王慶凱，鄒國(guó)斌，趙建軍，徐 寧，王寶勝，謝敏熊

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．礦冶過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100160；3．山東黃金礦業(yè) （萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州261442）

近年來(lái)，隨著選礦廠生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，為了保證磨機(jī)給料可靠和連續(xù)，通常配置多個(gè)大容量的礦倉(cāng)和多臺(tái)給料機(jī)；為了保證磨機(jī)給料平穩(wěn)，通常在進(jìn)入磨機(jī)的給料皮帶上安裝皮帶秤，檢測(cè)磨機(jī)入礦量，通過(guò)手動(dòng)控制、單回路閉環(huán)控制及智能控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)磨機(jī)給礦的閉環(huán)控制。

手動(dòng)控制即操作人員根據(jù)礦量實(shí)時(shí)測(cè)量值手動(dòng)調(diào)整給料機(jī)的開關(guān)數(shù)量和每個(gè)給料機(jī)的下料量，該控制方式需要操作人員始終關(guān)注礦量波動(dòng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大且調(diào)節(jié)速度慢、穩(wěn)定性較差；單回路閉環(huán)控制包括目前工業(yè)上常用的PID控制及變形控制算法，在控制單臺(tái)給料機(jī)時(shí)，該方法基本上可以穩(wěn)定磨機(jī)給礦量［1－2］；目前國(guó)內(nèi)外也針對(duì)上述過(guò)程開展了智能控制算法的研究，典型的控制算法包括大間隔采樣積分控制方法、模糊控制等［3－5］，上述智能控制算法克服了磨機(jī)給礦系統(tǒng)的大滯后給控制效果帶來(lái)的負(fù)面影響，控制的精度更進(jìn)一步得到了提升。上述控制算法都未考慮到礦倉(cāng)內(nèi)部礦料長(zhǎng)久不運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的板結(jié)情況和多個(gè)給料機(jī)切換帶來(lái)的礦量波動(dòng)，未能有效緩解生產(chǎn)故障，未能實(shí)現(xiàn)磨機(jī)給礦的精細(xì)化控制。

因此，針對(duì)多個(gè)給料機(jī)的磨機(jī)給料過(guò)程開發(fā)智能控制算法，對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全和穩(wěn)定磨礦過(guò)程均具有重要意義。

1 智能給礦控制需求

典型的磨礦給礦過(guò)程見圖1。為了保證礦倉(cāng)下料均衡，通常在礦倉(cāng)的不同位置設(shè)置多個(gè)給料機(jī)，多個(gè)給料機(jī)的礦量匯總到一條給礦皮帶進(jìn)入磨機(jī)。給礦皮帶上安裝皮帶秤檢測(cè)實(shí)時(shí)礦量，通過(guò)調(diào)節(jié)給料機(jī)或者皮帶配置調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)給料量連續(xù)可調(diào)。

圖1 典型多給料機(jī)的磨機(jī)給礦流程

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)入礦倉(cāng)的礦石含5%左右水分，某一區(qū)域的礦石長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)作時(shí)容易板結(jié)，導(dǎo)致給料機(jī)無(wú)法下料；粉礦倉(cāng)礦量和礦倉(cāng)料位高度會(huì)隨著給礦和排礦實(shí)時(shí)變化，各個(gè)給料機(jī)給料能力有差異；各給料機(jī)和電子皮帶秤距離不一樣，導(dǎo)致控制滯后時(shí)間不同；給料設(shè)備非正常損壞，導(dǎo)致短時(shí)間無(wú)法下料；因此智能給礦有下列需求：①循環(huán)布料：防止礦倉(cāng)內(nèi)部物料板結(jié)；②時(shí)變性：克服礦倉(cāng)內(nèi)部?jī)?chǔ)礦量變化造成的下料機(jī)給礦能力發(fā)生變化；③差異性：不同給料機(jī)給料能力不完全一致；④滯后性：給料機(jī)下料點(diǎn)和皮帶秤安裝位置的距離導(dǎo)致控制時(shí)間滯后；⑤突發(fā)性：給料設(shè)備機(jī)械故障、電氣故障及通訊故障等造成的異常狀況。

