連曉圓 冉紅想 楊文旺 李國平

(1.北京礦冶研究總院；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司)

電磁精選機(jī)智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)研究

連曉圓1,2冉紅想1,2楊文旺1,2李國平1,2

(1.北京礦冶研究總院；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司)

針對傳統(tǒng)電磁精選機(jī)控制技術(shù)落后、自動(dòng)化程度低、抗干擾能力差、故障率高等問題，設(shè)計(jì)了一種電磁精選機(jī)智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)。采用專家式智能自整定PID控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID算法，設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)，包括底閥控制器與磁場及沖洗水閥控制，實(shí)現(xiàn)了底閥開度、上升水流、磁場強(qiáng)度的自動(dòng)控制，穩(wěn)定了精礦濃度，提高了分選指標(biāo)；設(shè)計(jì)了故障預(yù)測系統(tǒng)及開關(guān)機(jī)程序，可成功預(yù)測并解決底閥堵塞問題，減小維護(hù)工作量。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備很強(qiáng)的抗干擾能力，大幅度地提高了電磁精選機(jī)的無故障作業(yè)率，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

專家系統(tǒng) 智能自整定PID控制 故障預(yù)測 電磁精選機(jī)

自動(dòng)電磁精選磁選機(jī)(電磁精選機(jī))是一種新型高效的弱磁場磁重選礦設(shè)備，以磁場力選別為主、重力為輔。通過對鐵礦漿進(jìn)行反復(fù)多次的磁聚合-分散-磁聚合，并在旋轉(zhuǎn)上升水流作用的配合下，使磁鐵礦顆粒受到磁場力和流體力的聯(lián)合作用，有效破壞磁團(tuán)聚，分離出中、貧連生體及單體脈石，提高精礦品位，降低雜質(zhì)含量[1-2]。磁場強(qiáng)度和上升水流對分選效果具有至關(guān)重要的影響，而電磁精選機(jī)現(xiàn)有控制裝置技術(shù)相對落后，磁場強(qiáng)度和上升水流需現(xiàn)場工人根據(jù)實(shí)際分選情況和經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整，通過調(diào)節(jié)底閥開度來控制精礦濃度，自動(dòng)化程度低。電磁精選機(jī)分選過程屬于大滯后的時(shí)變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)單一變量調(diào)節(jié)具有精度低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)[3]?，F(xiàn)場使用過程中，電磁精選機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)底閥堵死、跑黑等情況，設(shè)備抗干擾能力差，無故障作業(yè)率低。

為有效解決以上問題，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種電磁精選機(jī)智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)磁場強(qiáng)度、上升水流、精礦濃度、尾礦濃度的全自動(dòng)控制。通過采用專家式智能PID控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID算法，建立智能控制系統(tǒng)和故障預(yù)測專家系統(tǒng)，提高了工廠自動(dòng)化程度和設(shè)備可靠性，同時(shí)又改善了分選效果，節(jié)省了維護(hù)成本。

1 電磁精選機(jī)分選原理

北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制的BKZ型電磁精選機(jī)主要由給料裝置、分選筒、勵(lì)磁線圈、沖洗水管、控制系統(tǒng)、精礦排礦管及閥門、尾礦溢流槽等部分組成[4]。BKZ型電磁精選機(jī)自上而下布置多個(gè)勵(lì)磁線圈，通過直流勵(lì)磁控制，在柱體內(nèi)部分選腔內(nèi)形成循環(huán)往復(fù)、時(shí)有時(shí)無、順序下移的磁場力。該狀態(tài)下的磁鏈?zhǔn)艿接上露系男D(zhuǎn)上升水流動(dòng)力的強(qiáng)烈沖洗作用，磁性顆粒在磁場力、上升水流沖力和重力的共同作用下，形成精礦從下部閥門排出。當(dāng)單體脈石和連生體受上升水流沖力大于重力時(shí)，從上部溢流槽排出，形成尾礦。多組勵(lì)磁線圈使礦漿在柱體內(nèi)經(jīng)過多次精選，每次精選精礦品位都會(huì)得到進(jìn)一步提高。多次精選后最終可獲得高品位的鐵精礦。

磁場強(qiáng)度、磁場變化時(shí)序、上升水流、精礦濃度、尾礦濃度是影響電磁精選機(jī)分選指標(biāo)的重要因素。

2 電磁精選機(jī)智能控制系統(tǒng)

2.1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁精選機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電磁精選機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

