基于自适应模糊PID控制的选矿药剂自动配制系统的研究与应用.pdf

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2 0 1 7 年第3 期 有色金属 选矿部分 9 1 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 6 7 1 - 9 4 9 2 .2 0 1 7 .0 3 .0 1 9 基于自适应模糊P I D 控制的选矿药剂自动配制 系统的研究与应用 袁逊,徐天宏,庞贵金,张美义,甘桂裕 广西冶金研究院,南宁5 3 0 0 2 3 摘要为提高选矿厂的自动化水平,解决以往酸化水玻璃溶液配制存在的配制精度低、浓硫酸的使用危险度高对选矿 生产造成影响,对配制操作人员造成人身安全威胁等问题,广西冶金研究院研制了基于自适应模糊P I D 控制的酸化水玻璃自 动配制系统,应用实践表明,该系统具配比精度高、易操作、节省配制原料等优点,可将配制操作工从危险工作环境解放。同 时也显著提高了选矿厂经济效益和社会效益。 关键字选矿;模糊P I D 控制;自动配制 中图分类号T D 9 2 8 .9文献标志码i A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 0 3 - 0 0 9 1 - 0 3 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fA u t o m a t i cA r r a n g e m e n tS y s t e mo fM i n e r a lP r o c e s s i n g P h a r m a c yb a s e do nC o n t r o lA d a p t i v eF u z z yP I D Y U A NX u n ,X UT i a n h o n g ,P A N GG u i j i n ,Z H A N GM e i y i ,甜ⅣG u i y u G u a n g x iR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM e t a l l u r g y ,N a n n i n g ,5 3 0 0 2 3 ,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt o i m p r o v et h e a u t o m a t i o nl e v e l so ft h ec o n c e n t r a t o ra n ds o l v et h ep r o b l e mt h a tt h e p r e p a r a t i o np r e c i s i o no fa c i d i f i e ds o d i u ms i l i c a t es o l u t i o ni sl o wa n dt h eu s eo fc o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i di sr i s k . H a v i n ga ni m p a c to nt h es e l e c t i o no fm i n e r a l s ,a n dt h ep r e p a r a t i o no fo p e r a t i n gp e r s o n n e lr e s u l t i n gi np e m o n a ls a f e t y t h r e a t s .I nt h i st e x t ,a na u t o m a t i ca c i d i f i c a t i o ns o d i u ms i l i c a t ea u t o m a t i cp r e p a r a t i o ns y s t e mb a s e do na d a p t i v ef u z z y P I Dc o n t r o l ,w h i c hw a si n t r o d u c e df o rG u a n g x iR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM e t a l l u r g y .T h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w st h a t t h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ,e