2  項目簡介
    我們通過對選礦工藝的分析研究和預測模型的深入剖析,設計并完成了一套全新的自動化控制系統(tǒng)。該工程采用德國SIEMENS公司的WINCC6.0、S7-400、S7-300控制系統(tǒng),整合現(xiàn)有資源,實現(xiàn)對選礦1＃序列、2＃序列、浮選系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和破碎系統(tǒng)5大區(qū)域的自動控制:完成了復雜的給水量實時控制――改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能,并提高對水壓變化等干擾的抗擾動能力,保證磨礦濃度、粒度穩(wěn)定。利用前饋－反饋控制方案控制球磨機給礦量,達到穩(wěn)定給礦量的目的等。

3  系統(tǒng)功能
    3.1  選礦生產(chǎn)線工藝概況
    選礦設計的工藝流程為兩段全閉路磨礦,其選礦工藝流程是:開采的礦石先經(jīng)料倉由振動機均勻地卷進顎式破碎機進行粗碎,粗碎后的石料由皮帶機送到錘碎機進行進一步破碎;細碎后的石料由皮帶機卷進振動篩進行篩分,篩分出不同規(guī)格的石子,不滿足粒度要求的石子被送至錘碎機進行再次破碎,形成閉路多次循環(huán);滿足粒度要求的石子經(jīng)由提升機、振動給料機送入濕式預選機以提高入磨品位,進入球磨機后進一步對礦石進行粉碎、研磨。
    經(jīng)過球磨機研磨的礦石細料進入下一道工序:分級。螺旋分級機借助固體顆粒比重不同在液體中沉淀速度不同的原理,對礦石混合物進行洗凈、分級,細礦粒浮游在水中溢流出,粗礦粒沉于槽底。
由分級機選出的礦物顆粒被送入三段磁選,細篩自循環(huán)(二個系列),礦物顆粒在磁選機的磁場中,借助磁力與機械力對礦粒的作用而實現(xiàn)分選,再經(jīng)由攪拌、脫硫、過濾脫水流程而得到最終的精礦。
從磁選分出的尾礦經(jīng)15m濃縮底流后送入浮選,攪拌礦漿與藥物混合,細化泡沫,使礦物粘合泡沫之上,有用泡沫被刮板刮出而得到附屬礦品。
    3.2  選礦生產(chǎn)線控制系統(tǒng)配置
    根據(jù)工藝特點和控制要求,我們設計了以下網(wǎng)絡結構,如下圖所示。

