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1段給礦參與自動控制，磨機往往要隨礦石性質(zhì)變化而改變給礦量，不能很好提高磨機效率，單純通過自動化控制又難以實現(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控制系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明：該方案可有效提高磨機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)、提高自動控制程度的目的。

在線粒度分析儀 磨音 濃度 模糊控制 自動控制系統(tǒng)

國內(nèi)外許多單位對磨礦分級過程自動控制進(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的效果。而磨礦分級過程具有隨機干擾因素多、過程機理復(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，因而僅用以上方案實現(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化控制項目以1段球磨機與分級機閉環(huán)工藝控制為研究對象，通過對現(xiàn)場的工藝點評估取樣，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工作狀態(tài)，結(jié)合模糊控制理論來實現(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)定性和實用性，設(shè)計采用了大容量、穩(wěn)定性較強的西門子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司家營鐵礦選礦廠自投入自動化控制以來，起到了不可替代的作用。超聲波粒度儀的實時在線檢測，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)可適時調(diào)整給礦量或給水量等控制參數(shù)，保證磨機永遠(yuǎn)實時處于高水平負(fù)荷狀態(tài)，使磨機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)控畫面在上位計算機顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀況以及部分實時檢測數(shù)據(jù)。設(shè)備的運行狀態(tài)多以動態(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，不僅可實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(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)備運行實時檢測。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)，主站點之間通過光纖進(jìn)行信息交互。選擇ET200M模塊作為遠(yuǎn)程I/O(從站點)，它與主站點訪問通過PROFIBUS現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，CPU與上位機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)車間的實際情況，可在多個球磨機組之間設(shè)置多個遠(yuǎn)程I/0從站點，實現(xiàn)與主站上位機間的數(shù)據(jù)通信。

1.4 控制系統(tǒng)的功能要求

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

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對磨機聲音的檢測，磨機功率檢測，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，磁選機尾礦流量檢測，磁選機尾礦濃度檢測及干礦量計算，振動篩給礦皮帶瞬時礦量檢測。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、加球機自動控制、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)磨機功率、磨音、分級機電流、分級機溢流粒度基于模糊運算原理完成控制給礦自動控制框圖見圖2。

圖2 自動控制框圖

(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-磁選機精礦含水量，磁選機精礦含水量=磁選機給水量-磁選機尾礦水量(原礦水分忽略不計)，這樣可計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、分級機電流、分級機溢流粒度、磨礦濃度、瞬時礦量進(jìn)行控制(見圖2)。控制方法原則為：①根據(jù)分級機溢流粒度、分級機電流進(jìn)行模糊運算調(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，開始自動調(diào)整返砂水，改變磨礦濃度；②根據(jù)磨礦濃度、瞬時礦量、分級機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)瞬時礦量不變，水量不變，在一定時間內(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，系統(tǒng)會自動調(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)濟效益分析

在司家營一期，粒度儀實現(xiàn)了閉環(huán)控制，磨機處理量提高了7個百分點。按照1 a多產(chǎn)鐵品位為65.3%的鐵精礦35 481.6 t計算，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%。試驗室篩分粒度與超聲波粒度儀實時檢測數(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)可以實現(xiàn)優(yōu)化控制。其一，根據(jù)分級機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)分級機溢流粒度變化，控制排礦水和磨礦濃度。其二，磨機的負(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，說明磨機負(fù)荷低，由此可以根據(jù)磨機音頻信號和磨礦濃度變化來判斷磨機的負(fù)荷，實現(xiàn)自動給礦。

(2)以往有專家提出自動化在礦山的應(yīng)用中要提高臺時處理量，但基本都沒有實現(xiàn)，而此項目已在河北鋼鐵集團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，實現(xiàn)了在線實時粒度檢測，可以根據(jù)最終的合格指標(biāo)有效地控制球磨機的入磨礦量，同時提高處理量、磨礦效率和作業(yè)指標(biāo)，大大降低工人的勞動強度。

表1 試驗室篩分粒度與超聲波粒度儀實時檢測數(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 串級控制在磨機給礦量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機械，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。