李少華 趙立志 王世新 熊向前

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

工藝在線檢測儀表與自動(dòng)控制系統(tǒng)在司家營鐵礦的應(yīng)用

李少華 趙立志 王世新 熊向前

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

針對目前國內(nèi)球磨機(jī)1段給礦參與自動(dòng)控制，磨機(jī)往往要隨礦石性質(zhì)變化而改變給礦量，不能很好提高磨機(jī)效率，單純通過自動(dòng)化控制又難以實(shí)現(xiàn)的問題，通過選用在線粒度分析儀與磨音檢測采用模糊控制理論結(jié)合PID控制方案建立了自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明：該方案可有效提高磨機(jī)的工作效率及處理量，達(dá)到了穩(wěn)定磨礦濃度等磨礦指標(biāo)、提高自動(dòng)控制程度的目的。

在線粒度分析儀 磨音 濃度 模糊控制 自動(dòng)控制系統(tǒng)

國內(nèi)外許多單位對磨礦分級過程自動(dòng)控制進(jìn)行了研究，大多采用數(shù)字PID控制方案，其對于給礦流量的控制、磨礦濃度的控制、溢流濃度的控制和泵池液位的控制都有不錯(cuò)的效果。而磨礦分級過程具有隨機(jī)干擾因素多、過程機(jī)理復(fù)雜、非線性、大滯后、各環(huán)節(jié)變量相互耦合作用大等特點(diǎn)，因而僅用以上方案實(shí)現(xiàn)控制目的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此，河北鋼鐵司家營鐵礦一期五系列自動(dòng)化控制項(xiàng)目以1段球磨機(jī)與分級機(jī)閉環(huán)工藝控制為研究對象，通過對現(xiàn)場的工藝點(diǎn)評估取樣，并與現(xiàn)場工藝人員討論研究，最終決定采用DF-PSM超聲波在線粒度儀檢測溢流粒度、濃度，采用DF-MSSA智能磨音頻譜分析儀檢測球磨機(jī)工作狀態(tài)，結(jié)合模糊控制理論來實(shí)現(xiàn)對磨礦的控制。

1 控制系統(tǒng)配置及功能要求

1.1 控制系統(tǒng)的硬件選擇

為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)采用了大容量、穩(wěn)定性較強(qiáng)的西門子CPU417-H高性能處理器作為控制器，采用了現(xiàn)場應(yīng)用穩(wěn)定、測量精度較高的DF-PSM超聲波在線粒度儀、DF-6420超聲波礦漿濃度計(jì)和DF-MSSA智能磨音頻譜分析儀等在線檢測儀表。

DF-PSM是一種連續(xù)礦漿流在線粒度監(jiān)測系統(tǒng)，它基于超聲衰減原理測量礦漿的粒度和濃度，這項(xiàng)測量技術(shù)在國外研究40多a，超聲粒度儀已被礦物處理工業(yè)廣泛接受。河北鋼鐵集團(tuán)引進(jìn)的 DF-PSM超聲波在線粒度儀為丹東東方測控技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠快速、精確的測量大量礦漿，具有杰出的精確度和可靠性。DF-PSM超聲波在線粒度儀在河北鋼鐵集團(tuán)司家營鐵礦選礦廠自投入自動(dòng)化控制以來，起到了不可替代的作用。超聲波粒度儀的實(shí)時(shí)在線檢測，使球磨工或自控系統(tǒng)可在確保產(chǎn)品粒度滿足工藝要求的前提下，根據(jù)礦石性質(zhì)可適時(shí)調(diào)整給礦量或給水量等控制參數(shù)，保證磨機(jī)永遠(yuǎn)實(shí)時(shí)處于高水平負(fù)荷狀態(tài)，使磨機(jī)處理量保持較高或最大。

