張 雄 關(guān)長(zhǎng)亮 姜新濤 楊 馳 馮賀林

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

基于某礦山磨礦過(guò)程專家系統(tǒng)的應(yīng)用

張 雄 關(guān)長(zhǎng)亮 姜新濤 楊 馳 馮賀林

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

某礦山選礦廠為實(shí)現(xiàn)磨礦過(guò)程的全自動(dòng)化并為現(xiàn)場(chǎng)提供智能解決方案，采用了專家系統(tǒng)控制技術(shù)。該專家系統(tǒng)界面由C#編寫(xiě)，內(nèi)核算法主要由matlab實(shí)現(xiàn)，并交互數(shù)據(jù)庫(kù)、OPC通訊、模糊控制等技術(shù)混合開(kāi)發(fā)；具有運(yùn)行控制、變量管理、軟測(cè)量、規(guī)則庫(kù)管理、學(xué)習(xí)庫(kù)、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)日志等功能；專家系統(tǒng)運(yùn)行界面可實(shí)時(shí)給出調(diào)度人員現(xiàn)場(chǎng)各控制對(duì)象的控制方案，用戶可實(shí)時(shí)查看優(yōu)化系統(tǒng)中所有被控量的當(dāng)前值和建議值，以及相關(guān)過(guò)程狀態(tài)的當(dāng)前值，同時(shí)可查看各過(guò)程狀態(tài)變量過(guò)去一段時(shí)間的歷史曲線，以及各個(gè)被控對(duì)象控制效果的歷史曲線。該專家系統(tǒng)的應(yīng)用有效提高了選廠磨礦的自動(dòng)化控制水平，達(dá)到了提高生產(chǎn)率、降低能耗、減少生產(chǎn)故障的目的。

磨礦過(guò)程 專家系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù) 模糊控制 OPC通訊

磨礦自動(dòng)化技術(shù)隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展而不斷進(jìn)步。磨礦自動(dòng)化初期控制方式主要以人工操作為主，自動(dòng)檢測(cè)儀表為輔。到20世紀(jì)60年代中期，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字PID的發(fā)展，磨礦過(guò)程進(jìn)入了數(shù)字控制時(shí)代，初步實(shí)現(xiàn)了給礦量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。到了70年代中后期，隨著DCS技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的發(fā)展，磨礦自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入大規(guī)模集散控制時(shí)代，80年代以后，磨礦自動(dòng)化技術(shù)主要向智能化控制發(fā)展[1]。

在磨礦過(guò)程控制系統(tǒng)的研究中，南非、澳大利亞、加拿大等國(guó)家一直處于領(lǐng)先地位。國(guó)外的磨礦自動(dòng)化研究現(xiàn)狀是通過(guò)把計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高水平的磨礦過(guò)程智能優(yōu)化控制。而我國(guó)在磨礦自動(dòng)控制領(lǐng)域起步較晚，70年代中后期才正式開(kāi)始選礦自動(dòng)控制的研究工作。雖然目前我國(guó)的磨礦技術(shù)比70年代中后期有了飛躍的發(fā)展，但國(guó)內(nèi)磨礦自動(dòng)化技術(shù)基本都是基于簡(jiǎn)單數(shù)字控制或單變量 PID控制，并沒(méi)有在綜合智能控制的方向上取得較大的突破。某些選礦廠引進(jìn)的國(guó)外磨礦控制系統(tǒng)又過(guò)分依賴于先進(jìn)機(jī)械設(shè)備，因此不能很好的與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀相融合。少數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的企業(yè)也只能保證整個(gè)磨礦機(jī)組的穩(wěn)定性控制，難以實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化控制[2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技、技術(shù)水平等的飛速發(fā)展，我國(guó)諸多礦山企業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理水平的要求已不再局限于現(xiàn)狀，節(jié)約資源、降低成本、提高生產(chǎn)率、提高金屬回收率等都成為日常管理必不可少的重要課題[3]。現(xiàn)有的自動(dòng)化水平已經(jīng)滯后于我國(guó)礦山行業(yè)的發(fā)展要求，因此對(duì)選礦自動(dòng)化采用專家系統(tǒng)控制技術(shù)已經(jīng)勢(shì)在必行。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

