基于智能优化控制的磨矿过程综合自动化系统
0 引言
磨矿过程是选矿厂的中间工序。矿石经过物理的研磨、分级作用，颗粒由大变小到一定的程度，才能达到矿石的单体解离或近于单体解离，有利于选别工序的金属回收和金属富集。因此磨矿过程是影响选矿生产的关键环节，直接制约着选矿产品质量和金属回收率。此外，磨矿作业能耗占选矿厂整个选矿过程的40%～60%。因此磨矿过程实现自动控制具有重要意义。国外对磨矿过程的建模与控制的研究已经相当深入，控制方法包括优化控制[1]，多变量控制[2] ，预测控制[3]，但是国外的磨矿流程和设备与我国不尽相同，国外一般都用棒磨机为一段开路磨矿，或以新给矿配水力旋流器构成磨矿闭路，并普遍使用粒度计等高精密在线检测仪表，因此其研究成果难以适用于实现我国磨矿过程的自动控制。国外对于磨矿粒度的软测量的研究，仅限于用来代替常规仪表实现回路控制[4]。我国的磨矿过程具有自身特点，广泛使用螺旋分级机。磨矿过程本身的大惯性、参数时变、非线性、边界条件波动大等复杂特性，以及关键工艺指标磨矿粒度难以在线测量，导致在我国磨矿过程自动化水平低，目前只在部分厂矿实现了给矿、给水等基础回路的自动控制。欧洲钢铁工业技术发展指南指出：“对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现[5]”。文献[6]针对选矿过程提出了过程稳定化、过程优化、过程管理三层结构的自动化系统。文献[7]提出了企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES）/过程控制系统（PCS）三层结构的金矿企业综合自动化系统，成功应用于辽宁省排山楼金矿，且成效显著。结合磨矿的生产技术要求及工艺特点，从稳定产品质量、提高磨矿效率、降低能耗的总体控制目标出发，基于优化关键生产工艺指标的实际出发，结合专家系统、案例推理等人工智能技术，提出了过程管理系统和过程控制系统组成的二层结构的磨矿过程综合自动化系统。
1 磨矿过程描述
磨矿过程主要是将矿石经过磨矿过程，处理成细粒度级的颗粒，提供给选别作业。其工艺流程图如图1所示。圆筒矿仓内的粉矿经由电振排料机、给矿皮带，送入一段球磨机内，经过球磨机、双螺旋分级机组成的一段闭路磨矿系统细磨后，再经过细筛的筛分作用，大颗粒的矿石被送入由二段球磨机、水力旋流器组成的二段闭路磨矿系统继续再磨，水力旋流器的溢流和经筛分作用后的小颗粒被送入选别工序。为了保证磨矿分级效果，必须在一段磨机入口、一段磨机出口和二段泵池处分别加入一定流量的清水。
磨矿过程最关键的工艺指标是二段磨矿的旋流器溢流粒度指标。从控制的角度看，影响磨矿作业的主要因素有一段球磨机给矿量、一段球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机溢流质量浓度、水力旋流器给矿压力、水力旋流器给矿质量浓度等。保持球磨机给矿量稳定，使其不波动或波动范围很小，对稳定产品质量、稳定球磨机磨矿过程都是很重要的因素，同时从经济效益的角度考虑应保证球磨机的最大处理能力。对于格子型球磨机来说，一个比较合适的磨矿质量浓度是实现球磨机磨矿效率高低的前提，磨矿质量浓度的过高或过低都会产生负面的影响，比如球磨机涨肚等事故。螺旋分级机溢流质量浓度在某种程度上与一次分级溢流粒度有一定的关系，并且溢流质量浓度的高低将会影响分级机返砂的多少和返砂的质量浓度，从而影响球磨机的磨矿效率和球磨机的处理量，因此控制分级机溢流质量浓度是控制产品质量好坏、磨矿效率的重要环节。为了保证水力旋流器在生产上的稳定及其产品质量的稳定，必须控制旋流器的给矿压力，保证旋流器的工作状况最佳（沉砂呈伞装，角度不能过大或过小），防止产品质量的波动，同时也防止旋流器给矿泵池被打空或打冒。旋流器的溢流粒度与旋流器的给矿质量浓度有一定的关系，此参数配合旋流器的给矿压力将是控制旋流器分级效率的重要工作参数。以上各种因素的相互影响，共同作用，决定了磨矿作业的好坏。正是从该工艺的生产技术要求及工艺特点设计了磨矿过程综合自动化系统。
