一種用于多給料機的磨機智能給礦控制方法

王慶凱，鄒國斌，趙建軍，徐 寧，王寶勝，謝敏熊

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點實驗室，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，隨著選礦廠生產(chǎn)規(guī)模的擴大，為了保證磨機給料可靠和連續(xù)，通常配置多個大容量的礦倉和多臺給料機；為了保證磨機給料平穩(wěn)，通常在進入磨機的給料皮帶上安裝皮帶秤，檢測磨機入礦量，通過手動控制、單回路閉環(huán)控制及智能控制算法來實現(xiàn)磨機給礦的閉環(huán)控制。

手動控制即操作人員根據(jù)礦量實時測量值手動調(diào)整給料機的開關(guān)數(shù)量和每個給料機的下料量，該控制方式需要操作人員始終關(guān)注礦量波動，勞動強度大且調(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，在控制單臺給料機時，該方法基本上可以穩(wěn)定磨機給礦量［1－2］；目前國內(nèi)外也針對上述過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給礦系統(tǒng)的大滯后給控制效果帶來的負面影響，控制的精度更進一步得到了提升。上述控制算法都未考慮到礦倉內(nèi)部礦料長久不運動導(dǎo)致的板結(jié)情況和多個給料機切換帶來的礦量波動，未能有效緩解生產(chǎn)故障，未能實現(xiàn)磨機給礦的精細化控制。

因此，針對多個給料機的磨機給料過程開發(fā)智能控制算法，對實現(xiàn)生產(chǎn)安全和穩(wěn)定磨礦過程均具有重要意義。

1 智能給礦控制需求

典型的磨礦給礦過程見圖1。為了保證礦倉下料均衡，通常在礦倉的不同位置設(shè)置多個給料機，多個給料機的礦量匯總到一條給礦皮帶進入磨機。給礦皮帶上安裝皮帶秤檢測實時礦量，通過調(diào)節(jié)給料機或者皮帶配置調(diào)速裝置實現(xiàn)給料量連續(xù)可調(diào)。

圖1 典型多給料機的磨機給礦流程

實際生產(chǎn)過程中，進入礦倉的礦石含5%左右水分，某一區(qū)域的礦石長時間不動作時容易板結(jié)，導(dǎo)致給料機無法下料；粉礦倉礦量和礦倉料位高度會隨著給礦和排礦實時變化，各個給料機給料能力有差異；各給料機和電子皮帶秤距離不一樣，導(dǎo)致控制滯后時間不同；給料設(shè)備非正常損壞，導(dǎo)致短時間無法下料；因此智能給礦有下列需求：①循環(huán)布料：防止礦倉內(nèi)部物料板結(jié)；②時變性：克服礦倉內(nèi)部儲礦量變化造成的下料機給礦能力發(fā)生變化；③差異性：不同給料機給料能力不完全一致；④滯后性：給料機下料點和皮帶秤安裝位置的距離導(dǎo)致控制時間滯后；⑤突發(fā)性：給料設(shè)備機械故障、電氣故障及通訊故障等造成的異常狀況。

2 多給料機的磨機智能給礦控制策略

根據(jù)上述控制需求，設(shè)計智能給礦控制策略。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、料倉選擇模塊、無擾切換模塊、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化系統(tǒng)通訊，獲取過程數(shù)據(jù)并將控制值傳送給自動化系統(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；料倉選擇模塊依據(jù)權(quán)重選擇函數(shù)選定新的目標料口；無擾切換模塊完成料口切換過程的啟停與頻率設(shè)定控制；恒定給礦控制模塊根據(jù)礦量設(shè)定值實時調(diào)整給料機的輸出頻率。

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個給料口倒口料位Ls（i）（i＝1，．．．，n，下同）、第i個給料機倒口電流cs（i）、給料機倒口運行時間限tL、第i個給料機距離皮帶秤的距離di、第i個給料機的給礦能力pi、傳輸皮帶速度s。

2）通過與選礦自動化系統(tǒng)通訊，交互參數(shù)，獲取第i個給料口實時料位Lr（i）、第i個給料機運行電流cr（i），實時給礦量 wr，給礦設(shè)定值 ws等，將控制結(jié)果第i個給料機啟停命令字Rs（i）和運行頻率設(shè)定fs（i）傳送至自動化系統(tǒng)。

圖2 多給料機的磨機智能給礦控制策略框圖

3）根據(jù)實時參數(shù)與倒口規(guī)則，判斷是否需要倒口，若需要則定義該料口為Bu，并跳至步驟4），否則跳至步驟6）。

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

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

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

7）若控制方法繼續(xù)，跳至步驟2，否則結(jié)束。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

