張 雷 蔣 利 龐 星

(金堆城鉬業(yè)集團有限公司)

PID模糊控制在分級旋流器中的應用

張 雷 蔣 利 龐 星

(金堆城鉬業(yè)集團有限公司)

旋流器分級過程復雜，影響因素多，且各因素存在交互作用，采用傳統(tǒng)的恒液位控制方法很難對其有效控制。提出了一種基于PID模糊控制算法的分級旋流器自動控制系統(tǒng)，介紹了該控制系統(tǒng)的設計原理及在金堆城鉬業(yè)集團華光選鐵廠的應用。結(jié)果表明：PID模糊控制的自動控制系統(tǒng)具有控制精度高、響應速度快、易操作、可靠性高等特點，對提高資源的回收利用率具有積極意義。

PID 模糊控制 旋流器

華光公司選鐵廠對金堆城鉬業(yè)集團有限公司選硫尾礦采用再磨后經(jīng)1粗3精磁選流程回收其中的鐵礦物。再磨作業(yè)采用旋流器進行分級，其是一種利用離心力對物料進行分級的高效分離設備，其分級過程復雜，影響因素多，且各因素存在交互作用，原采用傳統(tǒng)的恒液位控制方法對旋流器進行調(diào)控，即通過調(diào)節(jié)渣漿泵轉(zhuǎn)速及補水閥開度來保持泵箱液面穩(wěn)定，但采用該控制方法，一旦旋流器的關聯(lián)工藝及外部環(huán)境發(fā)生變化，如球磨機磨礦濃度、返砂量變化及旋流器的給礦濃度、給礦壓力波動等，都會對旋流器的分級效率及最終產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，很難對其進行有效控制。根據(jù)旋流器工作原理，要保證旋流器處于最佳工作狀態(tài)，則必須保證旋流器的給礦壓力及給礦濃度在一定范圍內(nèi)[1]。所以對旋流器進行自動控制的關鍵，就是在保證給礦壓力的同時，確保給礦濃度在合理范圍內(nèi)。本研究在總結(jié)國內(nèi)現(xiàn)有旋流器控制方法的基礎上，提出了一種基于PID模糊控制算法的分級旋流器自動控制系統(tǒng)，并成功應用于生產(chǎn)實踐，取得了良好的經(jīng)濟指標。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

結(jié)合控制系統(tǒng)對控制精度及響應速度的要求，本研究采用西門子S7-300系列可編程控制器作為主控制器[2]，通過PID模糊控制器來調(diào)節(jié)各執(zhí)行元件參數(shù)。監(jiān)測元件部分采用東方測控DF系列礦漿濃度計監(jiān)測旋流器給礦濃度，德國E+H PMP55系列壓力變送器監(jiān)測旋流器給礦壓力，德國西克UM18系列超聲波傳感器監(jiān)測泵箱液位；執(zhí)行元件部分采用西門子變頻器來控制渣漿泵轉(zhuǎn)速，上海力諾電動調(diào)節(jié)閥控制泵箱補水量。對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模糊化，通過PID模糊控制器進行模糊推理運算，將計算出的期望值反饋給執(zhí)行元件，從而實現(xiàn)旋流器分級過程的自動控制。控制原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制原理

2 控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 主要監(jiān)控參數(shù)分析

PID模糊控制屬于非線性控制，需要對監(jiān)控目標設定合理的控制范圍并進行模糊化，其根據(jù)現(xiàn)場工藝情況建立模糊控制規(guī)則，通過模糊推理得到期望值，進而指導執(zhí)行元件進行調(diào)節(jié)，使監(jiān)控目標穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)[3]。對于旋流器的自動控制，其輸入量為變頻器頻率、補水閥開度，輸出量為給礦濃度、給礦壓力、泵箱液位，此二輸入、三輸出系統(tǒng)具有耦合、非線性[4]等特性，故對被控對象設置合理的控制范圍尤為重要，其直接決定了PID模糊控制的輸入期望值及各可控變量間的合理聯(lián)動調(diào)節(jié)精確程度，以確保分級旋流器處于最佳工作狀態(tài)。

(1)給礦濃度：當旋流器給礦壓力一定時，給礦濃度越低，分級效率越高；但給礦濃度過低時，旋流器溢流、底流濃度會同步降低，從而對后續(xù)工藝及磨礦效率造成較大影響。故旋流器的給礦濃度需設定在合理范圍內(nèi)。采用濃度傳感器實時監(jiān)測礦漿濃度的變化，通過調(diào)節(jié)泵箱補水閥開度來控制給礦濃度，在確保旋流器分級效率的同時，保證后續(xù)工藝及磨礦效率穩(wěn)定。在旋流器給礦壓力為0.12 MPa條件下，對現(xiàn)場分級作業(yè)進行流程考察，見表1。由于分級旋流器后續(xù)精選作業(yè)要求最佳溢流濃度為30%左右；同時為保證磨礦濃度，要求底流濃度控制在75%左右。因此，確定旋流器給礦濃度范圍為30%～50%。

表1 旋流器分級作業(yè)流程考察結(jié)果 %

給礦濃度溢流濃度底流濃度溢流細度(-0.074mm)2011.3763.1293.773018.5273.3888.204026.0075.5481.735037.5979.7078.946049.0782.6262.55

