1 引言
由于受基础条件、生产规模等客观条件的限制,有色金属选矿的自动化技术应用水平相对落后[1]。虽然有关科研、学术部门在此领域进行了长期而有效的工作,但其推广应用大都集中在一些新建的大型选矿厂,在中小选厂仅为个别作业环节采用。目前我国选矿自动化应用程度较高的厂矿有凤凰山铜矿、德兴铜矿大山选矿厂等。但迄今尚无实现全选矿厂综合自动控制的实例。总体来说,国内有色金属选矿过程控制技术的应用虽有一定进展,但与国外先进厂矿,以及国内相关的行业相比,发展速度较慢。
2 项目简介
我们通过对选矿工艺的分析研究和预测模型的深入剖析,设计并完成了一套全新的自动化控制系统。该工程采用德国SIEMENS公司的WINCC6.0、S7-400、S7-300控制系统,整合现有资源,实现对选矿1＃序列、2＃序列、浮选系统、输送系统和破碎系统5大区域的自动控制:完成了复杂的给水量实时控制――改善控制系统的动态性能,并提高对水压变化等干扰的抗扰动能力,保证磨矿浓度、粒度稳定。利用前馈－反馈控制方案控制球磨机给矿量,达到稳定给矿量的目的等。
3 系统功能
3.1 选矿生产线工艺概况
选矿设计的工艺流程为两段全闭路磨矿,其选矿工艺流程是:开采的矿石先经料仓由振动机均匀地卷进颚式破碎机进行粗碎,粗碎后的石料由皮带机送到锤碎机进行进一步破碎;细碎后的石料由皮带机卷进振动筛进行筛分,筛分出不同规格的石子,不满足粒度要求的石子被送至锤碎机进行再次破碎,形成闭路多次循环;满足粒度要求的石子经由提升机、振动给料机送入湿式预选机以提高入磨品位,进入球磨机后进一步对矿石进行粉碎、研磨。
经过球磨机研磨的矿石细料进入下一道工序:分级。螺旋分级机借助固体颗粒比重不同在液体中沉淀速度不同的原理,对矿石混合物进行洗净、分级,细矿粒浮游在水中溢流出,粗矿粒沉于槽底。
由分级机选出的矿物颗粒被送入三段磁选,细筛自循环(二个系列),矿物颗粒在磁选机的磁场中,借助磁力与机械力对矿粒的作用而实现分选,再经由搅拌、脱硫、过滤脱水流程而得到最终的精矿。
从磁选分出的尾矿经15m浓缩底流后送入浮选,搅拌矿浆与药物混合,细化泡沫,使矿物粘合泡沫之上,有用泡沫被刮板刮出而得到附属矿品。
3.2 选矿生产线控制系统配置
根据工艺特点和控制要求,我们设计了以下网络结构,如下图所示。
3.3 选矿生产线控制技术方案
选矿是一个综合了物理、化学的机理复杂的生产过程,精确的数学模型很难建立,同时,选矿还包含了过程控制中许多难以处理的复杂特性,如时间滞后性、多变量、耦合、时变、非线性、不确定性和随机扰动,为了消除选矿过程控制设置的障碍,对控制器的鲁棒性、适应能力等提出了很高的要求。
本项目的技术开发工作涉及PLC、变频系统、操作站、工程师站、传感器仪表系统、监控网络以及相应的开发程序,设计复杂,程序开发量大,联锁条件多,控制要求严格,产品质量要求高。通过本项目的开发,完成了以下技术方案:
⑴ 采用模型预测控制思想,通过分析操作模式、产量、质量等动态因素的同时,达到磨矿过程优化运行的目标,完成复杂的给水量实时控制－－改善控制系统的动态性能,并提高对水压变化等干扰的抗扰动能力,流量闭环及时调节给水量,保证浓度稳定。
⑵ 针对磨选皮带秤配料系统实际应用中遇到的多种如:用户的给料装置给出的物料,其粒度、湿度等指标很不稳定,这些干扰使皮带秤上通过的单位体积的物料密度不断发生变化,造成瞬时流量发生较快变化等干扰问题,提出一种新的抗干扰的配料过程控制方案:前溃－反馈控制方案在线优化控制回路,一方面利用前馈控制有效地减少干扰对被控参数－－-给料流量的动态影响,另一方面利用反馈控制使给料流量稳定在设定值上,从而保证了系统较高的控制准确度。不但提高了系统配料准确度,使皮带秤的动态配料过程更加理想,而且使系统能应用于更多的场合,满足更高的工艺要求。
⑶ 实现电流、压力、浓度、粒度等数据的报警功能,实现序列间的逻辑顺序控制、事故停车及事故报警处理等功能。对于泥浆泵、油隔离泵、大破碎机等参数都有实时趋势和历史趋势显示。监控画面还包括所有操作设备的状态显示,对于各设备均设有手、自动选择操作和安全确认操作。另外,利用现场相应的仪表检测元件,通过过程控制对产品生产的工艺过程进行监控,掌握生产过程的阶段性数据,并根据工艺要求随时调整生产状况,控制必要的生产环节,使产品始终处于最佳状况。
3.4 选矿生产线控制技术