電磁精選機(jī)柱體底部及頂端各安裝一個(gè)壓力傳感器，利用其采集的壓力值計(jì)算精礦濃度值和尾礦濃度值。底部排礦管安裝電動(dòng)閥門，自動(dòng)控制排礦口開度大小。上升水管路安裝電動(dòng)閥門，自動(dòng)控制上升水流量。磁場控制單元控制勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度和變化時(shí)序。智能控制系統(tǒng)采用PLC作為控制核心部件，采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，操作方便。

2.2 智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

穩(wěn)定電磁精選機(jī)柱體內(nèi)的礦漿濃度是獲得良好分選指標(biāo)的前提。礦漿濃度由底閥開度、上升水流速度和給礦條件共同決定，各參數(shù)之間相互影響，協(xié)同作用。

2.2.1 底閥控制器設(shè)計(jì)

電磁精選機(jī)的底閥開度直接影響精礦濃度，同時(shí)也影響上升水流速度和柱體底部精礦層界面的高低。底閥開度偏大，精礦排出過快，上升水流速度減小，水流對中、貧連生體及單體脈石的帶出作用下降，降低精礦品位[5]；底閥開度偏小，會(huì)造成柱體下部精礦不能及時(shí)排出，使得精礦層界面升高，溢流濃度增加，造成“跑黑”，精礦大量流失。長時(shí)間底閥開度過小，還有可能造成底閥堵塞。因此，底閥控制器的精度對分選效果及流程穩(wěn)定有直接影響。

目前同類電磁精選機(jī)的控制算法多為簡單線性控制或常規(guī)PID控制，原理見圖2。

圖2 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理

電磁精選機(jī)分選系統(tǒng)因滯后性、時(shí)變性、非線性特點(diǎn)，系統(tǒng)部分參數(shù)變化趨勢未知或變化緩慢，有些參數(shù)還具有延時(shí)特性或隨機(jī)干擾能力，傳統(tǒng)PID控制器控制效果受限于結(jié)構(gòu)簡單，自適應(yīng)性能較差，無法滿足電磁精選機(jī)對控制系統(tǒng)的要求。

北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司創(chuàng)新性地提出了底閥專家式參數(shù)自整定PID控制算法，原理見圖3。

圖3 專家式參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)原理

專家式參數(shù)自整定PID控制算法吸收了智能控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過程參數(shù)、自動(dòng)整定控制參數(shù)、自適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：

式中，積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數(shù)為：

G(s)=U(s)/E(s)=Kp×[1+1/(Ti×s)+Td×s] ，

式中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

通過智能算法在線實(shí)時(shí)獲得誤差、誤差變化、濃度設(shè)定和實(shí)時(shí)濃度等信息，專家系統(tǒng)通過分析各個(gè)參數(shù)變化特征自動(dòng)調(diào)整PID算法的系數(shù)：比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ti和微分系數(shù)Td。

專家式參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)基于規(guī)則模型，通過積累數(shù)據(jù)及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)建立規(guī)則模型，可以較好的克服給礦波動(dòng)、水壓波動(dòng)等對精礦濃度造成的影響，使底閥開度調(diào)節(jié)的幅度頻率以及精礦濃度的超調(diào)量始終處于最優(yōu)平衡狀態(tài)。

2.2.2 磁場及沖洗水閥控制系統(tǒng)

磁場控制主要是對磁場強(qiáng)度及脈沖通電時(shí)序進(jìn)行控制。BKZ型電磁精選機(jī)有多個(gè)勵(lì)磁線圈，控制系統(tǒng)通過整流模塊提供大小、時(shí)序可調(diào)的直流電源，在柱體內(nèi)形成特殊分布的磁場區(qū)，分固定磁場區(qū)、循環(huán)磁場區(qū)、底部磁場區(qū)三種。固定磁場區(qū)主要減少磁性物流失，起到“把尾”作用；勵(lì)磁線圈通脈沖直流電，形成循環(huán)向下作用的循環(huán)磁場，起到分選的作用；最底端線圈為底部磁場，主要用于控制精礦濃度。