a s yo p e r a t i o na n ds a v i n go fr a wm a t e r i a l s ,a n dt h ep r e p a r a t i o no f t h eo p e r a t o ri sr e l e s e df r o mt h ed a n g e r o u sw o r k i n ge n v i r o n m e n t .B u ta l s oi ts i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h ee c o n o m i c e f f i c i e n c ya n ds o c i a lb e n e f i t so ft h ec o n c e n t r a t o r . K e yw o r d s m i n e r a lp r o c e s s i n g ;f u z z yP I Dc o n t r o l ;a u t o m a t i cp r e p a r a t i o n 选矿厂在配制酸化水玻璃溶液操作中,一直以 来主要采用人工配制为主。传统人工配制存在着效 率低、成本高、无法确保配比精度且浓硫酸的使用存 在高危险陛等问题。随着工业的发展,为了满足选 矿厂的现代化生产,提高生产效率,同时又要保证生 产质量,广西冶金研究院针对选矿该过程研制了一 套基于自适应模糊P I D 控制的酸化水玻璃溶液自动 配制系统。 该系统的研制与应用有效解决了该过程在传统 方法配制时,高风险、低精度、高成本等问题。不仅 带来了生产与社会效益,还为企业生产管理提供了 有力保障。 收稿日期2 0 1 6 .1 2 1 5修回日期2 0 1 7 - 0 3 1 0 作者简介袁逊 1 9 8 7 一 ,男,云南个旧人,硕士,讲师。 1 酸化水玻璃溶液配制控制方案 在选萤石矿过程,酸化水玻璃对矿石中的S i O 起到了很好的选择性抑制作用及脆性化消泡作用。 该溶液有效改善了浮选泡沫特性,强化了泡沫的二 次富集作用。溶液的配制以浓硫酸、工业用水玻璃 与水为原料,按实际所需比例浓度进行比例配制。 在实际中,配比比例还需要根据不同的矿种与原矿 品位进行多种比例溶液的配制。为了适应大范围的 比例配制,本系统在上位机可设置任意比例溶液配 制。并根据不同的原料,按计流量与计重量控制所 需原料量。 配制过程为1 水玻璃与浓硫酸原料用量的控 万方数据 9 2 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第3 期 制;2 水玻璃与浓硫酸的按比例稀释搅拌;3 两种原 料稀释后的比例混合搅拌配制。 本系统以西门子P L C - 2 0 0 为主控器,以及计量、 检测和显示等设备共同组成。系统主要分三部分组 成原料的给定量模糊控制、过程报警提示系统的设 计、实时与历史生产数据报表系统一览表的设计,如 图1 所示。 数据报表 图1 溶液配制结构图 F i g .1 S o l u t i o np r e p a r a t i o ns t r u c t u r a ld r a w i n g 水玻璃与浓硫酸的原料按量给定环节中,考虑 到水玻璃为易结垢性原料,而浓硫酸为高腐蚀性原 料。为了保证在原料的按量给定环节,既要做到给 量精准,同时又要做保证控制传感器经久耐用。本 设计采用的是,以称重方式计量给定量。水以计体 积方式进行给定量计量控制。同时,在根据给量受 环境、来料流量压力与设备安装条件等干扰因素的 影响,本设计采用模糊P I D 自整定控制进行缜密计 算,让系统配比精度更为精准。 1 .1 溶液配制P I D 控制的优缺点 P I D 控制具原理简单,稳定可靠,在工业环境中 使用较为广泛。但传统P I D 控制在复杂,多干扰的 环境下仍存在着多处不足。主要表现在原料的计量 过程受供料流量压力,关阀时间等影响,若是按固定 值供料,P I D 输出则稳定不变,实际最终计量到的原 料往往与所需量有较大偏差。解决办法只能为每次 都进行人为调整P I D 参数,每次均调整P I D 参数不 仅工作繁琐,而且在生产中一旦未及时发现配比精 度失准,还将造成原料的严重浪费与后续选矿生产 的影响。所以在实际生产中每次进行参数调整并不 现实,传统P I D 控制也在本系统中并不适用。 1 .2 溶液配制模糊控制的优缺点 模糊控制是将模糊数学与人类思维模仿相结合 的一种过程控制体现。不管是线性还是非线性控制 中,模糊控制都能实现较为可观的控制效果,在各种 情况下都拥有良好的适应性与鲁棒性。