牛桂強(qiáng)

昆明理工大學(xué) 云南昆明 650093

礦石性質(zhì)、鋼球質(zhì)量與配比、磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋼球充填率、襯板磨損程度、分級設(shè)備等諸多因素，共同決定了磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量[1]。基于人工經(jīng)驗(yàn)的操作經(jīng)常產(chǎn)生“欠磨”或者“過磨”現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致浮選指標(biāo)惡化和成本增加，必須及時(shí)調(diào)整磨機(jī)的給礦、給水、給球等條件。磨礦自動(dòng)控制與優(yōu)化控制的目標(biāo)是通過調(diào)整給礦量、磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加球量等操作條件，使磨機(jī)始終保持其最大的工作能力，從而降低礦石單耗，提升處理能力[3]。

甘肅某選礦廠建于 1995年，經(jīng)過多次擴(kuò)產(chǎn)改造，處理能力由 1 500 t/d 提高到 9 000 t/d，屬于國內(nèi)大型選礦廠。其球磨分級自動(dòng)化系統(tǒng)建于 2000年，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控及給礦量調(diào)整等簡單功能，生產(chǎn)過程中主要環(huán)節(jié)仍需人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)操作，存在職工勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制不及時(shí)、不準(zhǔn)確等弊端，難以滿足提高生產(chǎn)效率、嚴(yán)格管控成本的需求。針對上述問題，該廠對磨礦分級自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 磨礦分級自動(dòng)控制技術(shù)

1.1 磨機(jī)負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

磨機(jī)是影響磨礦產(chǎn)品質(zhì)量的“主動(dòng)”設(shè)備。該選礦廠投入了負(fù)荷監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了滿足平衡原則的主動(dòng)控制，并對磨機(jī)負(fù)荷狀態(tài)與β特征值進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了磨機(jī)負(fù)荷監(jiān)測。

工業(yè)試驗(yàn)證明，磨機(jī)負(fù)荷β值與磨機(jī)給礦量有著非常強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，它們之間的關(guān)系如圖 1 所示。

得益于振動(dòng)信號的監(jiān)測與無線采集技術(shù)的成熟，與人工經(jīng)驗(yàn)相比，圖 1 中所示曲線能夠?qū)崟r(shí)捕捉到磨機(jī)的“空砸”和“脹肚”狀態(tài)，監(jiān)控實(shí)時(shí)性高，能夠準(zhǔn)確預(yù)測磨機(jī)故障狀態(tài)。

圖1 磨機(jī)負(fù)荷特征 β 值與給礦量之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between mill load feature β and ore feeding amount

1.2 球磨機(jī)恒定給礦和比例給水控制

核子秤與振動(dòng)給礦機(jī)組成閉環(huán)控制回路。給礦控制器將瞬時(shí)礦量與給礦設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)給礦機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)礦量對設(shè)定值的跟隨。給礦控制器綜合考慮了料倉料位報(bào)警限位、輸送帶延時(shí)、給料機(jī)工作頻率及給料能力等多個(gè)因素，通過多重規(guī)則選擇合適的給料口和合理的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了給礦量穩(wěn)定控制和輸送帶上物料勻布，滿足了生產(chǎn)的技術(shù)要求。

電磁流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥構(gòu)成一個(gè)恒定給水閉環(huán)控制系統(tǒng)。給水設(shè)定值=給礦設(shè)定值×比例系數(shù)。給礦設(shè)定值改變后，給水控制器在最短時(shí)間內(nèi)使得給水量達(dá)到新的設(shè)定值。

1.3 磨礦泵池補(bǔ)加水控制

旋流器進(jìn)漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)依靠調(diào)整泵池補(bǔ)加水來保障。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定時(shí)，泵池給水量必需保持相對穩(wěn)定；質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，給水調(diào)節(jié)必須盡快響應(yīng)。磨機(jī)泵池補(bǔ)加水的設(shè)定值根據(jù)旋流器的給礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，由工藝負(fù)責(zé)調(diào)整。補(bǔ)加水設(shè)定值改變后，補(bǔ)加水控制器在最短時(shí)間內(nèi)使補(bǔ)水量達(dá)到新的設(shè)定值。

1.4 旋流器分級質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒度控制

為反映磨礦產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和實(shí)現(xiàn)粒度在線檢測[4]，采用一套 BPSM-Ⅲ型礦漿粒度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線分析儀，實(shí)現(xiàn)旋流器分級溢流質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒度的優(yōu)化控制。該分析儀有效解決了礦漿粒度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的在線分析技術(shù)問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無射源分析，避免射源帶來的污染與安全隱患。

1.5 智能自動(dòng)加球機(jī)

在球磨機(jī)給料端安裝一套智能自動(dòng)加球裝置。其工作原理是通過安裝在滾筒上的球爪隨機(jī)取球，然后通過光電檢測器進(jìn)行非接觸檢測，并由 P LC 進(jìn)行智能辨識和控制。該裝置的應(yīng)用解決了以往加球機(jī)存在的鋼球卡、堵問題，實(shí)現(xiàn)了鋼球的定量添加與統(tǒng)計(jì)，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了磨礦效率，實(shí)現(xiàn)了鋼球補(bǔ)加和控制的自動(dòng)化。

2 磨礦分級優(yōu)化控制技術(shù)

優(yōu)化控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對泵池液位，旋流器入口流量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力以及出口質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度，磨機(jī)功耗的檢測，利用裝球量、磨機(jī)排礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)、旋流器溢流粒度的預(yù)估模型，通過給礦、泵池液位、旋流器組開關(guān)、循環(huán)負(fù)荷、功率等的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化，保證磨礦分級過程穩(wěn)定和達(dá)到最大處理能力。磨礦分級優(yōu)化控制示意如圖 2 所示。