2 多給料機(jī)的磨機(jī)智能給礦控制策略

根據(jù)上述控制需求，設(shè)計(jì)智能給礦控制策略。其控制流程見圖2，具體包括初始化模塊、通訊模塊、倒口判斷模塊、料倉(cāng)選擇模塊、無(wú)擾切換模塊、恒定給礦控制模塊；其中初始化模塊設(shè)定智能控制各相關(guān)參數(shù)；通訊模塊與選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)通訊，獲取過(guò)程數(shù)據(jù)并將控制值傳送給自動(dòng)化系統(tǒng)；倒口判斷模塊根據(jù)預(yù)定規(guī)則判斷需要切換至其他料口的料機(jī)；料倉(cāng)選擇模塊依據(jù)權(quán)重選擇函數(shù)選定新的目標(biāo)料口；無(wú)擾切換模塊完成料口切換過(guò)程的啟停與頻率設(shè)定控制；恒定給礦控制模塊根據(jù)礦量設(shè)定值實(shí)時(shí)調(diào)整給料機(jī)的輸出頻率。

主要控制策略步驟包括以下部分。

1）初始化，設(shè)定各控制參數(shù)，包括第i個(gè)給料口倒口料位Ls（i）（i＝1，．．．，n，下同）、第i個(gè)給料機(jī)倒口電流cs（i）、給料機(jī)倒口運(yùn)行時(shí)間限tL、第i個(gè)給料機(jī)距離皮帶秤的距離di、第i個(gè)給料機(jī)的給礦能力pi、傳輸皮帶速度s。

2）通過(guò)與選礦自動(dòng)化系統(tǒng)通訊，交互參數(shù)，獲取第i個(gè)給料口實(shí)時(shí)料位Lr（i）、第i個(gè)給料機(jī)運(yùn)行電流cr（i），實(shí)時(shí)給礦量 wr，給礦設(shè)定值 ws等，將控制結(jié)果第i個(gè)給料機(jī)啟停命令字Rs（i）和運(yùn)行頻率設(shè)定fs（i）傳送至自動(dòng)化系統(tǒng)。

圖2 多給料機(jī)的磨機(jī)智能給礦控制策略框圖

3）根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)與倒口規(guī)則，判斷是否需要倒口，若需要?jiǎng)t定義該料口為Bu，并跳至步驟4），否則跳至步驟6）。

4）根據(jù)料倉(cāng)選擇邏輯規(guī)則確定新料口，定義為Bn，并跳至步驟5），若無(wú)備選料倉(cāng)，則給出報(bào)警提示，并跳至步驟6）。

5）將恒定給礦控制暫時(shí)切換至手動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)第Bu號(hào)料倉(cāng)與第Bn號(hào)料倉(cāng)之間的物理位置和傳輸皮帶速度s，確定開關(guān)料機(jī)的先后順序及延時(shí)時(shí)間，根據(jù)第Bu號(hào)料倉(cāng)與第Bn號(hào)料倉(cāng)的給礦能力及原始給礦頻率得到新開給礦機(jī)的給礦頻率初始設(shè)定值，等待一定時(shí)間T后，將恒定給礦控制切換至自動(dòng)狀態(tài)。

6）若恒定給礦控制為手動(dòng)狀態(tài)，則維持給料機(jī)頻率不變，否則根據(jù)給礦實(shí)際值w與給礦設(shè)定值ws之差對(duì)給礦設(shè)定頻率進(jìn)行調(diào)整。

7）若控制方法繼續(xù)，跳至步驟2，否則結(jié)束。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該控制策略用在了山東黃金集團(tuán)下日處理量達(dá)8000t的金選礦廠，該選廠場(chǎng)粉礦倉(cāng)下有8臺(tái)給料機(jī)，參考上述控制策略步驟，具體的參數(shù)設(shè)定和實(shí)施過(guò)程如下所示。

1）初始化模塊1，設(shè)定各控制參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，各給料口空料前的料位分別為｛1．5m，1．8m，1．7m，2．1m，2．2m，2．5m，1．9m，1．4m｝，取裕量為0．5m，得到倒口料位分別為｛2．0m，2．3m，2．2m，2．6m，2．7m，3．0m，2．4m，1．9m｝；根據(jù)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)分析得到倒口電流分別為｛7．0A，6．4A，6．6A，5．9A，6．2A，6．4A，6．6A，7．2A｝，給料機(jī)的給礦能力分別為｛10．1t／Hz，9．8t／Hz，9．9t／Hz，10．3t／Hz，9．5t／Hz，10．5t／Hz，9．9t／Hz，10．2t／Hz｝；根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定各給料機(jī)距離皮帶秤的距離｛24m，29m，33m，37m，24m，29m，33m，37m｝以及傳輸皮帶速度1．0m／s，給料機(jī)倒口運(yùn)行時(shí)間限tL設(shè)定為3h。

