【文章內容簡介】 [8]。 最優(yōu)化生產(chǎn)階段 20 世紀 90 年代 至 21 世紀初，伴 隨著控制理論的 持續(xù) 發(fā)展 和 控制技術的 普遍 應用，為在 生產(chǎn)中 選礦技術 實現(xiàn)最優(yōu)控制 或 選礦廠 的 自動化 工藝 奠定了 堅實的 基礎?？紤] 到 選礦過程中的影響因素 比較多 ，隨 著 入選礦石性質的變化 而異去 自動 校正 對各變量的控制， 從而達到 使 整個 選礦 指標達到最 優(yōu) 。選礦廠各重要機組、各車間都采用計算機和各種檢測儀發(fā)出的信號配合，最后，用一臺中心計算機來調度其它計算機工作，對整個選礦過程實現(xiàn)最優(yōu)控制。南非等一些國家的選礦廠已進入最優(yōu)化生產(chǎn)控制階段。 目前，采用計算機控制的磨礦設備常見于球磨或棒磨，國內也已經(jīng)研究多年，并在少數(shù)選礦廠進行了試用。在控制方法上，將現(xiàn)代控制理論中的自適應控制、多變量控制、最優(yōu)控制等方法應用于棒磨和球磨控制中。但計算機在自磨機中的控制應用則很少，國外只有塞浦路斯皮馬采礦公司及少數(shù)幾個選礦廠將計算機控制技術應用于自磨機上。在國內，自磨 磨礦仍然處于人工操作水平。一方面：因為自磨機是非常復雜的工業(yè)過程被控對象，在理論上和實踐上對自磨機的機理認識，專家們尚未有一個統(tǒng)一的解釋，還沒提出一個可用得數(shù)學描述控制模型，成為典型的 “ 黑箱 ” 問題；另一方面：由于進入自磨機的礦石性質多變使得自磨機運行行為也隨機多變；再者：自磨機給礦系統(tǒng)純滯后大以及嚴重的非線性使得自磨機的控制難度較大，容易產(chǎn)生 “ 脹肚 ” 事故。當然，目前還沒有一種較好的手段來對排礦濃度和料位進行直接檢測，也是自磨機要實現(xiàn)自動控制的一個復雜問題 [9]。 在 西方的一些發(fā)達國家例如：英國、 美國、 法國、 澳大利亞、加拿大、 德國、 芬蘭、智利等， 在各 大中型 磨礦 選礦廠選礦自動化 領域 起步都比較早， 而且 已經(jīng)實現(xiàn)了 相當程度比例的 自動 化 控制， 其 應用范圍 從 碎礦到脫水 等 各個選礦環(huán)節(jié) ；在 選礦各階段中礦特 的自身因素和 選礦 過程中 的 各種 設備狀態(tài)參數(shù)都 在 測控對象 的領域中 。例如： 國外的一些 礦業(yè)公司 的 選礦廠利用計算機 技術 控制棒磨、球磨兩段磨礦的比例 進行 PID 串級控制 并采用 專家系統(tǒng) 進行 研究， 從而成功實現(xiàn)了在保證生產(chǎn)產(chǎn)品和的基礎下的礦產(chǎn)常量的提高，并且能夠有效的 使 生產(chǎn)工藝過程中的球 磨機工作超負荷狀態(tài) 以 下 ，使得生產(chǎn)和效益得到有效的提高 。智利的 Copper ton 選礦廠也成功地應用了兩級集散控制系統(tǒng) [10][11]。 南京的銀茂鉛鋅礦業(yè)公司的選礦廠研制的磨礦自動控制系統(tǒng)就設置了電流檢測、給礦量、磨機的電耳值、返砂水控制、溢流濃度、排礦水控制及報警等檢測項目，借助這些檢測的數(shù)據(jù)來控制磨礦過程的每個工藝參數(shù)，分析判斷磨機工作狀態(tài)并實現(xiàn)控制，使流程運行可靠穩(wěn)定；模糊控 4 制加 PID 調節(jié)的自動控制方式使效果達到最佳，能實現(xiàn)局部或全部系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)監(jiān)控或手動、現(xiàn)狀人工操作多種手動操作的方式，借助先進的控制系統(tǒng)及高效可靠儀表的組合可使系統(tǒng)使用更長久，再加上人性化個性 化的組態(tài)畫面方便了操作，給礦控制方便，當設定好小時給礦量，系統(tǒng)自動根據(jù)礦量的情況進行調節(jié)，給水和濃度控制也操作簡單 。中國黃金集團烏努格吐山銅鉬礦的選廠磨礦自控系統(tǒng)包括有：磨礦濃度自控、給礦量自控、礦倉料位自控、旋流器的泵池液位值、給礦濃度（壓力）及溢流粒度自控， 實現(xiàn)了智能化給水、給礦和磨機工況自動分析、判斷故障、歷史數(shù)據(jù)歸檔、故障報警和保護。 本文的主要 研究 內容 根 據(jù) 磨礦分級 現(xiàn)場操作人員對于 生產(chǎn)工藝 的操作經(jīng)驗， 選取適合該工藝的相應的 模糊規(guī)則， 確定好模糊規(guī)則中的輸入、輸出變量。