3.4.1 多模型预测控制
磨矿过程是一个典型的变工况过程[2],系统中存在严重的扰动变量和时变参数,如原矿特性的变化(矿石硬度、入磨矿粒度等)、磨机本身的损耗(衬板、球耗等),特别是矿石硬度的变化对产品粒度会产生很大影响。由于系统的操作条件变化时,系统的参数甚至结构将产生很大的变化,从而对磨矿产量和质量产生明显不利影响。对于磨矿这类复杂过程,采用多模型预测控制有望取得良好的控制效果,达到较好的控制精度、跟踪速度以及稳定性。
针对磨矿控制系统,我们摒弃了传统PID控制系统无法适应选矿系统具有的时间滞后性、多变量、耦合、时变、非线性、不确定性和随机扰动的特点,提出了多模型预测控制算法。采用该控制思想,实现单变量的向量模型,得出多变量的预测输出。这样可以充分考虑到影响磨机的多种因素的累加作用。考虑到存在模型失配及干扰的问题,又进一步将实际输出与相应预测值比较,构成闭环进行校正。最后以当前时刻为准,确定从该时刻起的多个控制增量,使过程在其作用下,使未来某个时刻的输出预测值尽可能的接近期望值,得出整个选矿的输入控制量－最优给矿量与给、排水量配比,进一步稳定其返砂量浓度与溢流浓度,得出优质的溢流粒度,从而将整个磨选－分级系统进行有效的协调控制。实例表明,新的控制方法能使磨矿系统具有较好的控制品质,较强的鲁棒性。
3.4.2 磨选前馈－反馈控制方案实施
采用针对磨选皮带秤配料系统实际应用中遇到的多种干扰问题[3],应用过程控制理论中的前馈控制技术,提出一种新的抗干扰的配料过程控制方案,不但提高了系统配料准确度,使皮带秤的动态配料过程更加理想,而且使系统能应用于更多的场合,满足更高的工艺要求。
工艺过程中由于会出现不同的情况,如:用户的给料装置给出的物料,其粒度、湿度等指标很不稳定,这些干扰使皮带秤上通过的单位体积的物料密度不断发生变化,造成瞬时流量发生较快变化;若简单的反馈控制,整个闭环控制回路中包含有传感器、皮带秤仪表、PID调节器、变频器、电机等多个装置,当物料瞬时流量不断变化时,各装置存在一定的响应时间,变频器和电机的加减速亦存在无法消除的上升和下降时间,使整个调节过程相对于测量量的变化呈现大滞后,调节不及时;而且PID调节器只有在输入测量量和设定量之差后,才输出调节指令,即输入测量量和设定量之间必定存在一定的静差,所以,这种调节作用总是落后于扰动。
前馈控制与单回路反馈控制系统不同,它是按照干扰作用的大小来进行控制的,在这种系统中,当由于外部干扰引起给料流量发生变化时,调节器一检测到测量量的变化,就发出调节信号使调节量做相应的变化,使调节输出与干扰量相互抵消,保证物料流量稳定,因此,前馈调节可以有效地克服干扰引起的流量变化。但单纯的前馈控制是一种开环控制,将它与反馈控制系统结合组成的前馈-反馈复合控制系统,可一方面利用前馈控制有效地减少干扰对被控参数－－-给料流量的动态影响,另一方面则利用反馈控制使给料流量稳定在设定值上,从而保证了系统较高的控制准确度。
图中,干扰作用到输出被控量之间存在着两个传递通道:一个是通过过程干扰通道直接去影响输出量,另一个经前馈控制器产生控制作用,再经过程控制通道去影响输出量。
4 结束语
目前该自动化生产线控制系统的优势已经得到比较充分的发挥,严重制约生产的因素得到改善,改造后的系统,摒弃原先的不合理设计,减少不安全因素,使整个系统更加稳定可靠,采用自动化控制达到均衡生产,使台时处理量稳定,消除溢矿、断矿、停矿的现象且保护设备;它能提高选矿厂生产安全性、产品质量、产量、为提高选厂现代化科学和数字化管理发挥重要作用,获得显著的经济与社会效益。为企业管理提供了准确的数据, 提高企业的管理水平。真正实现节能降耗, 挖掘设备潜力, 减少设备故障停机时间, 提高设备作业率, 降低岗位工人劳动强度, 提高劳动生产率。并在节能减排、环境保护等方面走在了同行的前列。该系统各项功能都达到并高于了设计要求。
参考文献:
[1] 聂光华,林和荣.选矿厂过程控制的现状及发展前景[J].矿产综合利用,2007,10(5):29.
[2] 董飞等.一种实用的磨矿多模型预测控制策略研究[J].工业控制计算机,2008,21(2):16.
[3] 申颖.一种新型高性能皮带秤配料系统[C].称重科技暨第五届称重技术研讨会论文集,2005.
作者简介:颜炳正(1980-),男,工程师,主要从事自动化控制方面工作。