劉志遠(yuǎn) 程小舟 1

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000）

在選礦行業(yè)中，礦漿品位是指導(dǎo)選礦生產(chǎn)的重要指標(biāo)，其測(cè)量一直是選礦行業(yè)的研究重點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)。礦漿品位在線測(cè)量的精度直接影響了選礦工藝流程自動(dòng)化控制的效果，因此，開(kāi)發(fā)出一套實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、安全性好、性價(jià)比高的在線品位分析系統(tǒng)是選礦行業(yè)迫切需要的。

目前，國(guó)際上在線測(cè)量元素品位主要采用能量色散的方式，國(guó)內(nèi)多所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者對(duì)能量色散的元素分析方法以及X射線能譜分析的相關(guān)理論及方法進(jìn)行了深入研究。南京航空航天大學(xué)熊偉［1］針對(duì)RoHS檢測(cè)的需求，根據(jù)能量色散光譜分析的工作原理設(shè)計(jì)了X射線熒光光譜儀；東南大學(xué)戴志勇等［2］依據(jù)能量色散原理設(shè)計(jì)并研制了一款由X射線管、高壓電源系統(tǒng)、光路系統(tǒng)以及信號(hào)處理系統(tǒng)組成的X射線熒光分析儀；成都理工大學(xué)李秋實(shí)［3］通過(guò)研究解決了能量色散X射線熒光分析中空氣介質(zhì)對(duì)輕元素特征X射線吸收的難題；北京礦冶研究總院李杰等［4］通過(guò)研究能量色散型X射線熒光分析儀，在Visual C++6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出一套熒光分析儀專用分析軟件，界面友好，使用方便。目前，市場(chǎng)上礦漿品位測(cè)量的產(chǎn)品主要有芬蘭奧圖泰庫(kù)里厄的5X/6X SL分析儀、中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司的WDPF型在線品位分析儀、北京礦冶科技股份有限公司的BOXA型在線品位分析儀等。其中庫(kù)里厄5X/6X SL分析儀與BOXA型在線品位分析儀均由一次取樣器、多路器、分析儀控制單元、分析儀探頭和分析儀管理站5部分組成，采用的是多路取樣集中分析的測(cè)量方式［5-7］，同時(shí)可以完成測(cè)量窗口的自動(dòng)換膜［8］。由于選礦工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)備復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，在某些選礦車間該方式可能會(huì)存在取樣管路堵塞以及一次測(cè)量周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，還有較大的升級(jí)改進(jìn)空間。

礦漿在線品位分析儀是中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司推廣應(yīng)用幾十年的礦山專用檢測(cè)儀表之一，采用在所需測(cè)量點(diǎn)直接取樣測(cè)量的方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量品位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)大大降低了儀表后期維護(hù)的工作量。測(cè)量方式的便捷與現(xiàn)場(chǎng)較低的維護(hù)工作量使得該礦漿在線品位分析儀在全國(guó)各地多個(gè)選礦工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了長(zhǎng)期穩(wěn)定的應(yīng)用［9-11］。但是，由于礦山企業(yè)和國(guó)家有關(guān)部門對(duì)放射源的管控越來(lái)越嚴(yán)格，傳統(tǒng)采用核源的在線品位分析儀逐漸失去了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，芯片技術(shù)飛速發(fā)展，儀表嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，51系列單片機(jī)的控制系統(tǒng)無(wú)法勝任品位多數(shù)據(jù)的處理以及各子系統(tǒng)之間的通訊。因此，本研究采用目前市面上較先進(jìn)的STM32F407主控芯片開(kāi)發(fā)該分析儀的嵌入式控制系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)制冷機(jī)構(gòu)、光路機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，利用Matlab數(shù)學(xué)建模分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，以提高該新型X熒光在線品位分析儀的測(cè)量分析精度與運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 測(cè)量分析原理

該新型X熒光在線品位分析儀的測(cè)量分析原理與前幾代產(chǎn)品相比，主要區(qū)別為：采用X光管來(lái)激發(fā)元素的X熒光，同時(shí)采用進(jìn)口元器件半導(dǎo)體探測(cè)器代替原正比計(jì)數(shù)管，其中半導(dǎo)體探測(cè)器采用Si-Pin半導(dǎo)體X射線探頭以及兩級(jí)熱電制冷模式，測(cè)量準(zhǔn)確度較高［12］，同時(shí)在安全性和穩(wěn)定性上有了大幅度的提升。