磁場強(qiáng)度主要根據(jù)精礦濃度及溢流濃度進(jìn)行調(diào)整。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)給礦條件波動(dòng)時(shí)，精礦濃度有可能會(huì)長時(shí)間處于過高或過低的數(shù)值，僅調(diào)整底閥開度效果較差，需要同時(shí)控制磁場強(qiáng)度和脈沖時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定精礦濃度的目的。精礦濃度長時(shí)間過高時(shí)，提高磁場強(qiáng)度，可增強(qiáng)磁性顆粒所受的向下磁場力，提高精礦濃度，反之則降低磁場強(qiáng)度；當(dāng)溢流濃度長時(shí)間過高時(shí)，為防止“跑黑”現(xiàn)象，可增強(qiáng)固定磁場強(qiáng)度，以降低溢流濃度，反之則降低固定磁場強(qiáng)度。而脈沖通電時(shí)序則根據(jù)不同礦石的性質(zhì)及參數(shù)進(jìn)行改變，一般設(shè)定好最優(yōu)值后不再調(diào)整。上升水流對精礦濃度影響很大，正常生產(chǎn)過程中，控制溢流液面高度在合適位置，以保證較好的分選效果。當(dāng)給礦條件變化時(shí)，智能控制系統(tǒng)根據(jù)精礦濃度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水閥，以適應(yīng)不同分選條件的需要。

3 故障預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 故障預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁精選機(jī)在工業(yè)應(yīng)用時(shí)故障頻發(fā)點(diǎn)為底部電動(dòng)放礦閥門堵塞，原因有以下兩種：①篩片、小石子等將底閥堵塞；②長期運(yùn)行時(shí)，給礦量等條件的改變會(huì)導(dǎo)致精礦濃度長時(shí)間過高，容易造成柱體底部堆礦，進(jìn)而造成底閥堵塞。

底閥堵塞需要由現(xiàn)場工人及時(shí)處理，否則會(huì)堵塞底閥，嚴(yán)重時(shí)需要停機(jī)處理。但現(xiàn)場工人往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)底閥早期的堵塞現(xiàn)象，容易造成嚴(yán)重堵塞影響生產(chǎn)。為避免底閥堵塞現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了故障預(yù)測專家系統(tǒng)，可智能識(shí)別底閥堵塞早期現(xiàn)象，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)程序進(jìn)行報(bào)警并解決底閥堵塞問題。

預(yù)測方法：當(dāng)檢測到精礦濃度不斷地快速升高時(shí)，程序內(nèi)部將工作模式切換為手動(dòng)狀態(tài)，將底閥設(shè)定的開度減小。如果底閥反饋值不跟隨變化，則說明底閥已經(jīng)堵塞。

堵塞解決方案如下：

(1)當(dāng)故障預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測底閥堵塞時(shí)，程序內(nèi)部將工作模式切換為手動(dòng)狀態(tài)，底閥開度設(shè)定為較大值，快速大幅增大放礦口。當(dāng)壓力傳感器反饋的精礦濃度上升趨勢變小時(shí)，開始將底閥開度慢慢變小，直至精礦濃度和底閥開度都回到正常范圍。

(2)工業(yè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，剛開機(jī)運(yùn)行時(shí)，礦漿中雜質(zhì)較多，顆粒較粗，容易堵塞底閥，故設(shè)計(jì)了自動(dòng)智能開關(guān)機(jī)程序防堵。開機(jī)時(shí)，先加水，加水過程中底閥預(yù)留較小開度。當(dāng)上部壓力傳感器檢測到水充滿柱體后，開啟循環(huán)模式。上升水及底閥開度放水量達(dá)到平衡后，循環(huán)清洗柱體1 min。關(guān)機(jī)時(shí)，程序自動(dòng)將柱體內(nèi)剩余礦漿部排出后再水循環(huán)1 min后停機(jī)。

故障預(yù)測專家系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門早期堵塞現(xiàn)象，并自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)程序解決堵塞情況，大大減少了現(xiàn)場工人的工作量，避免底閥堵塞嚴(yán)重情況的發(fā)生，提高電磁精選機(jī)無故障作業(yè)率。

3.2 自動(dòng)開關(guān)機(jī)程序設(shè)計(jì)

為保證電磁精選機(jī)安全無故障運(yùn)行，開關(guān)機(jī)均有嚴(yán)格要求。開機(jī)時(shí)，必須先加水再給料。關(guān)機(jī)時(shí)，必須先停料再停水，防止底閥堵塞及柱體底部精礦積累，影響設(shè)備運(yùn)行和分選效果。同時(shí)保證加水后再加磁場，柱內(nèi)無水時(shí)一定要關(guān)閉磁場，防止線圈長時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱甚至燒毀。這就要求現(xiàn)場操作工有較高的責(zé)任心，以免粗心大意影響生產(chǎn)。

設(shè)計(jì)了自動(dòng)開關(guān)機(jī)及磁場保護(hù)程序，使設(shè)備的開機(jī)、關(guān)機(jī)、運(yùn)行各個(gè)階段都能自動(dòng)完成。自動(dòng)開機(jī)流程和自動(dòng)關(guān)機(jī)流程分別見圖4和圖5。