圖2 磨礦分級優(yōu)化控制過程Fig.2 Process flow of optimization control for grinding classification

2.1 磨機(jī)給礦優(yōu)化控制

磨機(jī)的給礦控制是磨礦過程優(yōu)化控制要解決的核心問題。利用磨機(jī)負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)提供的磨機(jī)負(fù)荷特征β值，給礦優(yōu)化控制器自動(dòng)調(diào)整磨機(jī)給礦量，同時(shí)相應(yīng)調(diào)整前補(bǔ)加水、鋼球的添加量，使得磨機(jī)的給礦量、返砂量與排礦量相匹配，使其充填率、磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度處于最佳范圍，保持滿負(fù)荷且不脹肚的狀態(tài)，從而發(fā)揮磨機(jī)的最大處理能力。采用磨機(jī)β值與給礦設(shè)定值的閉環(huán)調(diào)節(jié)，與人工設(shè)定操作相比，磨機(jī)平均處理能力提高了 17 t/h，約 9.1%，具體如表 1 所列。表 1 中的磨礦處理量是相對值，優(yōu)化控制值指的是球磨機(jī)實(shí)際增加的處理能力。

由表 1 可知：在磨礦處理量方面，處理量顯著提高；β值有所降低，表明磨機(jī)有效負(fù)荷增加；在溢流粒度方面，粒度變化很??；在溢流質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較??；在浮選回收率方面，指標(biāo)明顯提高。

表1 磨機(jī)給礦優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of optimization test for ore feeding to mill

2.2 滯后問題優(yōu)化控制

該廠的粉礦倉體積很大，從粉礦倉底部的給礦口到磨機(jī)入口有一條較長的輸送帶，礦量檢測儀安裝在靠近磨機(jī)入口處，這就帶來控制上的滯后問題，如果處理不當(dāng)，會引起給礦量的波動(dòng)甚至振蕩。為了減少滯后對控制速度、精度的影響，采用了兩種方式：一是設(shè)置合理的控制器參數(shù)，盡可能減小穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)不能出現(xiàn)發(fā)散的情況；二是根據(jù)給礦機(jī)特性設(shè)置啟動(dòng)初值，并將礦量的測量值做預(yù)處理，確保控制器得到與實(shí)際相符的反饋值。

2.3 給礦口切換優(yōu)化控制

粉礦倉設(shè)有多個(gè)給礦口，各口之間需要輪轉(zhuǎn)切換，對這種需求的簡單處理會造成切換時(shí)巨大的擾動(dòng)，即使時(shí)間很短，也會明顯影響磨機(jī)的工作狀態(tài)。

采用精細(xì)化控制策略對每個(gè)給礦口的位置、給礦能力進(jìn)行標(biāo)定，利用軟件控制給礦機(jī)切換的時(shí)序、頻率，從而大大減少切換時(shí)的擾動(dòng)。無論是礦量波動(dòng)的幅度還是時(shí)間，精細(xì)化控制都顯著優(yōu)于普通控制和人工控制。

2.4 水量控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化控制

水量控制在選礦過程中極為常見，看似簡單，但要達(dá)到最佳的控制性能卻非常困難。其中最重要的問題就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性差異極大，即使是同一款電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它的流量特性也不盡相同。該廠通過對不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的數(shù)學(xué)建模，將水量控制實(shí)現(xiàn)完整而真實(shí)的計(jì)算機(jī)仿真，從而為每一個(gè)水量控制回路設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)回路的最優(yōu)解。相比普通控制策略，優(yōu)化控制策略在控制精度、速度以及閥門動(dòng)作頻率和幅度上均有明顯優(yōu)勢，其穩(wěn)態(tài)誤差縮小約75%，動(dòng)作頻率減小約 90%。

2.5 分級優(yōu)化控制

分級系統(tǒng)是磨礦過程的重要環(huán)節(jié)，主要設(shè)備有泵池、泵、旋流器等；關(guān)鍵參數(shù)有分級壓力、溢流粒度、泵池液位等；其控制難點(diǎn)在于受控的變量往往多于控制手段，很難兼顧所有工藝指標(biāo)。例如旋流器分級壓力和泵池液位均與泵速關(guān)系密切，顯然無法做到二者同時(shí)控制。優(yōu)化控制方案可充分利用泵池的有效容積，在不出現(xiàn)冒頂、打空等前提下，優(yōu)先保證核心工藝指標(biāo)的控制效果，通過帶記憶的變結(jié)構(gòu)控制策略，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的綜合性能。

3 結(jié)論

(1) 基于磨機(jī)負(fù)荷β值的給礦設(shè)定值優(yōu)化控制是有效的。磨機(jī)優(yōu)化控制與分級控制配合，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，磨機(jī)處理量提高約 9.1%。

(2) 通過磨礦分級自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工監(jiān)控方式，提高了系統(tǒng)的安全性。

(3) 磨機(jī)負(fù)荷監(jiān)測技術(shù)以及精細(xì)化給礦控制穩(wěn)定了磨機(jī)的負(fù)載率，杜絕因斷料造成的空砸情況，延長了襯板的使用壽命。生產(chǎn)流程的穩(wěn)定減少了企業(yè)的意外損失。同時(shí)，通過各種先進(jìn)檢測技術(shù)和優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用，磨礦分級及相關(guān)生產(chǎn)崗位人員精簡了30%。

(4) 自動(dòng)控制與優(yōu)化控制技術(shù)對磨礦分級各工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)化監(jiān)控，實(shí)時(shí)觀察分析各磨礦分級系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為操作工進(jìn)行實(shí)時(shí)的工藝調(diào)整提供了直觀的數(shù)據(jù)，保證了車間工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化作業(yè)目的，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。