通过以上分析，我们首先确定，磨矿过程的主要控制变量为电振排矿机的振动频率、一段球磨机入口加水阀位开度、螺旋分级机补加水阀位开度、水力旋流器给矿矿浆泵转速、二段泵池补加水阀位开度等；主要被控变量为一段球磨机给矿量、一段球磨机入口加水流量、一段球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机补加水流量、螺旋分级机溢流质量浓度、水力旋流器给矿压力、水力旋流器给矿质量浓度、二段泵池液位等。
2 磨矿过程综合自动化系统
2.1 系统结构与功能
结合选矿厂磨矿过程的特点，提出了磨矿过程综合自动化系统的体系结构，如图2所示。
该系统由磨矿智能优化控制系统和运行过程管理系统两层结构组成。其中智能优化控制系统采用EIC三电一体化计算机集散控制系统集成设计技术和智能控制技术，由磨矿过程智能优化回路设定系统、一段磨矿回路控制子系统与二段磨矿回路控制子系统组成。
运行过程管理系统包括系统监测、故障诊断、设备管理、生产安全管理、报表生产与打印、系统通讯和操作指导、系统安全、用户管理和系统导航等功能模块。智能优化控制系统和运行过程管理系统通过设备网、控制网、以太网和实时数据库实现两层和各个子系统之间的信息集成，从而实现磨矿过程的综合自动化。
智能优化控制系统实现各设备逻辑连锁控制、回路控制和回路优化设定控制等功能。逻辑连锁控制主要包括电振排矿机组、给矿皮带、螺旋分级机、矿浆泵及水力旋流器给矿变频器组等设备装置的单机启停操作和全线联起、联停的操作。回路控制主要实现重要工艺参数的连续稳定控制，并控制在工艺要求范围内。控制回路主要包括一段球磨机给矿量、球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机溢流质量浓度、二段水力旋流器给矿压力、给矿质量浓度的回路控制，以及矿浆泵泵池液位的前馈控制，保证磨矿过
磨矿过程是选矿厂的中间工序。矿石经过物理的研磨、分级作用，颗粒由大变小到一定的程度，才能达到矿石的单体解离或近于单体解离，有利于选别工序的金属回收和金属富集。因此磨矿过程是影响选矿生产的关键环节，直接制约着选矿产品质量和金属回收率。此外，磨矿作业能耗占选矿厂整个选矿过程的40%～60%。因此磨矿过程实现自动控制具有重要意义。国外对磨矿过程的建模与控制的研究已经相当深入，控制方法包括优化控制[1]，多变量控制[2] ，预测控制[3]，但是国外的磨矿流程和设备与我国不尽相同，国外一般都用棒磨机为一段开路磨矿，或以新给矿配水力旋流器构成磨矿闭路，并普遍使用粒度计等高精密在线检测仪表，因此其研究成果难以适用于实现我国磨矿过程的自动控制。国外对于磨矿粒度的软测量的研究，仅限于用来代替常规仪表实现回路控制[4]。我国的磨矿过程具有自身特点，广泛使用螺旋分级机。磨矿过程本身的大惯性、参数时变、非线性、边界条件波动大等复杂特性，以及关键工艺指标磨矿粒度难以在线测量，导致在我国磨矿过程自动化水平低，目前只在部分厂矿实现了给矿、给水等基础回路的自动控制。欧洲钢铁工业技术发展指南指出：“对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现[5]”。文献[6]针对选矿过程提出了过程稳定化、过程优化、过程管理三层结构的自动化系统。文献[7]提出了企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES）/过程控制系统（PCS）三层结构的金矿企业综合自动化系统，成功应用于辽宁省排山楼金矿，且成效显著。结合磨矿的生产技术要求及工艺特点，从稳定产品质量、提高磨矿效率、降低能耗的总体控制目标出发，基于优化关键生产工艺指标的实际出发，结合专家系统、案例推理等人工智能技术，提出了过程管理系统和过程控制系统组成的二层结构的磨矿过程综合自动化系统。
1 磨矿过程描述