2）通訊模塊2通過(guò)OPC方式與選礦自動(dòng)化系統(tǒng)通訊，交互參數(shù)；根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的變量表及通訊規(guī)則建立讀數(shù)據(jù)變量列表，包括第i個(gè)給料口實(shí)時(shí)料位lr（i）、第i個(gè)給料機(jī)運(yùn)行電流cr（i），實(shí)時(shí)給礦量w，給礦設(shè)定值ws；根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的變量表及通訊規(guī)則建立寫數(shù)據(jù)變量列表，包括給料機(jī)啟停命令 Rs（i）和運(yùn)行頻率設(shè)定fs（i）；數(shù)據(jù)讀寫周期為1s。

3）倒口判斷模塊3遍歷各運(yùn)行中的給料機(jī)，根據(jù)倒口規(guī)則判斷需要停止的給料機(jī)，其判斷步驟包括：①若運(yùn)行中的第i個(gè)給料機(jī)對(duì)應(yīng)的料位Lr（i）低于倒口料位Ls（i），則該料口即將空料，需將給料倒至其他口，Bu＝i，跳至步驟4；②若運(yùn)行中的第i個(gè)給料機(jī)的實(shí)際電流低于負(fù)載電流下限cs（i），則該給料機(jī)已經(jīng)處于空載狀態(tài)，需將給料倒至其他口，Bu＝i，跳至步驟4；③若第i個(gè)給料口連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)倒口運(yùn)行時(shí)間限tL，則需將給料倒至其他口，Bu＝i，跳至步驟4；④若實(shí)際給礦量w明顯小于第i個(gè)給料機(jī)運(yùn)行頻率與給礦能力之積，則說(shuō)明該給料口已經(jīng)無(wú)法下料，需將給料倒至其他口，Bu＝i，跳至步驟4。

圖3 不同磨機(jī)給礦控制策略應(yīng)用效果

5）無(wú)擾切換模塊5控制給礦機(jī)的啟停時(shí)序控制及初始頻率設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)倒口過(guò)程的礦量無(wú)擾，其步驟包括：①將恒定給礦控制暫時(shí)切換至手動(dòng)狀態(tài)，避免切換過(guò)程中恒定給礦控制對(duì)給料機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整；②計(jì)算新開給料機(jī)初始設(shè)定頻率；③判斷舊給料口與新給料口之間的空間位置；④等待延時(shí)時(shí)間，開啟新給料機(jī)或關(guān)閉舊給料機(jī)；⑤等待延時(shí)時(shí)間T后，將恒定給礦控制切換至自動(dòng)狀態(tài)。

6）恒定給礦控制模塊6調(diào)整給料機(jī)的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)給礦量跟隨設(shè)定值的控制功能，具體步驟包括：①若恒定給礦控制為手動(dòng)狀態(tài)，則維持給料機(jī)頻率不變；②若恒定給礦控制為自動(dòng)狀態(tài)，且給礦誤差在死區(qū)范圍內(nèi)，維持給料機(jī)頻率不變；③若恒定給礦控制為自動(dòng)狀態(tài)，且給礦誤差超出死區(qū)范圍，則將給料機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整；④頻率調(diào)整后等待延時(shí)時(shí)間T后再進(jìn)行下一次判斷和調(diào)整。

圖3展示了智能給礦控制、普通倒口控制（純PID控制）和手動(dòng)倒口控制的效果對(duì)比。圖3中實(shí)線方框內(nèi)即為切換料倉(cāng)時(shí)礦量的數(shù)據(jù)曲線。長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，智能給礦控制系統(tǒng)的應(yīng)用可將倒口時(shí)的礦量波動(dòng)減少80%以上。

4 總結(jié)與展望

本文針對(duì)多給料機(jī)的磨機(jī)給礦過(guò)程，提出了一種智能控制策略。應(yīng)用效果表明，相比常規(guī)控制策略，該控制策略有效解決了磨機(jī)給礦時(shí)變性、差異性、滯后性和突發(fā)性等問(wèn)題，避免了礦倉(cāng)內(nèi)礦料板結(jié)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)給料機(jī)的無(wú)擾動(dòng)切換，穩(wěn)定了磨機(jī)給礦量。

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