新型X熒光在線品位分析儀的測(cè)量分析原理如圖1所示，具體過(guò)程為：新型在線品位分析儀X光管發(fā)射出的X射線與取樣窗口待測(cè)礦漿中各元素原子作用，當(dāng)入射光子能量大于元素原子內(nèi)層電子的束縛能時(shí)，該層電子逸出而產(chǎn)生空穴，外層電子發(fā)生能級(jí)躍遷補(bǔ)充該空穴，同時(shí)發(fā)出一定能量的特征X射線熒光；使用半導(dǎo)體探測(cè)器接收所有不同能量的X熒光，通過(guò)探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào)，經(jīng)前置放大后，用多道脈沖高度分析器進(jìn)行信號(hào)處理，得到不同能量X熒光的強(qiáng)度分布譜圖，即能量色散光譜，簡(jiǎn)稱X熒光能譜；最后，通過(guò)能譜圖中能量脈沖的道位對(duì)元素進(jìn)行定性分析，由于能譜圖中脈沖的計(jì)數(shù)率正比于該元素的含量，據(jù)此可對(duì)元素進(jìn)行定量分析。通過(guò)上述方式可以得到所測(cè)量礦漿的元素類別以及相應(yīng)的品位數(shù)值。

2 儀表結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

新型X熒光在線品位分析儀的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，包括主控單元、測(cè)量單元、標(biāo)定單元、準(zhǔn)直單元、溫控單元以及供電單元。礦漿取樣設(shè)備就近安裝在攪拌桶內(nèi)，數(shù)據(jù)分析處理上位軟件運(yùn)行在PC端工控機(jī)中；主控單元采用STM32F407ZET6系列作為微處理器；核心測(cè)量單元由X光管、高壓電源以及半導(dǎo)體探測(cè)器構(gòu)成；標(biāo)定單元由檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及步進(jìn)電機(jī)控制模塊構(gòu)成；準(zhǔn)直單元包括準(zhǔn)直器和濾光片；溫控單元由半導(dǎo)體制冷片和微電腦溫控器構(gòu)成；供電單元為主控芯片提供3.3 V及5.5 V直流電源，同時(shí)為X光管高壓電源提供24 V直流電源。

主控單元中的串口通訊芯片設(shè)有兩個(gè)，分別為MAX3232和MAX3485，其中主控單元通過(guò)RS-232通訊模塊與測(cè)量單元中的X光管及其配套的高壓電源、探測(cè)器以及溫控單元連接，通過(guò)RS-485通訊模塊與數(shù)據(jù)分析處理上位軟件連接。

3 主控單位設(shè)計(jì)

3.1 主控單元硬件結(jié)構(gòu)

主控單元硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，選用STM32F407ZET6系列作為該嵌入式系統(tǒng)的微處理器，系統(tǒng)片內(nèi)包括STM32F407最小系統(tǒng)、JTAG調(diào)試接口、電源供電模塊、RS-232與RS-485通訊模塊、標(biāo)樣檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)控制模塊、溫度控制模塊、X光管高壓電源控制模塊以及X熒光探測(cè)器控制模塊。主控單元主要完成機(jī)箱各測(cè)量單位的控制、機(jī)箱溫度的調(diào)節(jié)以及與上位機(jī)的通訊工作。

STM32F407最小系統(tǒng)由微處理器STM32F407ZET6、外部SRAM、EEPROM存儲(chǔ)器以及時(shí)鐘晶振組成。其中STM32F407ZET6是基于Cortex-M4內(nèi)核的32位高性能芯片，主頻為168 M，較快的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富的外設(shè)接口可以滿足在線品位分析儀對(duì)數(shù)據(jù)處理速度以及多類別的要求［13］；外部SRAM采用ISSI存儲(chǔ)器IS62WV51216BLL-55TLI，其存儲(chǔ)器容量為8 Mbit，內(nèi)存配置為 512 K*16；EE?PROM存儲(chǔ)器選用ATMLH751，可以通過(guò)電子方式多次復(fù)寫；STM32F407最小系統(tǒng)的時(shí)鐘晶振采用外部晶振模式，該電路在一個(gè)反相放大器的兩端接入晶振，有兩個(gè)電容分別接入到晶振的兩端，同時(shí)另一個(gè)電容接地，電路左端接入到STM32F407ZET6的時(shí)鐘晶振IO引腳中。