用 模糊控制來解決 生產(chǎn)工藝中 難以建立 的復雜 數(shù)學模型問題，設計 了 一 整 套針對南方某鉭鈮礦的磨礦分級過程自動 過程 控制系統(tǒng)， 在提高磨礦分級 過程中 的穩(wěn)定性 與 處理量 方面得到很好的解決途徑 ， 從而 使 生產(chǎn)工藝中的 球磨機 能夠連續(xù) 工作 并且長期處在 最佳狀態(tài) 而 又不 出現(xiàn) “ 脹肚 ” 現(xiàn)象 ，提高選礦棒（球）磨的處理能力，提高精礦回收率 。 本文 針對 磨礦分級的模糊控制，設計出一套磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)， 并且 圍繞這一 控制方案 作者從 20xx年 10月 開 始 了對該控制 系統(tǒng)的設計工作， 在長達 一年多的努力 下，經(jīng)過不斷的測試與修改， 基本完成了 針對本文的 研究與設計工作?，F(xiàn)將 現(xiàn)階段主要 成果撰寫成工程碩士論文并 且按以下控制思想 組織全文： 第一章： 引言（ 磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)的背景 、 研究意義 、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢） 第二章：磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)工藝流程及方案設計 第三章：磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)硬件設計 第四章：磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)軟件設計 及實現(xiàn) 第五章：磨礦分級過程 自動控制系統(tǒng) 監(jiān)控界面設計 第六章：磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)的運行 數(shù)據(jù)與分析 第 七 章：總結與展望 本章小結 本章介紹了項目產(chǎn)生的背景 和 課題 研究的 現(xiàn)實 意義，在 綜合 國內外磨礦分級 控制 技術研究 的 基礎上，針對目前礦山 磨礦分級存在的諸 多 問題，提出了本文的 主要 研究 內容與側重點并 整理 了本文的組織安排。 5 第二章 磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)工藝流程及方案設計 南方某鉭鈮礦建于上世紀七十年代，是我國目前規(guī)模最大的鉭鈮采選企業(yè)和鉭鈮鋰原料生產(chǎn)基地，礦床含鉭鈮鋰銣銫等多種金屬，具有開采條件好，儲量大，有用金屬多，綜合利用價值高的特點，為國內外同行矚目。但目前卻受到無法長 時間 穩(wěn)定生產(chǎn)的困擾，主要原因是礦石性質的變化以及人工操作不能及時對生產(chǎn)不穩(wěn)定因素做出反應，導致 選礦廠流程穩(wěn)定性差 ， 更無法快速適應因原礦 的塊粉礦搭配比例變化時新的選別流程的穩(wěn)定， 最終 導致原礦處理量以及最終產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量無法得到保障和提高，通過引入自動化控制系統(tǒng)，對磨礦生產(chǎn)過程進行優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理，保證磨礦系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定和高效，實現(xiàn)選廠生產(chǎn)磨礦處理能力最大化。 磨礦分級自動控制系統(tǒng)工藝流程 選礦生產(chǎn)過程中的 重要 環(huán)節(jié)是磨礦分級，控制好磨礦過程 能夠使能耗降低 、 最終產(chǎn)品的 產(chǎn)量和 質量提高 。磨礦過程的目標是通過 改變 給水量和給礦量，使磨機的臺時產(chǎn)量達到最 優(yōu)，并且使 分級的濃度和溢流粒度滿足要求。在磨礦分級過程中，給礦量、原礦 的 性質、磨機 的 排礦量、分級機 的 返砂量、返砂水量、磨機 的 轉速、介質充填率 、 礦石充填率、襯板狀況及球荷比等 可以 影響磨機 的 產(chǎn)量 以 及分級機溢流濃度和粒度 。