某礦山選礦廠磨礦過(guò)程為半自磨+球磨+破碎工藝(以下簡(jiǎn)稱SABC流程)，先由采礦車將礦石運(yùn)輸?shù)叫仄扑闄C(jī)進(jìn)行破碎，破碎產(chǎn)品經(jīng)運(yùn)輸皮帶運(yùn)到儲(chǔ)礦堆進(jìn)行堆積。然后原礦從儲(chǔ)礦堆經(jīng)過(guò)3#皮帶機(jī)進(jìn)入半自磨機(jī)，半自磨機(jī)排礦進(jìn)入直線篩，篩上產(chǎn)品經(jīng)過(guò)4#皮帶機(jī)、5#皮帶機(jī)進(jìn)入頑石緩沖倉(cāng)，經(jīng)過(guò)頑石緩沖倉(cāng)下的給料機(jī)送入6#-1和6#-2皮帶機(jī)，經(jīng)由皮帶進(jìn)入圓錐破碎機(jī)，圓錐破碎機(jī)排料進(jìn)入半自磨機(jī)給料皮帶。最后直線篩篩下產(chǎn)品進(jìn)入砂泵池，由變頻砂泵打入到水力旋流器組進(jìn)行分級(jí)，沉砂部分進(jìn)入到球磨機(jī)，球磨機(jī)排礦返回到旋流器給礦砂泵池，旋流器溢流產(chǎn)品進(jìn)入到浮選。其SABC工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 磨礦工藝流程

2 專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的及控制目標(biāo)

該專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為：與自動(dòng)化操作條件下相比，提高磨機(jī)處理臺(tái)時(shí)5～12個(gè)百分點(diǎn)；在保證溢流粒度合格的前提下，提高旋流器溢流粒度的穩(wěn)定性。

該專家系統(tǒng)的控制目標(biāo)為：磨礦粒度-0.074 mm粒級(jí)含量占60%～65%；旋流器溢流濃度為40%～50%；在旋流器溢流濃度與磨礦粒度滿足要求的條件下，使磨機(jī)的處理能力最大化，同時(shí)由于下游浮選流程的限制，對(duì)磨機(jī)的最大處理能力進(jìn)行限制；在保證溢流粒度合格的前提下，提高旋流器溢流粒度的穩(wěn)定性，保持在5%以上。

3 專家系統(tǒng)引入的優(yōu)勢(shì)

磨礦智能化平臺(tái)及專家優(yōu)化系統(tǒng)是大數(shù)據(jù)結(jié)合專家思想[4]，通過(guò)先進(jìn)的算法(模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù))來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的智能平臺(tái)[5-6]。在流程優(yōu)化控制的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)以下功能：保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性；增加處理量，提高回收率和產(chǎn)品質(zhì)量；減少生產(chǎn)成本和能源消耗；減少操作工能力水平對(duì)工藝流程的影響。

4 專家系統(tǒng)及其在選礦過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)

4.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能研究的主要領(lǐng)域，專家系統(tǒng)的力量來(lái)自于它強(qiáng)大又豐富的知識(shí)庫(kù)和處理知識(shí)的推理機(jī)制。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠以某一領(lǐng)域?qū)＜业乃浇鉀Q該領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題[7-8]。

磨礦智能優(yōu)化平臺(tái)(專家系統(tǒng))是以流程為主的系統(tǒng)控制優(yōu)化平臺(tái)，在保證系統(tǒng)連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，提高選礦廠產(chǎn)品的回收率、粒度合格率、降低能源消耗等指標(biāo)[9]。優(yōu)化平臺(tái)的核心控制理念是模糊控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的特點(diǎn)和要求，結(jié)合專家的控制經(jīng)驗(yàn)，共同制定模糊推理機(jī)制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵變量和指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的目的[10]。專家系統(tǒng)功能見(jiàn)圖2。