由于外置高壓電源需要主控單元進(jìn)行+24 V供電，同時(shí)微處理器、半導(dǎo)體探測(cè)器以及步進(jìn)電機(jī)等單元需要3.3 V以及5 V供電，因此主控單元的供電模塊由開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596以及正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117組成，其中LM2596是降壓型電源管理單片集成電路，AMS1117為正向低壓降穩(wěn)壓器，供電芯片為主控單元各模塊提供穩(wěn)定的電壓為3.3 V和5 V的電源。其中供電單元電路原理如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)控制模塊采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A4984SLPT，它可以將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，隨即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)礦漿標(biāo)樣塊的前進(jìn)與后退，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位、精準(zhǔn)測(cè)量的目的。STM32F407最小系統(tǒng)與X光管高壓電源、半導(dǎo)體探測(cè)器以及溫控器的通訊采用RS-232通訊芯片MAX3232，實(shí)現(xiàn)設(shè)備RS-232數(shù)據(jù)到主控單片機(jī)TTL數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換以及波特率自適應(yīng)。

STM32F407最小系統(tǒng)與PC端上位軟件的通訊采用RS-485通訊芯片MAX3485，該485通訊模塊電路原理如圖5所示，其中STM32F407ZET6的“PC11”引腳與MAX485的“TX”相連，“PC10”與“RX”相連，這兩個(gè)端口以半雙工的形式完成數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)MAX485芯片中有“EN1”和“EN2”兩個(gè)引腳，用于控制485芯片的收發(fā)工作狀態(tài)的，當(dāng)“EN1”引腳為低電平時(shí)，485芯片處于接收狀態(tài)，當(dāng)“EN2”引腳為高電平時(shí)芯片處于發(fā)送狀態(tài)。主控單元中使用了STM32F407ZET6的“PD6”接口直接連接到這兩個(gè)引腳上，通過(guò)控制“PD6”的輸出電平即可控制RS-485的收發(fā)狀態(tài)。MAX485的AB兩個(gè)接口通過(guò)板上接線端子與PC端連接，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳以及開(kāi)關(guān)指令的下達(dá)。

3.2 主控單元軟件程序編程

主控單元STM32F407軟件程序的編程主要在Keil5中完成，采用目前較成熟的固件庫(kù)編程的方式，編程內(nèi)容包括STM32F407內(nèi)核的匯編寄存器定義、STM32F407系統(tǒng)初始化與系統(tǒng)時(shí)鐘配置函數(shù)、中斷相關(guān)服務(wù)函數(shù)與中斷固件庫(kù)、STM32F407片內(nèi)外設(shè)固件庫(kù)、主控芯片板級(jí)支持包函數(shù)以及程序主函數(shù)。

主控單元軟件程序的編程需要STM32F407片內(nèi)外設(shè)固件庫(kù)的支持，將所需的片內(nèi)外設(shè)固件庫(kù)打包進(jìn)Driver文件夾中，以便板級(jí)支持包函數(shù)以及主函數(shù)的調(diào)用。中斷服務(wù)函數(shù)主要用來(lái)設(shè)定程序運(yùn)行相應(yīng)的中斷信息，保證STM32F407ZET6對(duì)中斷信息的及時(shí)處理與反饋，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。主控芯片板級(jí)支持包函數(shù)主要是用來(lái)設(shè)置主控單元PCB板上的相應(yīng)接口，使PCB板上外設(shè)各模塊接口與STM32F407ZET6引腳的定義相對(duì)應(yīng)。程序框圖如圖6所示。

