析，以判断磨机的运行状态。 对磨机装载量作模糊量化，分为7 个模糊化量，即一3 严重欠载 、一2 欠载 、一1 稍欠载 、0 磨机装载 量合适 、 1 稍过载 、 2 过载 、 3 严重过载 。 通过综合分析确定磨机的运行状态，并根据运行状态 确定矿量设定值的增减。 褥 蕾 基 越 磨机装载量 图3 磨机功率与磨机装载量之间的关系 2 ．2 一次磨机给矿量优化控制 在磨矿系统中给矿速度是一个很重要的控制量， 随着给矿速度提高，由磨矿动力学可知，排矿产物中合 格粒级的含量就减小，而产出的合格粒级数量却增加， 比功耗将降低，磨矿效率显著提高。如果给矿速度超 过磨矿机在特定操作制度下的某定额时，磨矿机将发 生过负荷，出现排出钢球，吐出大块砂石及涌出矿浆等 情况，甚至被堵塞。因此，给矿必须连续均匀，不要时 多时少。基于这种思想，系统给矿量一般为 Q Q 。 △Q 1 式中Q 为给矿量；Q 。为前次给矿量，A Q 为给矿量 增量。 、 入磨台时量 给矿量设定值 的优化计算，具体的 讲就是实现入磨台时量 给矿量设定值 的最大化。 根据磨机装载量的判断，结合前次给矿量以及当前返 砂量的关系。经过模糊计算后，得到当前给矿量，根据 所得数据来控制变频调速器的输出频率，扶而有效地 调节给矿机的电机转速，以此来改变给矿量，实现优化 给矿。为了更好地运行磨矿机，补偿由于给矿机运行 产生了给矿误差，增设了矿量的反馈环节，使磨矿机的 运行更为科学合理。所谓的矿量的反馈环节就是将通 过电子皮带秤检测出实际运行得到的给矿量与计算得 出的给矿量相比较，然后对误差进行P I D 调节，形成一 个模糊控制 P I D 调节的混合串级控制回路，见图4 。 图4 给矿控制系统框图 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 蔡国良等模糊智能控制在磨矿控制系统中的应用 2 ．3 磨机磨矿浓度控制 只要保障磨机人口矿浆浓度一定，就可以控制磨 机内部矿浆浓度，从而能够实现磨机内部矿浆浓度在 预定的范围内。对球磨机而言，其处理矿石除了新给 矿外，还有分级设备返砂产品，因此为了稳定球磨机内 的浓度，球磨机给矿水量需要充分考虑到新给矿量、返 砂量、返砂产品含水量等因素。另外，矿石性质发生变 化时，根据不同矿石性质对应不同的最佳磨矿浓度来 计算给矿水回路的给定值，然后利用仪器对加水阀门 进行P I D 调节，实现磨矿机内部矿浆浓度控制工作，其 运行过程如图5 所示。 图5 磨矿浓度控制系统框图 2 ．4 旋流器给矿压力控制 旋流器给矿压力指的是旋流器中矿浆产生速度，它 最直接的作用就是能够影响旋流器的处理量和分级粒 度的效果。当外界条件不变时，适宜恒定的进口压力就 是水力旋流器均匀给矿和是否正常工作的关键，也是分 级效率高低的关键。给矿压力控制系统框图见图6 。 图6 给矿压力控制系统框图 2 ．5 旋流器溢流粒度控制 当其它操作条件不变时，适宜的给矿浓度是水力 旋流器正常工作的重要条件。如果给矿浓度高时，随 之而来矿浆粘度和密度也将增大，导致矿粒在矿浆中 阻力变大，从而使分离的粒度变粗，也就是说分级效率 将降低；如果给矿浓度低时，矿浆粘度和密度将会变 小，矿粒在矿浆中阻力变小，分离的粒度变细，分级效 率将会提高。 利用粒度仪检测旋流器溢流粒度，经模糊运算后， 得到当前给矿浓度，籍此控制补加水量的设定值，从而 调节电动调节阀，改变补加水量，实现粒度调节。为补 偿补加水路而产生的水误差，旋流器溢流粒度控制过 程中增设补加水反馈环节。也就是说，通过电磁流量 计检测出实际给水量与通过计算得到给水量进行比 较，然后通过系统操作对误差进行P I D 调节，形成了模 糊控制 P I D 调节的混合串级控制回路。操作过程如 图7 所示。 图7 粒度控制系统框图 3 D C S 系统配置 磨矿分级作业系列实行D C S 控制，上位机采用工 业P C 计算机，而下位机采用P L C ，D C S 系统硬件配置 如图8 所示。 操作员站 ≯于 ■●■ ■● 以太网 8。 一煳阻 换机 ■●●■■■■●●■■■●●■●●●●●■●■■■●■■●●■●●●■●■● E T 2 ∞MlE T 2 0 0 M 二] 一二 0 上’童上去 3 ．1 监督、管理、操作站 操作站以工业P c 为核心，两台机器互为备用。 通过该站利用键盘或鼠标可以随意地修改设置参数， 同时还可以通过屏幕画面时刻观察到系统运行中产生 的各种参数，并且能够查阅到该系统的生产流程、历史 趋势、报表、故障报警等各种参数及历史资料。 3 ．2 控制站 控制站采用西门子公司4 0 0 系列P L C 4 1 6 2 产 品，该站的核心是P L C 系统。控制站通过与接口模板 配合，完成全部信号 包括模拟量、数字量信号的采集 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 与输出 以及下位控制程序的实际执行。除此之外， P L C 还通过以太网与上位监控站进行信号交换功能， 通过M O D B U S 与现场I O 分站进行通讯。 3 ．3 通信网络 通信网络从结构划分，整个D C S 系统可分为信息 层、控制层与设备层三个层次。每个层次要求必须独 立运行，而且各层网之间通过网关相互隔离，从而确保 综合自动化系统的独立性和安全性∞] 。 前两个层次的各操作员站与工程师站利用工业以 太网进行连接与沟通，从而实现了设备层和信息层的 连接通畅，保障网络效率和数据流的合理性和安全性， 能够实现各种功能的应用，如对操作系统进行操作、监 测、组态及数据接口等。工业以太网实现环网建立，可 以保证系统运行更为可靠合理，也使操作起来更为人 性化。 控制层也是整个网络核心部分之一，它与现场设 备层采用P r o f i b u s D P 总线网络，通过它可以实现主控 P L C 与各分站的沟通、监测及数据交换。 4 结论 ’ 本文所设计的模糊控制器是在总结现场人工操作 规律及工作经验的基础上，通过不断摸索、精心调整而 设计出的具有超强稳定及较好控制效果的控制器。此 款控制器已经成功应用于洛钼集团选矿二公司选矿厂 的磨矿分级自动控制系统，到目前为止运行良好。它 对稳定钼精矿品位、提高球磨机产量等方面起到了重 要作用，取得了显著的经济效益。 参考文献 [ 1 ]于金吾，李安．现代矿山选矿新工艺新技术新设备与强制性标 准规范全书[ M ] ．北京当代中国音像出版社，2 0 0 5 ． [ 2 ]张文修，梁广锡．模糊控制与系统[ M 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