圖2 專家系統(tǒng)功能

4.2 優(yōu)化控制平臺(tái)

優(yōu)化控制平臺(tái)的主要功能有：規(guī)則庫(kù)的啟動(dòng)、停止控制；規(guī)則庫(kù)信息交互、控制效果查看；計(jì)算結(jié)果的傳送與顯示。其控制內(nèi)容為：磨機(jī)給礦量?jī)?yōu)化控制，磨機(jī)磨礦濃度優(yōu)化控制，旋流器溢流粒度控制。優(yōu)化控制平臺(tái)的界面見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化控制平臺(tái)界面

4.3 變量管理

變量管理環(huán)節(jié)作為專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源的重要組成部分，主要采用C#與OPC通訊以及C#與數(shù)據(jù)庫(kù)交互等技術(shù)，可對(duì)數(shù)據(jù)采集與保存，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)添加、刪除、修改、自定義變量的設(shè)置、數(shù)據(jù)變量的上下限設(shè)置、數(shù)據(jù)變量歸檔與采集頻率設(shè)置、數(shù)據(jù)變量濾波除噪方法等功能。變量管理界面見(jiàn)圖4。

4.4 軟測(cè)量

軟測(cè)量的基本思想是把自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)過(guò)程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)難以測(cè)量或暫時(shí)無(wú)法測(cè)量的重要變量，選擇其他一些可測(cè)量變量，通過(guò)構(gòu)造某種數(shù)學(xué)模型，從而來(lái)推斷或估計(jì)該變量，以軟件來(lái)代替硬件的功能。該部分通過(guò)軟測(cè)量模型建立、修改、刪除、軟測(cè)量模型輸入、輸出變量配置、軟測(cè)量模型參數(shù)與權(quán)重配置、軟測(cè)量模型效果展示(曲線圖與數(shù)據(jù)表格共同顯示)，完成軟測(cè)量任務(wù)，軟測(cè)量訓(xùn)練方法主要提供ESN(回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò))、SVM(支持向量機(jī))、SCM(樣本特征匹配)3種方法。軟測(cè)量界面見(jiàn)圖5。

4.5 規(guī)則庫(kù)管理

規(guī)則庫(kù)主要用于存取和管理所獲取的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，供推理系統(tǒng)利用，關(guān)鍵因素在于：一是識(shí)別領(lǐng)域規(guī)則的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，尋找合適的規(guī)則表示方法；二是確定適當(dāng)?shù)囊?guī)則庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；三是抽取領(lǐng)域規(guī)則轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的代碼；四是調(diào)試精練規(guī)則庫(kù)。從而實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則新建、編輯、刪除、輸入輸出、自定義變量的配置、變量模糊化(隸屬度函數(shù)選擇、參數(shù)配置)、模糊規(guī)則編輯、模糊規(guī)則調(diào)試與模擬輸出、模糊規(guī)則自學(xué)習(xí)添加、調(diào)試過(guò)程與模擬輸出結(jié)果圖形展示等功能。規(guī)則庫(kù)界面見(jiàn)圖6。

圖4 變量管理界面

圖5 軟測(cè)量臺(tái)界面

4.6 學(xué)習(xí)庫(kù)

學(xué)習(xí)庫(kù)對(duì)規(guī)則的實(shí)時(shí)修正，以及磨礦的一些參數(shù)自學(xué)習(xí)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磨礦過(guò)程的一些狀態(tài)以及故障的預(yù)估有很重要的意義，具體主要有模糊規(guī)則學(xué)習(xí)和軟測(cè)量模型訓(xùn)練兩個(gè)功能。學(xué)習(xí)庫(kù)界面見(jiàn)圖7。