    3.3  選礦生產(chǎn)線控制技術方案
    選礦是一個綜合了物理、化學的機理復雜的生產(chǎn)過程,精確的數(shù)學模型很難建立,同時,選礦還包含了過程控制中許多難以處理的復雜特性,如時間滯后性、多變量、耦合、時變、非線性、不確定性和隨機擾動,為了消除選礦過程控制設置的障礙,對控制器的魯棒性、適應能力等提出了很高的要求。
本項目的技術開發(fā)工作涉及PLC、變頻系統(tǒng)、操作站、工程師站、傳感器儀表系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡以及相應的開發(fā)程序,設計復雜,程序開發(fā)量大,聯(lián)鎖條件多,控制要求嚴格,產(chǎn)品質量要求高。通過本項目的開發(fā),完成了以下技術方案:
    ⑴  采用模型預測控制思想,通過分析操作模式、產(chǎn)量、質量等動態(tài)因素的同時,達到磨礦過程優(yōu)化運行的目標,完成復雜的給水量實時控制－－改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能,并提高對水壓變化等干擾的抗擾動能力,流量閉環(huán)及時調節(jié)給水量,保證濃度穩(wěn)定。
    ⑵  針對磨選皮帶秤配料系統(tǒng)實際應用中遇到的多種如:用戶的給料裝置給出的物料,其粒度、濕度等指標很不穩(wěn)定,這些干擾使皮帶秤上通過的單位體積的物料密度不斷發(fā)生變化,造成瞬時流量發(fā)生較快變化等干擾問題,提出一種新的抗干擾的配料過程控制方案:前潰－反饋控制方案在線優(yōu)化控制回路,一方面利用前饋控制有效地減少干擾對被控參數(shù)---給料流量的動態(tài)影響,另一方面利用反饋控制使給料流量穩(wěn)定在設定值上,從而保證了系統(tǒng)較高的控制準確度。不但提高了系統(tǒng)配料準確度,使皮帶秤的動態(tài)配料過程更加理想,而且使系統(tǒng)能應用于更多的場合,滿足更高的工藝要求。
    ⑶  實現(xiàn)電流、壓力、濃度、粒度等數(shù)據(jù)的報警功能,實現(xiàn)序列間的邏輯順序控制、事故停車及事故報警處理等功能。對于泥漿泵、油隔離泵、大破碎機等參數(shù)都有實時趨勢和歷史趨勢顯示。監(jiān)控畫面還包括所有操作設備的狀態(tài)顯示,對于各設備均設有手、自動選擇操作和安全確認操作。另外,利用現(xiàn)場相應的儀表檢測元件,通過過程控制對產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝過程進行監(jiān)控,掌握生產(chǎn)過程的階段性數(shù)據(jù),并根據(jù)工藝要求隨時調整生產(chǎn)狀況,控制必要的生產(chǎn)環(huán)節(jié),使產(chǎn)品始終處于最佳狀況。
    3.4  選礦生產(chǎn)線控制技術
    3.4.1  多模型預測控制
磨礦過程是一個典型的變工況過程[2],系統(tǒng)中存在嚴重的擾動變量和時變參數(shù),如原礦特性的變化(礦石硬度、入磨礦粒度等)、磨機本身的損耗(襯板、球耗等),特別是礦石硬度的變化對產(chǎn)品粒度會產(chǎn)生很大影響。由于系統(tǒng)的操作條件變化時,系統(tǒng)的參數(shù)甚至結構將產(chǎn)生很大的變化,從而對磨礦產(chǎn)量和質量產(chǎn)生明顯不利影響。對于磨礦這類復雜過程,采用多模型預測控制有望取得良好的控制效果,達到較好的控制精度、跟蹤速度以及穩(wěn)定性。
針對磨礦控制系統(tǒng),我們摒棄了傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)無法適應選礦系統(tǒng)具有的時間滯后性、多變量、耦合、時變、非線性、不確定性和隨機擾動的特點,提出了多模型預測控制算法。采用該控制思想,實現(xiàn)單變量的向量模型,得出多變量的預測輸出。這樣可以充分考慮到影響磨機的多種因素的累加作用?？紤]到存在模型失配及干擾的問題,又進一步將實際輸出與相應預測值比較,構成閉環(huán)進行校正。最后以當前時刻為準,確定從該時刻起的多個控制增量,使過程在其作用下,使未來某個時刻的輸出預測值盡可能的接近期望值,得出整個選礦的輸入控制量－最優(yōu)給礦量與給、排水量配比,進一步穩(wěn)定其返砂量濃度與溢流濃度,得出優(yōu)質的溢流粒度,從而將整個磨選－分級系統(tǒng)進行有效的協(xié)調控制。實例表明,新的控制方法能使磨礦系統(tǒng)具有較好的控制品質,較強的魯棒性。
    3.4.2  磨選前饋－反饋控制方案實施
    采用針對磨選皮帶秤配料系統(tǒng)實際應用中遇到的多種干擾問題[3],應用過程控制理論中的前饋控制技術,提出一種新的抗干擾的配料過程控制方案,不但提高了系統(tǒng)配料準確度,使皮帶秤的動態(tài)配料過程更加理想,而且使系統(tǒng)能應用于更多的場合,滿足更高的工藝要求。
工藝過程中由于會出現(xiàn)不同的情況,如:用戶的給料裝置給出的物料,其粒度、濕度等指標很不穩(wěn)定,這些干擾使皮帶秤上通過的單位體積的物料密度不斷發(fā)生變化,造成瞬時流量發(fā)生較快變化;若簡單的反饋控制,整個閉環(huán)控制回路中包含有傳感器、皮帶秤儀表、PID調節(jié)器、變頻器、電機等多個裝置,當物料瞬時流量不斷變化時,各裝置存在一定的響應時間,變頻器和電機的加減速亦存在無法消除的上升和下降時間,使整個調節(jié)過程相對于測量量的變化呈現(xiàn)大滯后,調節(jié)不及時;而且PID調節(jié)器只有在輸入測量量和設定量之差后,才輸出調節(jié)指令,即輸入測量量和設定量之間必定存在一定的靜差,所以,這種調節(jié)作用總是落后于擾動。
    前饋控制與單回路反饋控制系統(tǒng)不同,它是按照干擾作用的大小來進行控制的,在這種系統(tǒng)中,當由于外部干擾引起給料流量發(fā)生變化時,調節(jié)器一檢測到測量量的變化,就發(fā)出調節(jié)信號使調節(jié)量做相應的變化,使調節(jié)輸出與干擾量相互抵消,保證物料流量穩(wěn)定,因此,前饋調節(jié)可以有效地克服干擾引起的流量變化。但單純的前饋控制是一種開環(huán)控制,將它與反饋控制系統(tǒng)結合組成的前饋-反饋復合控制系統(tǒng),可一方面利用前饋控制有效地減少干擾對被控參數(shù)---給料流量的動態(tài)影響,另一方面則利用反饋控制使給料流量穩(wěn)定在設定值上,從而保證了系統(tǒng)較高的控制準確度。
圖中,干擾作用到輸出被控量之間存在著兩個傳遞通道:一個是通過過程干擾通道直接去影響輸出量,另一個經(jīng)前饋控制器產(chǎn)生控制作用,再經(jīng)過程控制通道去影響輸出量。

4  結束語
    目前該自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢已經(jīng)得到比較充分的發(fā)揮,嚴重制約生產(chǎn)的因素得到改善,改造后的系統(tǒng),摒棄原先的不合理設計,減少不安全因素,使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠,采用自動化控制達到均衡生產(chǎn),使臺時處理量穩(wěn)定,消除溢礦、斷礦、停礦的現(xiàn)象且保護設備;它能提高選礦廠生產(chǎn)安全性、產(chǎn)品質量、產(chǎn)量、為提高選廠現(xiàn)代化科學和數(shù)字化管理發(fā)揮重要作用,獲得顯著的經(jīng)濟與社會效益。為企業(yè)管理提供了準確的數(shù)據(jù), 提高企業(yè)的管理水平。真正實現(xiàn)節(jié)能降耗, 挖掘設備潛力, 減少設備故障停機時間, 提高設備作業(yè)率, 降低崗位工人勞動強度, 提高勞動生產(chǎn)率。并在節(jié)能減排、環(huán)境保護等方面走在了同行的前列。該系統(tǒng)各項功能都達到并高于了設計要求。

青島藍方自控系統(tǒng)有限公司(http://m.6rl82.com)是一家專門從事礦山自動化設備研發(fā)、設計、加工及安裝的專業(yè)化公司。主營產(chǎn)品有：自動加球機,全自動加球機,球磨自動加球機，自動加藥機，全自動加藥機，數(shù)控加藥機，采礦破碎流程控制，浮選控制系統(tǒng)，磨礦自動控制系統(tǒng)，濃度計，排水自動控制系統(tǒng)，選礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)等自動化類產(chǎn)品。