其中程序代碼主要函數(shù)包括：

（1）溫度控制模塊、X光管高壓電源控制模塊以及X熒光探測(cè)器控制模塊數(shù)據(jù)的接收與開(kāi)關(guān)量的控制函數(shù)；

（2）VB上位軟件與下位測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)上傳與下載函數(shù)；

（3）標(biāo)樣檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間與距離控制函數(shù)；

（4）溫度控制模塊溫度數(shù)據(jù)采集與溫控器開(kāi)關(guān)量控制函數(shù)。

4 機(jī)箱溫控系統(tǒng)以及準(zhǔn)直濾光機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于X光管以及X熒光探測(cè)器工作時(shí)均對(duì)環(huán)境溫度上限有要求，故需要對(duì)機(jī)箱加裝降溫設(shè)備和溫控模塊。機(jī)箱溫度調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)由半導(dǎo)體制冷片和微電腦溫控器兩部分組成，分別起到機(jī)箱降溫和溫度控制的作用。半導(dǎo)體制冷片安裝于機(jī)箱蓋板上，冷端位于機(jī)箱內(nèi)部對(duì)機(jī)箱內(nèi)部進(jìn)行降溫；熱端位于機(jī)箱外部，且包含3臺(tái)風(fēng)扇，將熱量散發(fā)到機(jī)箱外部。微電腦溫控器可以檢測(cè)機(jī)箱內(nèi)部的溫度，根據(jù)X光管以及X熒光探測(cè)器的穩(wěn)定工作溫度設(shè)定機(jī)箱溫度的合理區(qū)間。采用PID自動(dòng)控制原理進(jìn)行溫度控制，當(dāng)機(jī)箱溫度超過(guò)設(shè)定上限時(shí)，能夠及時(shí)斷開(kāi)系統(tǒng)的電源，起到保護(hù)昂貴光學(xué)設(shè)備的目的。

X光管產(chǎn)生的X射線由側(cè)面鈹窗射出，照射到取樣窗中的礦漿，X熒光探測(cè)器的探頭接收礦漿中元素發(fā)射出的X特征熒光，這樣便形成兩條光路。但是如果缺少準(zhǔn)直裝置，X射線照射到礦漿以外的元素產(chǎn)生的X特征熒光也會(huì)被接收器探頭接收，從而對(duì)系統(tǒng)譜形產(chǎn)生干擾。因此通過(guò)借鑒醫(yī)學(xué)上X影像設(shè)備的準(zhǔn)直原理，對(duì)機(jī)箱中兩條光路加裝準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)，消除雜光的干擾。目前在選礦現(xiàn)場(chǎng)，一種礦漿中往往只需要知道一種礦石元素的品位，那么礦漿中其他微量元素被激發(fā)出的X特征熒光就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的譜形和建模產(chǎn)生干擾。通過(guò)在取樣窗口加裝濾光片，只讓需要測(cè)量元素的X特征熒光通過(guò)，濾除其他X特征熒光，可提高譜形的純凈度和建模的精度。

5 上位軟件數(shù)據(jù)建模的設(shè)計(jì)

對(duì)于礦漿品位的測(cè)量，儀器分析是一種相對(duì)分析方法，在正式使用之前應(yīng)該采用化學(xué)分析作為基準(zhǔn)予以檢測(cè)，在線品位分析儀檢測(cè)點(diǎn)的標(biāo)定就是使得該點(diǎn)上被測(cè)元素含量的顯示值向化驗(yàn)值靠攏和接近的過(guò)程。

具體的標(biāo)定方法是：在某個(gè)完整的測(cè)量周期內(nèi)分析儀記錄下檢測(cè)點(diǎn)上在線礦漿流的熒光能譜信息，同時(shí)在同一檢測(cè)周期內(nèi)，于檢測(cè)點(diǎn)人工截取被測(cè)礦漿流。礦漿樣品經(jīng)過(guò)過(guò)濾、烘干、縮分后送化驗(yàn)室分析，上述操作得到一個(gè)單樣。樣本的被測(cè)元素品位范圍和濃度范圍要覆蓋使用區(qū)間，并在整個(gè)區(qū)間內(nèi)呈正態(tài)分布。為了獲取有生產(chǎn)代表性的標(biāo)定樣本，保證樣本可以覆蓋選礦流程中礦漿品位的大部分情況，根據(jù)選礦廠現(xiàn)場(chǎng)化驗(yàn)班組工作統(tǒng)計(jì)，對(duì)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)基本上需采出30個(gè)左右的單樣組成一個(gè)樣本，同時(shí)根據(jù)選礦工藝中礦漿的周期變化情況，獲取樣本的時(shí)間跨度應(yīng)該盡量拉長(zhǎng)。對(duì)于本次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)車間化驗(yàn)班組積累的礦漿化驗(yàn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，劃定了可以覆蓋工藝流程各類品位數(shù)據(jù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，確定了15 d的時(shí)間跨度。同時(shí)，為了滿足BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集容量的需要，每天按照統(tǒng)一的時(shí)間各采集8組計(jì)數(shù)率、化驗(yàn)值以及礦漿濃度的有效數(shù)據(jù)，一共采集120組有效數(shù)據(jù)。最終將該樣本中的每個(gè)單樣被測(cè)元素化驗(yàn)值置入計(jì)算機(jī)，根據(jù)被測(cè)元素設(shè)置合理的道參數(shù)文件。計(jì)算機(jī)選擇合適的建模方式自動(dòng)建立最佳的數(shù)學(xué)模型并自動(dòng)計(jì)算上述標(biāo)定樣本中各被測(cè)元素的測(cè)量準(zhǔn)確度，之后根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型在線檢測(cè)礦漿流中各元素的品位值，從而指導(dǎo)選礦生產(chǎn)。