4.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是指用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)收集來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取有用信息和形成結(jié)論而對(duì)數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)的過(guò)程，這一過(guò)程也是質(zhì)量管理體系的支持過(guò)程。在實(shí)用中，數(shù)據(jù)分析可幫助人們作出判斷，以便采取適當(dāng)行動(dòng)。該部分主要可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)等。數(shù)據(jù)分析界面見(jiàn)圖8。

圖6 規(guī)則庫(kù)管理界面

圖7 學(xué)習(xí)庫(kù)界面

5 專家控制系統(tǒng)接口

專家系統(tǒng)通過(guò)與DCS系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)選礦工藝流程的自動(dòng)化控制。磨礦專家系統(tǒng)通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)與DCS系統(tǒng)的通信。

(1)DCS系統(tǒng)預(yù)留有以太網(wǎng)接口，以供與專家控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。專家控制系統(tǒng)通過(guò)OPC通信方式實(shí)現(xiàn)與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交互。

(2)專家控制系統(tǒng)自動(dòng)讀取DCS的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出優(yōu)化設(shè)定值。專家控制系統(tǒng)將優(yōu)化設(shè)定值發(fā)送到組態(tài)軟件的指定界面上進(jìn)行顯示，并由操作員確認(rèn)后(點(diǎn)擊組態(tài)上的優(yōu)化參數(shù)確認(rèn)按鈕)傳輸給DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)將優(yōu)化設(shè)定值輸入到相關(guān)的設(shè)定值，并執(zhí)行該設(shè)定值。當(dāng)操作員不確認(rèn)的話，專家控制系統(tǒng)只顯示，不控制。

圖8 數(shù)據(jù)分析界面

(3)專家控制系統(tǒng)自動(dòng)讀取DCS的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)當(dāng)前操作指令進(jìn)行分析，給出指令對(duì)磨礦流程的影響預(yù)測(cè)值，用于分析指令對(duì)磨礦流程的影響(正面的或者負(fù)面的)，并對(duì)操作員的操作方法正確與否進(jìn)行評(píng)估。

6 結(jié) 語(yǔ)

某礦山選礦廠針對(duì)磨礦過(guò)程的特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)了磨礦全流程專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)集優(yōu)化控制平臺(tái)、變量管理、知識(shí)庫(kù)、學(xué)習(xí)庫(kù)、軟測(cè)量、數(shù)據(jù)分析為一體。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，該專家系統(tǒng)有效提高了選礦廠的磨礦自動(dòng)化控制水平，為其他同類礦山的自動(dòng)化改造提供了參考借鑒。

[1] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[2] 王豐雨.磨礦分級(jí)作業(yè)混合控制系統(tǒng)研究[D].貴州：貴州大學(xué)，2007.

[3] 王澤紅，陳炳辰.球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2001，18(4):22-24.

[4] Dayong Zhang，Tianyou CHai. Intelligent optimal control system for ball mill grinding process[J].Control Theory and Application，2013(3)：454-462.

[5] 傅京孫，蔡自興，徐光枯．人工智能及其應(yīng)用[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6] 邢傳鼎，楊家明，任慶生．人工智能原理及應(yīng)用[M].1版.上海：東華大學(xué)出版社，2005.

[7] 黃之初，黎水平.磨機(jī)負(fù)荷專家模糊控制原理及實(shí)現(xiàn)方法[J].礦冶工程，1996(16)：22-25.

[8] Dubois D，Hullermeier E，Prade H. Fuzzy Set-based Methods in Instance-based Reasoning[J].IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2002，10(3)：322-332.

[9] 沙亞紅，常太華.球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)方法綜述[J].現(xiàn)代電力，2006，15(2):234-236.

[10] Kolaez J. Measurement system of the mill charge in grinding ball mill circuits[J].Minerals Engineering，1997，10(12):1329-1338.

2015-03-10)

張 雄(1976—)，男，首席設(shè)計(jì)師，118002 遼寧省丹東市濱江中路136號(hào)。