1.2 控制系統(tǒng)的軟件選擇

編程軟件采用了PCS7編程軟件，可實(shí)現(xiàn)程序的在線監(jiān)視、修改，并集成組態(tài)軟件WINCC 6.2將組態(tài)監(jiān)控畫面在上位計(jì)算機(jī)顯示現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況以及部分實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)多以動(dòng)態(tài)方式直觀的顯示出來，數(shù)據(jù)檢測則以相對應(yīng)的數(shù)字或棒圖直觀顯示。在組態(tài)控制畫面中，不僅可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示，而且可進(jìn)行參數(shù)的修改，工藝參數(shù)的調(diào)整，顯示部分為現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測。具有操作權(quán)限的操作員可對其進(jìn)行操作，以此指導(dǎo)生產(chǎn)。

1.3 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

為防止控制系統(tǒng)癱瘓，實(shí)現(xiàn)控制器的無擾切換，該控制系統(tǒng)采用了冗余型網(wǎng)絡(luò)。西門子S7-400系列PLC(CPU417-H)作為主控制器(主站點(diǎn))，主站點(diǎn)之間通過光纖進(jìn)行信息交互。選擇ET200M模塊作為遠(yuǎn)程I/O(從站點(diǎn))，它與主站點(diǎn)訪問通過PROFIBUS現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，CPU與上位機(jī)采用傳輸速率更快更可靠的工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)成了三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制層。另外， 根據(jù)車間的實(shí)際情況，可在多個(gè)球磨機(jī)組之間設(shè)置多個(gè)遠(yuǎn)程I/0從站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與主站上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。

1.4 控制系統(tǒng)的功能要求

針對球磨機(jī)的研磨過程隨機(jī)干擾因素多，過程機(jī)理復(fù)雜，存在較大的慣性和滯后性，將自動(dòng)控制理論引入到球磨機(jī)控制系統(tǒng)中，具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠有效地克服球磨機(jī)主電機(jī)功率的非線性、時(shí)變等因素的干擾。該控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，能較好地實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)恒功率自動(dòng)控制，最大限度地提高設(shè)備的生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。

2 控制系統(tǒng)的檢測內(nèi)容

為使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確，對以下變量進(jìn)行了檢測、采集。檢測內(nèi)容包括：球磨給礦量檢測，DF-MSSA對磨機(jī)聲音的檢測，磨機(jī)功率檢測，球磨返砂水流量檢測，球磨排礦水流量檢測，分級機(jī)電流檢測，DF-PSM對溢流濃度檢測，DF-PSM對溢流粒度檢測，磁選機(jī)尾礦流量檢測，磁選機(jī)尾礦濃度檢測及干礦量計(jì)算，振動(dòng)篩給礦皮帶瞬時(shí)礦量檢測。司家營選礦廠五系列1段磨礦工藝流程見圖1。

圖1 河北鋼鐵司家營選礦廠五系列1段磨礦工藝流程

3 控制系統(tǒng)的控制功能劃分

控制系統(tǒng)的控制功能包括：球磨給礦控制、返砂水控制、給礦水控制、加球機(jī)自動(dòng)控制、漲肚判斷和礦石性質(zhì)判斷。

3.1 球磨給礦控制

3.1.1 計(jì)算入磨總量

3.1.2 控制算法[1]

(1)主要根據(jù)檢測參數(shù)磨機(jī)功率、磨音、分級機(jī)電流、分級機(jī)溢流粒度基于模糊運(yùn)算原理完成控制給礦自動(dòng)控制框圖見圖2。

圖2 自動(dòng)控制框圖

(2)解模糊判決[2]。模糊控制器的輸出為模糊量，它包含了控制量的各種信息，需要把這些模糊量轉(zhuǎn)變成被控對象能夠接受的精確的控制量。為充分利用控制器輸出模糊集的所有信息，可采用加權(quán)平均判決方法，其中的加權(quán)系數(shù)選擇隸屬函數(shù)，則判決結(jié)果表示為：

式中，μu(zi)為經(jīng)由模糊推理得到的每條控制規(guī)則控制量的隸屬度。zi的計(jì)算可由輸出量的隸屬函數(shù)得到，其輸出量的隸屬函數(shù)圖形見圖3。