選礦工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的礦漿中往往含有多種元素，各元素的含量也會(huì)相互影響，因此一種元素的品位數(shù)值與礦漿中各種元素的X熒光能譜信息（上位軟件接收到的元素脈沖數(shù)）相關(guān)聯(lián)，品位作為礦石元素在礦漿中含量的比重與礦漿濃度也存在關(guān)聯(lián)性。某一元素的品位值與脈沖計(jì)數(shù)率以及礦漿濃度呈強(qiáng)相關(guān)，與其他元素脈沖計(jì)數(shù)率呈弱相關(guān)。因此，黑盒子式數(shù)據(jù)建模適合于品位數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)大數(shù)據(jù)的訓(xùn)練可以找出各數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性。在智能算法領(lǐng)域，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種最有效的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法，其主要特點(diǎn)是信號(hào)前向傳遞，而誤差后向傳播，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值，使得網(wǎng)絡(luò)的最終輸出與期望輸出盡可能接近，以達(dá)到訓(xùn)練建模的目的，同時(shí)其多輸入多輸出的特點(diǎn)也適合對(duì)元素脈沖數(shù)和品位值進(jìn)行建模分析。

基于上述原因，上位軟件品位數(shù)據(jù)的建模與分析考慮采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高數(shù)據(jù)建模的準(zhǔn)確度［14］。通過(guò)Matlab編程的方式，進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模，生成.m可執(zhí)行文件MCRInstaller在PC端上運(yùn)行，同時(shí)在VB軟件中安裝動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件myOneR-egress_1_0.dll，實(shí)現(xiàn)VB上位軟件與Matlab數(shù)據(jù)處理庫(kù)的連接。

圖7為品位數(shù)據(jù)建模分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，該典型銅礦品位數(shù)據(jù)建模分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層以及輸出層構(gòu)成，其中輸入層由半導(dǎo)體探測(cè)器所測(cè)量的礦漿元素X射線熒光脈沖數(shù)經(jīng)STM32F407主控芯片傳輸?shù)缴衔卉浖械脑孛}沖數(shù)以及礦漿實(shí)時(shí)濃度組成；隱含層為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中間層，需要一定數(shù)量的隱含節(jié)點(diǎn)，隱含層的隱含節(jié)點(diǎn)的選擇根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，h為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；m為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；n為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；a為1到10之間的調(diào)節(jié)常數(shù)。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的經(jīng)驗(yàn)，a的值選2，故隱含層設(shè)置為4個(gè)神經(jīng)元。

輸出層輸出元素的品位數(shù)值，輸出的值由上位軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)一段時(shí)間測(cè)量元素脈沖數(shù)的典型值以及化驗(yàn)品位的準(zhǔn)確值，在Matlab中進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)修改各神經(jīng)元的權(quán)值，該自學(xué)習(xí)選用Matlab中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練［15］，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集使用上文中描述的15日內(nèi)選礦浮選槽現(xiàn)場(chǎng)所采集的120組數(shù)據(jù)，20組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練完成后的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，100組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中每組數(shù)據(jù)均為元素脈沖計(jì)數(shù)率、礦漿濃度以及相應(yīng)的元素品位化驗(yàn)值。預(yù)測(cè)模型的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：將訓(xùn)練集100組樣本數(shù)據(jù)歸一化處理后輸入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)隱層和輸出層激勵(lì)函數(shù)分別為tansig和logsig函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)為traingdx，網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)為mse，隱層神經(jīng)元數(shù)初設(shè)為4，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)epochs為5 000次，期望誤差goal為0.000 000 01。設(shè)定完參數(shù)后，開(kāi)始訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)重復(fù)學(xué)習(xí)達(dá)到期望誤差后則完成學(xué)習(xí)。

