摘要：選礦行業(yè)的磨礦過程存在大慣性、參數(shù)時變、非線性等特點，特別是邊界條件波動，工藝指標磨礦粒度難以在線測量，難以實現(xiàn)磨礦粒度的優(yōu)化控制，因而導致磨礦生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，難以保證磨礦質(zhì)量和磨礦效率。提出了基于磨礦粒度優(yōu)化控制的磨礦過程綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能優(yōu)化過程控制系統(tǒng)和運行過程管理系統(tǒng)組成。討論了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和智能優(yōu)化控制策略。智能優(yōu)化過程控制系統(tǒng)由智能優(yōu)化設定和底層控制回路兩級組成，通過軟測量模型對磨礦粒度等工藝指標進行預報，通過回路設定模型給出底層回路控制的優(yōu)化設定值。該系統(tǒng)成功應用于某大型選礦廠磨礦過程，穩(wěn)定了生產(chǎn)流程，提高了磨礦效率，實現(xiàn)了優(yōu)化控制、優(yōu)化管理和優(yōu)化運行。
關鍵詞：磨礦；綜合自動化；優(yōu)化控制

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、分級作用，顆粒由大變小到一定的程度，才能達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)能耗占選礦廠整個選礦過程的40%～60%。因此磨礦過程實現(xiàn)自動控制具有重要意義。國外對磨礦過程的建模與控制的研究已經(jīng)相當深入，控制方法包括優(yōu)化控制[1]，多變量控制[2]，預測控制[3]，但是國外的磨礦流程和設備與我國不盡相同，國外一般都用棒磨機為一段開路磨礦，或以新給礦配水力旋流器構(gòu)成磨礦閉路，并普遍使用粒度計等高精密在線檢測儀表，因此其研究成果難以適用于實現(xiàn)我國磨礦過程的自動控制。國外對于磨礦粒度的軟測量的研究，僅限于用來代替常規(guī)儀表實現(xiàn)回路控制[4]。我國的磨礦過程具有自身特點，廣泛使用螺旋分級機。磨礦過程本身的大慣性、參數(shù)時變、非線性、邊界條件波動大等復雜特性，以及關鍵工藝指標磨礦粒度難以在線測量，導致在我國磨礦過程自動化水平低，目前只在部分廠礦實現(xiàn)了給礦、給水等基礎回路的自動控制。歐洲鋼鐵工業(yè)技術發(fā)展指南指出：“對于降低生產(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控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計來實現(xiàn)[5]”。文獻[6]針對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)的自動化系統(tǒng)。文獻[7]提出了企業(yè)資源計劃（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)綜合自動化系統(tǒng)，成功應用于遼寧省排山樓金礦，且成效顯著。結(jié)合磨礦的生產(chǎn)技術要求及工藝特點，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出發(fā)，基于優(yōu)化關鍵生產(chǎn)工藝指標的實際出發(fā)，結(jié)合專家系統(tǒng)、案例推理等人工智能技術，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，處理成細粒度級的顆粒，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、給礦皮帶，送入一段球磨機內(nèi)，經(jīng)過球磨機、雙螺旋分級機組成的一段閉路磨礦系統(tǒng)細磨后，再經(jīng)過細篩的篩分作用，大顆粒的礦石被送入由二段球磨機、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。為了保證磨礦分級效果，必須在一段磨機入口、一段磨機出口和二段泵池處分別加入一定流量的清水。

磨礦過程最關鍵的工藝指標是二段磨礦的旋流器溢流粒度指標。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給礦量、一段球磨機磨 礦質(zhì)量濃度、螺旋分級機溢流質(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。保持球磨機給礦量穩(wěn)定，使其不波動或波動范圍很小，對穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定球磨機磨礦過程都是很重要的因素，同時從經(jīng)濟效益的角度考慮應保證球磨機的最大處理能力。對于格子型球磨機來說，一個比較合適的磨礦質(zhì)量濃度是實現(xiàn)球磨機磨礦效率高低的前提，磨礦質(zhì)量濃度的過高或過低都會產(chǎn)生負面的影響，比如球磨機漲肚等事故。螺旋分級機溢流質(zhì)量濃度在某種程度上與一次分級溢流粒度有一定的關系，并且溢流質(zhì)量濃度的高低將會影響分級機返砂的多少和返砂的質(zhì)量濃度，從而影響球磨機的磨礦效率和球磨機的處理量，因此控制分級機溢流質(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，角度不能過大或過小），防止產(chǎn)品質(zhì)量的波動，同時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)量濃度有一定的關系，此參數(shù)配合旋流器的給礦壓力將是控制旋流器分級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)技術要求及工藝特點設計了磨礦過程綜合自動化系統(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的振動頻率、一段球磨機入口加水閥位開度、螺旋分級機補加水閥位開度、水力旋流器給礦礦漿泵轉(zhuǎn)速、二段泵池補加水閥位開度等；主要被控變量為一段球磨機給礦量、一段球磨機入口加水流量、一段球磨機磨礦質(zhì)量濃度、螺旋分級機補加水流量、螺旋分級機溢流質(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，提出了磨礦過程綜合自動化系統(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三電一體化計算機集散控制系統(tǒng)集成設計技術和智能控制技術，由磨礦過程智能優(yōu)化回路設定系統(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。

運行過程管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、設備管理、生產(chǎn)安全管理、報表生產(chǎn)與打印、系統(tǒng)通訊和操作指導、系統(tǒng)安全、用戶管理和系統(tǒng)導航等功能模塊。智能優(yōu)化控制系統(tǒng)和運行過程管理系統(tǒng)通過設備網(wǎng)、控制網(wǎng)、以太網(wǎng)和實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)兩層和各個子系統(tǒng)之間的信息集成，從而實現(xiàn)磨礦過程的綜合自動化。

智能優(yōu)化控制系統(tǒng)實現(xiàn)各設備邏輯連鎖控制、回路控制和回路優(yōu)化設定控制等功能。邏輯連鎖控制主要包括電振排礦機組、給礦皮帶、螺旋分級機、礦漿泵及水力旋流器給礦變頻器組等設備裝置的單機啟停操作和全線聯(lián)起、聯(lián)停的操作。回路控制主要實現(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)。控制回路主要包括一段球磨機給礦量、球磨機磨礦質(zhì)量濃度、螺旋分級機溢流質(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、提高球磨機的磨礦效率和分級機設備的分級效率、提高球磨機的處理量、降低能耗綜合生產(chǎn)指標為目標，采用智能協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)磨礦粒度的目標要求和邊界條件等的波動情況，分別對一段磨礦控制系統(tǒng)和二段磨礦控制系統(tǒng)的基礎控制回路的設定值進行在線優(yōu)化。