由于 上述 各種 因素的多變性 和 隨機性增加了磨礦分級 過程的 控制 難度。 外部條件有 原礦性質 、 磨機 的 轉速、球荷情況及襯板狀況， 對于這些因素， 只能遵守客觀事實，自動控制系統(tǒng)無法調節(jié)。 可 是，如果 完全排除 上述 情況來實施控制，顯然是不 可 行的。 由于 原礦性質隨時都 有 變化 的 可能 ，任何變化都 會 導致 破壞 系統(tǒng) 平衡狀態(tài) 。所以能夠自動分析原礦性質的變化，并作出相應調整 是必須 控制系統(tǒng) 的一個功能 [12][13]。下圖 是 磨礦分級工藝圖。 圖 磨礦分級工藝圖 6 給礦量工藝流程 由工藝要求可得， 在下位機內設定礦量的給定值，核子秤測 得 的瞬時值 作為 檢測值，將檢測值與給定值進行比較， 如 果存在 偏差， 由下位 機將信號輸出至變頻器進行調節(jié)， 通過 改變給礦電機 的 轉速 從而使礦量改變，將檢測值與給定值的偏差消除 。 在下一時刻，繼續(xù)執(zhí)行這一過程，從 而使給定值與檢測值的偏差最小 ， 使系統(tǒng)能夠正常運行 。球磨機內負荷 與電流變送器的輸出信號的關系如圖 ，在本系統(tǒng)中，球磨機工作過程的磨機裝載量由電流變送器負責檢測。由圖 ，在初始狀態(tài)，礦石裝載量與磨機電流成正比，即電流變大，礦石裝載量越大。如果磨機內礦石的參數(shù)發(fā)生變化時，要求主機能及時修改設定值，而設定值的修改是通過電流變送器將信號輸?shù)街鳈C，改變變頻器的值，從而調整給礦量的大小，使磨礦的運行效率達到最高，一直 保持最佳充填率， 同時又不會出現(xiàn) “ 脹肚 ” 。同時由圖 可知，當磨機裝載量達到一定值時，磨 機電流將不會變大，如果繼續(xù)增大裝載量，磨機電流反而降低，把這一點作為臨界點，并應用實物進行標定，只要滿足電流信號大于臨界點即可以有效地防止“漲肚” [14][15]。如果電流值小于臨界值，則減小給礦量從而使電流信號變大，如果電流值大于臨界值，磨機正常運行。防止“漲肚”的另一種方法是檢測分級機的電流，調節(jié)磨機的工作狀態(tài)，如果磨機正常工作，分級機的返沙比很穩(wěn)定，如果有“漲肚”的趨勢時，則調節(jié)給礦量，從而使磨機恢復到正常的工作狀態(tài)。 調 節(jié) 器 變 頻 器 給 礦 量礦 流 量 檢 測給 礦 量設 定 值+ 圖 給礦量控制 系統(tǒng)設計目標 南方某鉭鈮礦一段磨礦自動化控制系統(tǒng)的建設目的是通過對磨礦進行檢視、控制和管理，進一步挖掘生產(chǎn)設備的潛能，穩(wěn)定工藝生產(chǎn)過程，穩(wěn)定并提高工藝技術指標；提高設備自動化，降低一線工人的勞動強度，降低系統(tǒng)維護成本，提高整體工作效率。 系統(tǒng)設計原則 南方某鉭鈮礦磨礦 分級過程 控制系統(tǒng) 本 著以下設計原則 進行設計 ： 系統(tǒng)的可靠性原則 為了使自動化系統(tǒng)在滿足工藝要求基礎的情況下能夠實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行，并且具有抗各種干擾的能力，滿足電磁兼容性和安全性的要求；所提供的系統(tǒng)軟件是當今國際計算機控制領域公認的 、穩(wěn)定可靠的、工業(yè)標準的實時操作系統(tǒng)和相應的系統(tǒng)軟件；系統(tǒng)配置的通信網(wǎng)絡、過程控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和標準的商用軟件具有高容錯能力；所提供的設備符合工業(yè)標準。所有部件具有較強的抗電磁及無線電干擾能力；整個綜合自動化系統(tǒng)分成三 7 級網(wǎng)絡（設備網(wǎng)、控制網(wǎng)、信息網(wǎng)），各層網(wǎng)要求能夠獨立運行，各層網(wǎng)之間要求隔離，隔離通過網(wǎng)關來實現(xiàn)，保證綜合自動化系統(tǒng)的獨立性和安全性。 系統(tǒng)的先進性原則 由于計算機控制技術迅速發(fā)展，所提供的系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件是當時最先進的產(chǎn)品和成熟的最新版本軟件，當更先進和成熟的產(chǎn)品和軟件版本出現(xiàn)時，能 與所提供的產(chǎn)品和軟件保持兼容。