该种控制可 将每次所需的原料量经过模糊处理后,在最终的干 扰环境中得到较为准确的实际计量原料量。 在本系统中,仅仅依靠模糊控制进行调节,尚未 构成精确闭环控制,精度还是受到制约,属于有差 调节。 针对系列问题,本系统控制将P I D 闭环控制与 模糊控制结合起来,构成模糊自整定P I D 控制器对 控制参数输出进行监控,再经处理后得到符合本系 统所需的性能指标。同时建立专家调整知识调整规 则i f - t h e n 模型,经过模糊逻辑推理,实时调整P I D 参 数,使P I D 控制器适应被控对象的变化,就可获得良 好的控制性能,有效提升了酸化水玻璃溶液的配比 精度。 1 .3 模糊P I D 控制器的基本形式 模糊自整定P I D 控制器以偏差e 和偏差变化率 e c 作为输入,通过模糊控制规则进行P I D 参数的校 正,满足了e 和e c 对P I D 参数自整定的要求。其结 构如图2 所示 图2 模糊自整定P I D 控制系统结构图 F i g .2F u z z ys e l f - t u n i n gP I Dc o n t r o ls y s t e m s t r u c t u r a ld r a w i n g 2 溶液配制模糊P I D 控制器设计 采用二维模糊控制器结构形式,模糊自整定P I D 控制系统如图3 所示。 汁量偏差绿 e c ,囵 比例调节参数 j ,p 圆 积分调节参数 嵇 \、囵 微分调节参数 K d 图3 模糊自整定P I D 控制系统图 F i g .3F u z z ys e l f - t u n i n gP I Dc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 图3 中e 、e c 分别为原料计量偏差e 与偏差变化 率e c ;蜘、K /、K d 为P I D 控制器参数修正量。 2 .1 模糊控制器的设计 首先选定M a m d a n i 控制器,将P I D 的 砀,尉, 尉 作为模糊控制器的输出量,偏差e 和偏差变化率 e c 作为模糊控制器的输入量。设定输入变量e 和e c 凰圆 万方数据 2 0 1 7 年第3 期袁逊等基于自适应模糊P I D 控制的选矿药剂自动配制系统的研究与应用 9 3 的模糊子集为{ N B ,N S ,Z E ,P S ,P B } ,将偏差e 和偏 差变化率e c 量化的 一3 ,3 区域内。设定输出量 印,彪,尉 的模糊子集为{ B ,肘,S } ,并将其量化到 0 ,3 区域内,输入输出量均服从三角函数分布。 考虑偏差、偏差变化及控制量的正负性,选取语 言变量值为7 个船 正大 、朋 正中 、朋 正小 、 z 零 、Ⅳs 负小 、N M 负中 、N B 负大 。因此,模 糊子集可表示为{ N B ,N M ,N S ,Z ,P S ,肼,船} 。e 与 e c 的语言值分别有7 个,按排列组合计算,有4 9 条 模糊控制规则,见表1 。 表1模糊控制规则表 T a b l e1 F u z z yc o n t r o lr u l e s zN MN MN SzP SP MP M 2 .2P I D 控制器的设计 在P I D 控制器这个环节中一共5 个输入量,分 别是偏差e 和偏差变化率e c ,还有 印,K i ,K d ,1 个 输出即为控制量U 。 2 .3 利用S i m u l i n k 对控制系统进行仿真 在利用S i m u l i n k 对系统进行仿真中,为了使结 果更为精准,加人了量化因子K e ,K e c ,U p ,U d ,U i 。 建立符合要求模糊控制器和P I D 控制器,并将模糊 控制器和P I D 控制器进行封装,得到适用于本系统 得自适应P I D 模糊控制器。如图4 所示 图4 自适应模糊P I D 控制器 F i g .4A d a p t i v ef u z z yP I Dc o n t r o l l e r 在自适应模糊P I D 控制器中,当输入为所需浓 硫酸原料量理想值1 .3k g 时,最终阶跃响应曲线如 图5 所示 验证水玻璃同理 。 从图5 可知,最终能得到一个趋向稳定、精确的 理想结果,证明白适应模糊P I D 控制器适用于本 系统。 ∞ 蠢 媾 装 时间/s 图5 输出阶跃响应 F i g .5O u t p u tt h es t e pr e s p o n s 3 过程报警提示系统的设计 在生产应用过程,为了提高生产效率,减少仪器 设备在生产应用中故障中,人为逐一排查检修带来的 生产停滞、工作量繁琐等问题。在研制过程经过全面 考虑,在各个控制与检测环节加入了报警提示系统。 