引言
磨礦過程是選礦廠的中間工序。礦石經(jīng)過物理的研磨、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)選礦過程的40%～60%。因此磨礦過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制具有重要意義。國(guó)外對(duì)磨礦過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，僅限于用來代替常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)回路控制[4]。我國(guó)的磨礦過程具有自身特點(diǎn)，廣泛使用螺旋分級(jí)機(jī)。磨礦過程本身的大慣性、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全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)[5]”。文獻(xiàn)[6]針對(duì)選礦過程提出了過程穩(wěn)定化、過程優(yōu)化、過程管理三層結(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)，提出了過程管理系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)組成的二層結(jié)構(gòu)的磨礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
1 磨礦過程描述
磨礦過程主要是將礦石經(jīng)過磨礦過程，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)來說，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)量濃度的過高或過低都會(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，角度不能過大或過?。?，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)了磨礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
通過以上分析，我們首先確定，磨礦過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)入口加水閥位開度、螺旋分級(jí)機(jī)補(bǔ)加水閥位開度、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)合選礦廠磨礦過程的特點(diǎn)，提出了磨礦過程綜合自動(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)行過程管理系統(tǒng)通過設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)、以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(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?；芈房刂浦饕獙?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)?？刂苹芈分饕ㄒ欢吻蚰C(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。
運(yùn)行過程管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理和系統(tǒng)管理功能。從生產(chǎn)過程采集的數(shù)據(jù)或由控制系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)，傳送給過程管理系統(tǒng)，由過程管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視和管理。操作員在中央控制室通過監(jiān)控畫面和多媒體的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景監(jiān)控畫面，全面監(jiān)控磨礦作業(yè)的生產(chǎn)狀況和設(shè)備狀況，從而可以實(shí)現(xiàn)在軟手動(dòng)工作方式下的生產(chǎn)操作或在全自動(dòng)生產(chǎn)方式下實(shí)現(xiàn)必要的人工干預(yù)。生產(chǎn)與設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)可以對(duì)球磨機(jī)給礦斷料、球磨機(jī)漲肚、球磨機(jī)軸瓦異常、泵池泵異常、變頻器異常以及生產(chǎn)波動(dòng)異常、工藝參數(shù)變化異常等工況做出判斷，給出報(bào)警信息與操作上的建議。
2.2智能優(yōu)化控制策略
磨礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心是能夠?qū)崿F(xiàn)工藝指標(biāo)優(yōu)化的磨礦過程智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。為此，提出了磨礦過程智能優(yōu)化控制策略，其基本架構(gòu)如圖3所示。該策略由智能優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)和磨礦回路控制系統(tǒng)兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成。
智能優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)包括智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型、二段溢流粒度軟測(cè)量模型、二段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型、一段磨礦回路設(shè)定模型、一段溢流粒度軟測(cè)量模型、一段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型、一段磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量和磨機(jī)負(fù)荷推理模型組成。
智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型根據(jù)給定的最終產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝指標(biāo)——二段旋流器溢流粒度的目標(biāo)值，在球磨機(jī)處理量和邊界條件的約束下，給出二段磨礦控制回路的預(yù)設(shè)定值和一段磨礦溢流粒度的目標(biāo)值。該模型結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，采用基于專家系統(tǒng)的多級(jí)決策算法，協(xié)調(diào)一、二段磨礦產(chǎn)能分配與粒度指標(biāo)的分配關(guān)系。當(dāng)工藝指標(biāo)的目標(biāo)與當(dāng)前實(shí)際的二段分級(jí)機(jī)溢流粒度的差值在二段磨礦過程具備的調(diào)節(jié)能力的范圍之外時(shí)，調(diào)整一段磨礦溢流粒度的目標(biāo)值，以便在更大范圍內(nèi)調(diào)整磨礦過程的運(yùn)行狀態(tài)。
智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型采用案例推理算法，給出旋流器的給礦壓力、給礦質(zhì)量濃度的預(yù)設(shè)定值。在此基礎(chǔ)之上，二段預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型通過將二段溢流粒度軟測(cè)量得到的粒度預(yù)報(bào)值與二段溢流粒度的目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)預(yù)報(bào)粒度的偏差值，采用前饋校正算法提前對(duì)二段磨礦過程的基礎(chǔ)控制回路設(shè)定值進(jìn)行前饋修正。
一段磨礦回路設(shè)定模型根據(jù)智能協(xié)調(diào)設(shè)定模型給出的一段溢流粒度的目標(biāo)值，給出一段磨礦回路的預(yù)設(shè)定值。該模型結(jié)合球磨機(jī)有功功率的動(dòng)態(tài)
圖3 磨礦過程智能優(yōu)化控制策略結(jié)構(gòu)圖 關(guān)鍵工藝參數(shù)軟測(cè)量模型包括二段磨礦粒度軟測(cè)量模型、一段磨礦粒度軟測(cè)量模型、一段磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量模型和磨機(jī)負(fù)荷推理模型。其中二段磨礦粒度軟測(cè)量模型采用基于案例推理的軟測(cè)量算法對(duì)二段磨礦粒度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)；一段磨礦粒度軟測(cè)量模型采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一段磨礦粒度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)。一段磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量模型根據(jù)球磨機(jī)的給礦量、返砂水流量、螺旋分級(jí)機(jī)電流等過程輸入輸出數(shù)據(jù)，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與物料平衡相結(jié)合算法，給出當(dāng)前磨礦質(zhì)量濃度的在線估計(jì)值。建立磨礦質(zhì)量濃度軟測(cè)量模型的目的在于解決磨礦質(zhì)量濃度無法用儀表直接在線測(cè)量的問題，以保證適宜的磨礦質(zhì)量濃度從而使得球磨機(jī)的磨礦效率達(dá)到最佳。
磨機(jī)負(fù)荷推理模型根據(jù)一段球磨機(jī)有功功率，曲線，采用自尋優(yōu)控制算法，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)處理量的最大化；采用基于案例推理的磨礦智能優(yōu)化設(shè)定算法，在一段磨礦質(zhì)量濃度和磨機(jī)負(fù)荷的約束條件下，根據(jù)一段溢流粒度的目標(biāo)值，給出球磨機(jī)給礦量、一次溢流質(zhì)量濃度和返砂水流量的預(yù)設(shè)定值。