該控制策略用在了山東黃金集團下日處理量達8000t的金選礦廠，該選廠場粉礦倉下有8臺給料機，參考上述控制策略步驟，具體的參數(shù)設(shè)定和實施過程如下所示。

1）初始化模塊1，設(shè)定各控制參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，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)實際情況設(shè)定各給料機距離皮帶秤的距離｛24m，29m，33m，37m，24m，29m，33m，37m｝以及傳輸皮帶速度1．0m／s，給料機倒口運行時間限tL設(shè)定為3h。

2）通訊模塊2通過OPC方式與選礦自動化系統(tǒng)通訊，交互參數(shù)；根據(jù)自動化系統(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個給料口實時料位lr（i）、第i個給料機運行電流cr（i），實時給礦量w，給礦設(shè)定值ws；根據(jù)自動化系統(tǒng)的變量表及通訊規(guī)則建立寫數(shù)據(jù)變量列表，包括給料機啟停命令 Rs（i）和運行頻率設(shè)定fs（i）；數(shù)據(jù)讀寫周期為1s。

3）倒口判斷模塊3遍歷各運行中的給料機，根據(jù)倒口規(guī)則判斷需要停止的給料機，其判斷步驟包括：①若運行中的第i個給料機對應(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若運行中的第i個給料機的實際電流低于負載電流下限cs（i），則該給料機已經(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個給料口連續(xù)運行時間超過倒口運行時間限tL，則需將給料倒至其他口，Bu＝i，跳至步驟4；④若實際給礦量w明顯小于第i個給料機運行頻率與給礦能力之積，則說明該給料口已經(jīng)無法下料，需將給料倒至其他口，Bu＝i，跳至步驟4。

圖3 不同磨機給礦控制策略應(yīng)用效果

5）無擾切換模塊5控制給礦機的啟停時序控制及初始頻率設(shè)置，以實現(xiàn)倒口過程的礦量無擾，其步驟包括：①將恒定給礦控制暫時切換至手動狀態(tài)，避免切換過程中恒定給礦控制對給料機頻率進行調(diào)整；②計算新開給料機初始設(shè)定頻率；③判斷舊給料口與新給料口之間的空間位置；④等待延時時間，開啟新給料機或關(guān)閉舊給料機；⑤等待延時時間T后，將恒定給礦控制切換至自動狀態(tài)。

6）恒定給礦控制模塊6調(diào)整給料機的運行頻率，實現(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狀態(tài)，則維持給料機頻率不變；②若恒定給礦控制為自動狀態(tài)，且給礦誤差在死區(qū)范圍內(nèi)，維持給料機頻率不變；③若恒定給礦控制為自動狀態(tài)，且給礦誤差超出死區(qū)范圍，則將給料機頻率進行調(diào)整；④頻率調(diào)整后等待延時時間T后再進行下一次判斷和調(diào)整。

圖3展示了智能給礦控制、普通倒口控制（純PID控制）和手動倒口控制的效果對比。圖3中實線方框內(nèi)即為切換料倉時礦量的數(shù)據(jù)曲線。長時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，智能給礦控制系統(tǒng)的應(yīng)用可將倒口時的礦量波動減少80%以上。

4 總結(jié)與展望

本文針對多給料機的磨機給礦過程，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給礦時變性、差異性、滯后性和突發(fā)性等問題，避免了礦倉內(nèi)礦料板結(jié)，實現(xiàn)了多個給料機的無擾動切換，穩(wěn)定了磨機給礦量。

［1］ 郭振宇，趙浩，劉繼明，等．城門山銅礦選礦過程DCS系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］．有色金屬工程，2012（5）：49－51．

［2］ 楊樹亮，范凌霄，嚴凡濤，等．磨礦自動化控制系統(tǒng)在赤峰某鉬礦的應(yīng)用［J］．有色金屬：選礦部分，2012（4）：67－70．

［3］ 蘭嵐，徐文立，姜偕富，等．具有純滯后的皮帶配料系統(tǒng)控制器設(shè)計與應(yīng)用［J］．系統(tǒng)工程理論與實踐，2004（8）：107－100．

［4］ 申曉良．自動化在磨礦分級控制中的應(yīng)用［J］．中國礦山工程，2012（6）：33－35．

［5］ 胡博．磨礦自動控制系統(tǒng)在廣東大頂?shù)V業(yè)的應(yīng)用［J］．南方金屬，2012（8）：27－30．