磨矿过程主要是将矿石经过磨矿过程，处理成细粒度级的颗粒，提供给选别作业。其工艺流程图如图1所示。圆筒矿仓内的粉矿经由电振排料机、给矿皮带，送入一段球磨机内，经过球磨机、双螺旋分级机组成的一段闭路磨矿系统细磨后，再经过细筛的筛分作用，大颗粒的矿石被送入由二段球磨机、水力旋流器组成的二段闭路磨矿系统继续再磨，水力旋流器的溢流和经筛分作用后的小颗粒被送入选别工序。为了保证磨矿分级效果，必须在一段磨机入口、一段磨机出口和二段泵池处分别加入一定流量的清水。
磨矿过程最关键的工艺指标是二段磨矿的旋流器溢流粒度指标。从控制的角度看，影响磨矿作业的主要因素有一段球磨机给矿量、一段球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机溢流质量浓度、水力旋流器给矿压力、水力旋流器给矿质量浓度等。保持球磨机给矿量稳定，使其不波动或波动范围很小，对稳定产品质量、稳定球磨机磨矿过程都是很重要的因素，同时从经济效益的角度考虑应保证球磨机的最大处理能力。对于格子型球磨机来说，一个比较合适的磨矿质量浓度是实现球磨机磨矿效率高低的前提，磨矿质量浓度的过高或过低都会产生负面的影响，比如球磨机涨肚等事故。螺旋分级机溢流质量浓度在某种程度上与一次分级溢流粒度有一定的关系，并且溢流质量浓度的高低将会影响分级机返砂的多少和返砂的质量浓度，从而影响球磨机的磨矿效率和球磨机的处理量，因此控制分级机溢流质量浓度是控制产品质量好坏、磨矿效率的重要环节。为了保证水力旋流器在生产上的稳定及其产品质量的稳定，必须控制旋流器的给矿压力，保证旋流器的工作状况最佳（沉砂呈伞装，角度不能过大或过小），防止产品质量的波动，同时也防止旋流器给矿泵池被打空或打冒。旋流器的溢流粒度与旋流器的给矿质量浓度有一定的关系，此参数配合旋流器的给矿压力将是控制旋流器分级效率的重要工作参数。以上各种因素的相互影响，共同作用，决定了磨矿作业的好坏。正是从该工艺的生产技术要求及工艺特点设计了磨矿过程综合自动化系统。
通过以上分析，我们首先确定，磨矿过程的主要控制变量为电振排矿机的振动频率、一段球磨机入口加水阀位开度、螺旋分级机补加水阀位开度、水力旋流器给矿矿浆泵转速、二段泵池补加水阀位开度等；主要被控变量为一段球磨机给矿量、一段球磨机入口加水流量、一段球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机补加水流量、螺旋分级机溢流质量浓度、水力旋流器给矿压力、水力旋流器给矿质量浓度、二段泵池液位等。
2 磨矿过程综合自动化系统
2.1 系统结构与功能
结合选矿厂磨矿过程的特点，提出了磨矿过程综合自动化系统的体系结构，如图2所示。
该系统由磨矿智能优化控制系统和运行过程管理系统两层结构组成。其中智能优化控制系统采用EIC三电一体化计算机集散控制系统集成设计技术和智能控制技术，由磨矿过程智能优化回路设定系统、一段磨矿回路控制子系统与二段磨矿回路控制子系统组成。
运行过程管理系统包括系统监测、故障诊断、设备管理、生产安全管理、报表生产与打印、系统通讯和操作指导、系统安全、用户管理和系统导航等功能模块。智能优化控制系统和运行过程管理系统通过设备网、控制网、以太网和实时数据库实现两层和各个子系统之间的信息集成，从而实现磨矿过程的综合自动化。
智能优化控制系统实现各设备逻辑连锁控制、回路控制和回路优化设定控制等功能。逻辑连锁控制主要包括电振排矿机组、给矿皮带、螺旋分级机、矿浆泵及水力旋流器给矿变频器组等设备装置的单机启停操作和全线联起、联停的操作。回路控制主要实现重要工艺参数的连续稳定控制，并控制在工艺要求范围内。控制回路主要包括一段球磨机给矿量、球磨机磨矿质量浓度、螺旋分级机溢流质量浓度、二段水力旋流器给矿压力、给矿质量浓度的回路控制，以及矿浆泵泵池液位的前馈控制，保证磨矿过
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