在生产中,任何环节出现故障或异常,系统将自 动启动远程报警提示,精确故障报警位置 如图6 。 让维修人员能迅速找到故障源,以最快速度恢复正 常牛产。 酸化水玻璃溶液搅拌器故障,请检查设备 确认 I 图6 故障报警提示 F i g .6 | 1 1 ;- I t i I la l a r I I I 4实时与历史数据报表系统 考虑到节省原料,杜绝多产浪费,少产供给不足 等问题的出现。本系统设计了实时生产数据统计报 表,不仅在触摸屏上实时监控生产量数据,还在生产 车间显眼空旷处安置了红色L E D 大屏实时显示生产 量,如图7 所示。 图7 生产数据实时监控 F i g .7 R e a l t i m em o n i t o r i n go fp r o d u c t i o nd a t a 下转第9 8 页 万方数据 9 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第3 期 碳酸钠与硫化钠共同作用以后,异极矿表面的硫原 子含量为2 .2 9 %,没有检测出碳原子含量,同时硅原 子含量由1 6 .5 4 %降低到1 1 .4 6 %,与单一的硫化钠 作用相比,异极矿表面的硫原子含量增加了1 .0 6 %, 同时,异极矿表面的形貌则有大量致密稳定的“雪花 状”物质形成,由此可以说明异极矿经过碳酸钠与 硫化钠共同作用后,生成的“类碳酸锌”新物质能够 很好的被硫化,生成稳定的硫化膜,实现相变活化 浮选,从而提高异极矿的浮选回收率。 3 虽然无机钠盐 碳酸钠与硫化钠 可以联合活 化异极矿,产生协同效应,提高异极矿的上浮率,但 如何提高异极矿的硫化反应速率,降低药剂的消耗, 尽可能提高异极矿的浮选回收率则是下一步的研究 重点。 参考文献 [ 1 ] 奚牲.世界铅锌资源开发现状及其利用[ J ] .中国金属 通报,2 0 0 9 ,3 7 3 2 3 3 . [ 2 ] 毛素荣,杨晓军,何剑,等.氧化锌矿浮选现状及研究 进展[ J ] .国外金属矿选矿,2 0 0 7 4 4 石. [ 3 ] 李勇,王吉坤,魏昶,等.氧化锌矿处理的研究现状 [ J ] .矿冶,2 0 0 9 ,1 8 2 5 7 - 6 3 . [ 4 ] 张祥峰.异极矿浮选理论与工艺研究[ D ] .长沙中南大 学,2 0 1 2 . [ 5 ] 尹杏.异极矿热力学数据的测定研究[ D ] .长沙中南 大学,2 0 1 1 . [ 6 ] 李明晓.基于循环经济的低品位难处理氧化锌矿选冶联 合新工艺研究[ D ] .昆明昆明理工大学,2 0 1 1 . 上接第9 3 页 为了让生产管理者能更好的进行统计每个月的 用料量、生产量,本系统还设计了完善的历史数据统 计报表。为生产管理者提供了有效生产管理保障, 保证了按需生产、杜绝了多产浪费。 5应用效果 在云锡卡房选矿厂以往的人工计量配制过程, 往往误差达到5 %以上,配比精度始终无法达到工艺 的要求,不仅对生产造成了影响,还导致了药剂的严 重浪费。在本系统的研制成功与投产后,实际生产 一次配比误差小于1 .5 %,各项指标均得到了质的飞 跃,如表2 。 表2 T a b l e2 生产数据 p r o d u c t i o nd a t a 经实际统计分析,本系统的投产,可为选矿企业 每年在减少人力成本、节约药剂以及增产收入等方 面带来1 0 0 多万的直接经济效益。 6结论 基于自适应模糊P I D 控制的酸化水玻璃自动配 制系统具操作简单,系统稳定,不仅降低了操作工的 劳动强度,配制精度还极为精准。目前该系统已在 云锡卡房选矿厂调试成功并投入使用,企业经济效 益与社会效益尤为可观,在行业内具有极高的推广 价值。 参考文献 [ 1 ] 陈丽兰.模糊P I D 调节器的控制策略研究[ J ] .工矿自动 化,2 0 0 1 2 1 3 一1 4 . [ 2 ] 张燕红.模糊自适应P I D 参数自整定控制器的研究[ J ] . 工业控制计算机,2 0 1 2 ,2 5 8 5 8 - 5 9 . [ 3 ] 周俊武,徐宁.选矿自动化新进展[ J ] .有色金属 选 矿部分 ,2 0 1 1 增刊1 4 7 - 5 4 . [ 4 ] 苏伟,董继先,樊联哲,等.自动控制与检测技术在选 矿过程中的应用[ J ] .有色金属 选矿部分 ,2 0 1 5 1 8 6 - 9 0 . [ 5 ] 于岸洲,张颖新,王建业,等.P I D 控制系统设计及其选 矿应用实践[ J ] .有色金属 选矿部分 ,2 0 1 1 增刊1 2 5 4 2 5 7 . 万方数据
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