(2)給礦壓力：當給礦壓力增大時，旋流器分級效率提高，但動力消耗和設備磨損也會增加，故旋流器的給礦壓力也需設定范圍。采用壓力傳感器實時監(jiān)測給礦壓力的變化，通過變頻器調(diào)節(jié)渣漿泵的轉(zhuǎn)數(shù)，從而確保給礦壓力在設定范圍內(nèi)。根據(jù)設備工作要求及現(xiàn)場操作經(jīng)驗，設定給礦壓力范圍為0.10～0.15MPa。

(3)泵箱液位：為保證旋流器的給礦壓力穩(wěn)定，泵箱液位需控制在一定范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)補水閥的開度及變頻器的頻率，保證泵箱液位在設定范圍之內(nèi)[5]。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，泵箱液位范圍設定為距渣漿泵吸入口100～600mm，此時可以確保旋流器的給礦壓力在設定范圍內(nèi)。

2.2 PID模糊控制器程序設計

PID模糊控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)有2個，即補水閥開度和變頻器頻率。補水閥的調(diào)節(jié)直接導致旋流器給礦濃度和泵箱液位的變化，而變頻器頻率的變化影響渣漿泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，會導致給礦壓力和泵箱液位的變化。由此可見，分級旋流器自動控制中的給礦壓力和給礦濃度是一對耦合因素，需要進行解耦控制：當補水閥開度發(fā)生變化時，通過另一個模糊算法去改變變頻器輸出，消除由于補加水量的變化而導致的給礦壓力的變化；同樣，當變頻器頻率發(fā)生變化時，通過另一個模糊算法去改變補加水量，消除由于給礦壓力的變化而導致的給礦濃度的變化，從而確保給礦濃度、給礦壓力、泵箱液位均在設定范圍內(nèi)(給礦濃度30%～50%、給礦壓力0.10～0.15MPa、泵箱液位100～600mm)進行控制，確保分級旋流器處于最佳運行狀態(tài)，系統(tǒng)程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 PID模糊控制程序流程

2.3 人機界面設計

人機界面采用威綸通MT6070Ih5觸摸屏，如圖3所示，人機界面包括變頻器輸出頻率、補水閥開度的當前值和泵箱液位、給礦壓力、給礦濃度的監(jiān)測值，用于控制系統(tǒng)及設備運行狀況的監(jiān)控；人機界面還包括變頻器輸出頻率、補水閥開度的手動調(diào)節(jié)功能，用于手動模式下的人工調(diào)節(jié)；同時包含系統(tǒng)啟停、自動/手動模式切換等功能。

圖3 人機界面

3 PID控制系統(tǒng)的應用

PID控制系統(tǒng)在華光公司選鐵廠分級旋流器上進行了工業(yè)應用。運行近1 a來，控制系統(tǒng)平穩(wěn)可靠，有效降低了崗位工人的操作難度和強度，選礦關鍵技術指標提高。系統(tǒng)應用前后生產(chǎn)指標對比見表2。

由表2可以看出，設計PID模糊控制系統(tǒng)能夠很好地適應現(xiàn)場的工藝變化，在自動控制條件下，給礦濃度降低了17.08個百分點，溢流細度提高了13.93個百分點，溢流濃度、底流濃度均得到了有效控制，達到了目標控制要求(旋流器溢流-0.074 mm含量大于80%、溢流濃度20%～40%、旋流器底流濃度大于73%)，保證了后續(xù)精選工藝的穩(wěn)定和球磨機磨礦效率的提高。

采用PID自動控制系統(tǒng)后，精礦鐵作業(yè)回收率提高了1.68個百分點，按精選段入選礦量45t/h、鐵品位20%計算，每年可增產(chǎn)鐵金屬量1325t，折合鐵品位60%鐵精礦量2208t，經(jīng)表2 PID控制系統(tǒng)應用前后生產(chǎn)指標對比 %

項目給礦濃度細度(-0.074mm)溢流濃度細度(-0.074mm)底流濃度細度(-0.074mm)精礦鐵品位鐵作業(yè)回收率應用前52.2460.9941.7969.3276.8344.3260.3689.88應用后35.1664.6732.2183.2574.3546.2661.1591.56

濟效益顯著。同時，鐵精礦產(chǎn)品品位的提高也更利于其銷售。

4 結(jié) 論

將PID模糊控制的自動控制系統(tǒng)應用于金堆城鉬業(yè)集團華光選鐵廠旋流器分級作業(yè)后，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，生產(chǎn)指標顯著提高，對提高資源的回收利用率具有積極意義。

[1] 汪 勇，莊故章，周 韶，等.給礦濃度和入口壓力對水力旋流器分級效率的影響[J].礦冶，2012，21(1)：83-86.

[2] 王德吉.西門子PLC控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3] 李士勇.模糊控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011.

[4] 趙大勇，柴天佑，付 俊，等.旋流器分級過程的智能控制[J].東北大學學報：自然科學版，2011，32(2)：157-161.

[5] 紀 凱.變頻調(diào)速技術在泵類負載的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014，541(5):184-185.

2015-05-18)

張 雷(1980—)，男，工程師，714102 陜西省華縣金堆鎮(zhèn)。