圖4 自動(dòng)開機(jī)流程

圖5 自動(dòng)關(guān)機(jī)流程

點(diǎn)擊“自動(dòng)開機(jī)”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入初始加水階段，水閥以設(shè)定的最大值運(yùn)行，底閥以較小開度運(yùn)行，有利于防止堵塞。當(dāng)柱體頂部壓力傳感器檢測到水已加滿時(shí)，打開磁場，否則繼續(xù)加水。當(dāng)水加滿時(shí)，進(jìn)入水循環(huán)階段，水閥及底閥以最優(yōu)值循環(huán)清洗柱體，清洗完成后給料，進(jìn)入正常分選過程，運(yùn)行智能控制系統(tǒng)控制水閥、底閥、磁場，運(yùn)行故障診斷專家系統(tǒng)。關(guān)機(jī)流程為自動(dòng)開機(jī)程序的反流程。

4 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果與討論

智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)具備設(shè)備運(yùn)行情況記錄功能，可以記錄一個(gè)月內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。目前已有多臺(tái)采用智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)的電磁精選機(jī)在工業(yè)上得到應(yīng)用。設(shè)計(jì)的電磁精選機(jī)智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)在工業(yè)試驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定，多次成功預(yù)測并解決底閥堵塞問題，避免了柱體內(nèi)部物料沉槽。另外開關(guān)機(jī)程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)水循環(huán)，提早預(yù)防故障。工業(yè)試驗(yàn)過程電磁精選機(jī)底閥開度為55時(shí)，精礦濃度設(shè)定值與反饋值的變化曲線見圖6，控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況見圖7。

圖6 精礦濃度調(diào)節(jié)曲線

圖7 控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況

由圖6和圖7可知，該套系統(tǒng)可通過自動(dòng)調(diào)節(jié)底閥大小、上升水流、磁場強(qiáng)度來保持精礦濃度的穩(wěn)定。在底閥開度變化平穩(wěn)的情況下，精礦濃度與設(shè)定值幾乎吻合，波動(dòng)范圍在設(shè)定值的±5%內(nèi)，滿足電磁精選機(jī)精礦濃度穩(wěn)定性的要求。配套智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)的電磁精選機(jī)在工業(yè)試驗(yàn)中取得了良好的分選效果，表明該套系統(tǒng)具有良好的控制性能。

5 結(jié) 論

(1)電磁精選機(jī)采用專家式智能PID控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID算法，設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)和故障預(yù)測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)自動(dòng)開關(guān)機(jī)程序和磁場及沖洗水閥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了底閥開度、上升水流、磁場強(qiáng)度全自動(dòng)調(diào)節(jié)，無需人工手動(dòng)調(diào)整，穩(wěn)定了精礦濃度，避免了底閥堵塞和“跑黑”現(xiàn)象。電磁精選機(jī)智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)的應(yīng)用，增強(qiáng)了設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行的可靠性，提高了無故障作業(yè)率。

(2)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，配套智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)的電磁精選機(jī)可預(yù)測并解決底閥堵塞問題，精礦濃度波動(dòng)范圍穩(wěn)定在設(shè)定值的±5%內(nèi)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的控制能力。電磁精選機(jī)智能控制及故障預(yù)測系統(tǒng)的實(shí)施，對于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有積極作用。

[1] 趙通林，陳中航，陳廣振．磁選柱的分選特性分析與實(shí)踐應(yīng)用[J]．礦產(chǎn)綜合利用，2013(3)：15-17.

[2] 王 青，智曉康，王志東．全自動(dòng)淘洗磁選機(jī)的研制與應(yīng)用[J]．金屬礦山，2010(S)：686-688.

[3] 趙通林，陳中航，陳廣振．磁選柱自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J]．中國礦業(yè)，2011(8)：90-91.

[4] 魏紅港，冉紅想，李國平．電磁精選機(jī)中礦物顆粒受力分析及選礦試驗(yàn)研究[J]．有色金屬：選礦部分，2013(S)：216-221.

[5] 戴新宇，趙通林，陳中航．磁選柱性能與生產(chǎn)實(shí)踐分析[J]．中國礦業(yè)，2012(S)：183-185.

2015-10-20)

連曉圓(1988—)，女，助理工程師，100160 北京市豐臺(tái)區(qū)南四環(huán)西路188號18區(qū)23號樓。