在實(shí)際使用中，定期的品位化學(xué)檢驗(yàn)值可以輸入到分析儀的上位軟件中，依托平時(shí)大量的品位化學(xué)檢驗(yàn)值、礦漿濃度以及相應(yīng)的元素脈沖數(shù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型可以不斷地自學(xué)習(xí)來(lái)修正各神經(jīng)元的權(quán)值，提高該在線品位分析儀測(cè)量的準(zhǔn)確度以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦漿品位數(shù)值突變的適應(yīng)能力。

6 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)效果

2019年3月，該新型X熒光在線品位分析儀在紹興某銅選礦廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，檢測(cè)了該儀表的運(yùn)行穩(wěn)定性情況以及現(xiàn)場(chǎng)品位測(cè)量的精度。

由于選礦廠工業(yè)設(shè)備、環(huán)境溫度等情況復(fù)雜，同時(shí)X光管以及半導(dǎo)體探測(cè)器的運(yùn)行對(duì)溫度要求較高，因此，在工業(yè)試驗(yàn)時(shí)我們需要了解品位儀運(yùn)行時(shí)X光管高壓電源的燈絲電流、電源溫度、電源電壓、管電壓、管電流以及半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)器高壓、探頭溫度、機(jī)身溫度。圖8為上位軟件中選廠現(xiàn)場(chǎng)總銅通道監(jiān)視窗，其中點(diǎn)狀曲線為所測(cè)礦樣中不同能量X熒光的強(qiáng)度分布譜圖，簡(jiǎn)稱X熒光能譜圖，通過(guò)分析峰位和峰值即可得出礦漿中相應(yīng)元素的種類以及品位；監(jiān)視窗右端從上到下即為半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)器高壓、探頭溫度、機(jī)身溫度以及X光管高壓電源的燈絲電流、電源溫度、電源電壓、管電壓、管電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行一段周期的參數(shù)如表1所示，取每天上午9點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)各參數(shù)均比較穩(wěn)定，參數(shù)只隨環(huán)境溫度的改變發(fā)生微小的變化，符合該品位分析儀的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該儀表長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

半導(dǎo)體探測(cè)器所測(cè)量的X射線熒光的峰位和峰值是進(jìn)行數(shù)據(jù)建模的數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)記錄一段周期所測(cè)元素的X射線熒光的峰位和峰值，可以檢驗(yàn)該品位儀測(cè)量的精度?，F(xiàn)場(chǎng)該選礦車間總銅點(diǎn)位的銅元素X射線熒光的峰位和峰值的數(shù)值如表2所示，取每天上午9點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，所測(cè)X射線熒光的峰位一直穩(wěn)定在912道位附近，波動(dòng)幅度微小，同時(shí)相應(yīng)的峰值跟隨品位數(shù)值的變化做正比變化，均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

（1）該新型X熒光在線品位分析儀基于STM32F407設(shè)計(jì)而成，主控單元集成度較高、整體功耗較低；X射線高壓光管以及半導(dǎo)體探測(cè)器的使用確保了儀表無(wú)核化的要求，同時(shí)溫控以及準(zhǔn)直濾光單元的加入提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的方式提高了數(shù)據(jù)建模的準(zhǔn)確度以及數(shù)據(jù)處理的自適應(yīng)能力。

（2）工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，該新型X熒光在線品位分析儀的運(yùn)行穩(wěn)定性與測(cè)量精度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，與上一代有核源在線品位分析儀相比：①現(xiàn)場(chǎng)使用的安全性得到了提高，消除了核源所造成的安全隱患；②精礦礦漿品位的測(cè)量精度從上一代的5%左右提升到了2%～3%，做到了對(duì)選礦自動(dòng)化流程更精確的反饋?zhàn)饔茫虎塾芍骺貑卧纳?jí)帶來(lái)的測(cè)量計(jì)數(shù)率分辨率的提高使得該新型儀器的元素品位測(cè)量范圍得到了擴(kuò)展，測(cè)量能力基本覆蓋了礦山行業(yè)中的各類礦石元素。該新型在線品位分析儀的成功研制滿足了選礦工藝流程對(duì)礦漿品位高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，為選礦行業(yè)全流程自動(dòng)化控制的優(yōu)化提供了更先進(jìn)的技術(shù)支撐。