保證所提供的系統(tǒng)在本領域中有應用業(yè)績。 系統(tǒng)的易維護性原則 系統(tǒng)具有易于維護，操作簡便的特點。 系統(tǒng)的可擴展性原則 系統(tǒng)具有靈活的擴展能力。以保證在工廠擴建或改造時，滿足工廠對控制系統(tǒng)的擴容要求。除了系統(tǒng)的硬件的要求外，系統(tǒng)軟件和應用軟件具有靈活的擴展能力。 系統(tǒng)的開放性原則 控制系統(tǒng)采用開放的網(wǎng)絡體系結構，符合 ISO 的有關通信標準，方便系統(tǒng)擴充。 系統(tǒng)的完善性原則 控制系統(tǒng)是完整的、可靠的、滿足技術要求的系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的硬件、軟件的完整性和兼容性。 負荷原 則 整個系統(tǒng)包括現(xiàn)場儀表、一次元器件、控制單元、工程師站、操作站、管理終端、網(wǎng)關、通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)等，其負荷都不超過其硬件、軟件能力的 60%。 技術標準與規(guī)范 本次方案設計依據(jù)中國現(xiàn)行的各項有關規(guī)程、規(guī)范及地方有關規(guī)定。依照的主要規(guī)范及標準如下： 自動化儀表選型規(guī)定 HG2050792 工業(yè)自動化儀表用電源、電壓 GB336882 工業(yè)自動化儀表用氣源壓力范圍和質量 GB483084 工業(yè)自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范 GB50093－ 20xx 不間斷電源設備 GB726087 《計算機軟件產(chǎn)品開發(fā)文件編制指南》 GB 856788 《工業(yè)控制用軟件評定準則》 GB/T134231992 系統(tǒng)接地的型式及安全技術要求 GB14050－ 93 磨礦分級過程 自動控制系統(tǒng) 總體 設計 磨礦自動控制系統(tǒng)總體設計方案 根據(jù)南方某鉭鈮礦選礦廠的工藝特點，把選礦 廠 自動控制的重點放在提高棒磨機的磨 8 礦效率和產(chǎn)品質量上，在穩(wěn)定磨礦細度前提下盡最大可能提高磨機的處理能力。磨礦分級過程自動控制包括給礦量的自動控制，棒磨機磨礦濃度控制，棒磨機的音頻檢測，棒磨機的功率檢測，實現(xiàn)智能 給水、給礦及磨機工況的自動分析、歷史資料歸檔、事故報警、故障判斷、故障保護等。 由于入磨原礦性質及粒度的變化、供水水壓的波動等因素會對磨礦分級生產(chǎn)過程造成經(jīng)常性的甚至是大幅度的擾動，在人工操作的條件下很難及時發(fā)現(xiàn)并克服這些擾動，及時調整操作條件（如磨機給水量、給礦量、泵池補加水量、砂泵轉速等）。磨礦自動控制系統(tǒng)很容易造成磨機的過負荷（即磨機 “ 脹肚 ” ）或欠負荷，泵池礦漿外溢、泵喘振，致使磨礦分級生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，不僅影響磨機產(chǎn)量和分級溢流粒度達不到工藝要求，也直接影響后續(xù)選別流程的穩(wěn)定，影響最終產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量 [16][17]。針對 南方某 鉭鈮礦選礦廠磨礦工藝流程的特點，磨礦生產(chǎn)自動控制的關鍵是： ① 磨機介質充填率符合工藝要求的前提下，控制磨機的給礦量，使磨機內的礦石裝載量始終在合適的范圍內，防止磨機過負荷（即俗稱 “ 脹肚 ” ）或欠負荷，在保證磨礦出口粒度及后續(xù)選別流程容量允許的條件下適當提高磨機的處理量。 ② 磨機內的礦漿濃度（即磨礦濃度）控制在工藝要求的范圍內。 ③ 一段泵池泵出口濃度控制在工藝要求的范圍內。 磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)流程圖如圖 所示。 圖 磨礦分級過程自動控制系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)在主廠房主控 室設置工程師站 1 臺，設置操作員站 1臺。上位機系統(tǒng)與控制器采用 100MHz 以太環(huán)網(wǎng)，通過工業(yè)交換機連接。 PLC 系統(tǒng)的控制器采用了 S7400 控制系統(tǒng)，