圖3 輸出量的隸屬函數(shù)圖形

3.2 磨機(jī)排礦水及返砂水的控制

(1)估算水量。首先根據(jù)公式D濃度=L總礦/L總水+L總礦估算出總水量，返砂水量=總水量-磁選機(jī)精礦含水量，磁選機(jī)精礦含水量=磁選機(jī)給水量-磁選機(jī)尾礦水量(原礦水分忽略不計(jì))，這樣可計(jì)算出返砂水量并可根據(jù)入磨量的變化而變化，就可穩(wěn)定磨礦濃度，提高磨礦效率，從而達(dá)到優(yōu)化控制的目的。

(2)水量控制。主要根據(jù)檢測參數(shù)磨音、分級機(jī)電流、分級機(jī)溢流粒度、磨礦濃度、瞬時(shí)礦量進(jìn)行控制(見圖2)?？刂品椒ㄔ瓌t為：①根據(jù)分級機(jī)溢流粒度、分級機(jī)電流進(jìn)行模糊運(yùn)算調(diào)整排礦水，在保證溢流粒度的前提下，如果排礦水調(diào)整到極限值，開始自動(dòng)調(diào)整返砂水，改變磨礦濃度；②根據(jù)磨礦濃度、瞬時(shí)礦量、分級機(jī)溢流濃度變化量做為控制系數(shù)，來調(diào)整給排水控制閥門。

3.3 礦石性質(zhì)判斷

當(dāng)瞬時(shí)礦量不變，水量不變，在一定時(shí)間內(nèi)磨音值下降，溢流粒度變粗視為礦石性質(zhì)為難磨，反之礦石性質(zhì)為好磨。當(dāng)判斷出礦石性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整給礦設(shè)定值，改變給礦控制模型，以達(dá)到優(yōu)化給礦的控制目的(見圖2)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在司家營一期，粒度儀實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，磨機(jī)處理量提高了7個(gè)百分點(diǎn)。按照1 a多產(chǎn)鐵品位為65.3%的鐵精礦35 481.6 t計(jì)算，年可新增效益860.61萬元，其投資回收期為0.31 a，利潤率為321.12%。試驗(yàn)室篩分粒度與超聲波粒度儀實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)對照結(jié)果見表1。

5 結(jié) 語

(1)通過在線粒度分析儀在河北鋼鐵1段磨礦中的應(yīng)用，證明1段磨礦作業(yè)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。其一，根據(jù)分級機(jī)的溢流粒度與排礦水和磨礦濃度的相關(guān)性，排礦水增大分級機(jī)溢流粒度變細(xì)，磨礦濃度越大溢流粒度越細(xì)，從而得到一種控制理論，根據(jù)分級機(jī)溢流粒度變化，控制排礦水和磨礦濃度。其二，磨機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)與磨音頻譜信號和磨礦濃度的相關(guān)性，音頻信號大，磨礦濃度小，說明磨機(jī)負(fù)荷低，由此可以根據(jù)磨機(jī)音頻信號和磨礦濃度變化來判斷磨機(jī)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給礦。

(2)以往有專家提出自動(dòng)化在礦山的應(yīng)用中要提高臺時(shí)處理量，但基本都沒有實(shí)現(xiàn)，而此項(xiàng)目已在河北鋼鐵集團(tuán)司家營鐵礦選礦廠得到了成功應(yīng)用。與以往控制相比不同的是，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)粒度檢測，可以根據(jù)最終的合格指標(biāo)有效地控制球磨機(jī)的入磨礦量，同時(shí)提高處理量、磨礦效率和作業(yè)指標(biāo)，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 試驗(yàn)室篩分粒度與超聲波粒度儀實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)對照結(jié)果

(3)目前，該研究的不足之處在于沒有磨礦濃度的直接檢測，這也是所有選礦行業(yè)面臨的問題，仍需進(jìn)一步研究解決。

[1] 董燧珍.FUZZY+PID自動(dòng)控制技術(shù)在磨礦分級回路的應(yīng)用[J].中國礦山工程，2006(1)：15-20.

[2] 周克良，張建榮.模糊-PID 串級控制在磨機(jī)給礦量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2008(1)：162-170.

2015-02-16)

李少華(1981—)，男，工程師，118000 遼寧省丹東市沿江開發(fā)區(qū)濱江中路136號。