智能化磨矿分级的发展趋势.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 l 一9 4 9 2 ．2 0 2 1 ．0 1 ．0 1 6 灶 智能化磨矿分级的发展趋势 钰Ⅲ，刘丹Ⅲ，孙若凡1 ～，张本日L2 ，郭 锐L2 ，余龙舟3 1 ．省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，昆明6 5 0 0 9 3 ； 2 ．昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ； 3 ．云南阿姆德电气工程有限公司，昆明6 5 0 0 3 3 摘要磨矿分级在选矿工艺巾处丁十分关键的地位．其效率高低直接影响到选矿厂最终的经济和技术指标能否在磨 矿分级过程巾对各个数据进行精准控制，对丁实际生产有很大的影响。但磨矿分级过程存在扰动大、1 F 线性、时变性强等影 响凶素，采用传统的控制理沦难以达到期望的效果。凶此，通过分析磨矿分级过程巾的影响凶素，结合我国磨矿工序的牛产 指标以及矿产特点．引入智能控制策略，对磨矿分级作业进行优化控制，进一步提高磨矿分级在实际应用方面的牛产效果。 关键词选矿自动化；磨矿分级控制；智能化 中图分类号T D 9 2 1 ．5 ；T D 9 2 1 ．6文献标志码A 文章编号1 6 7 l9 4 9 2 2 0 2 1 o l0 0 9 50 6 D e v e l o p m e n tT r e n do fI n t e l l i g e n tG r i n d i n gC l a s s i f i c a t i o n D U Y H l ～，L I UD n 7 l l ～，S U NR u t f n n l 一，Z H A N GB e n y 托e l “， G U o R M i l 一，Y UL n g h n i | 工．S f “f PK e 了L “6 ，r “f o r ．yo 歹’ 0 7 n p f e ．rN o n 厂e r r M sM e t “￡R e s o M r 、e s C Z P 以”L k i Z 芝“f o 钾，K “”7 wi ”冀6 5 D 0 9 3 ，C 厶z 7 1 “； 2 ．F H c u I t yofL n n c 王R es o M r c e sE l g i n e e r i n g ，K u n n i n gU n i 勘e r s l t yO } S ’i e 姐c e 醴“ 矗T e c ，L n o f o g 了，K ““ ，H i “ g6 5 0 0 9 3 ， ，L i “ “； 3 ．Y k ”门“7 2A 7 姐“矗PE Z P f ￡r j c “ZE 订g i n P P r i7 2 9C 0 7 姐．p “”y ，K M “ 7 “ i 订g6 5 3 3 ， 矗i7 2 醴 A b s t r a c t T h eg r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i 。np l a y sak e yr o l ei nm i n e r a l1 r o c e s s i n g ， a n di t se f f i c i e n c y d i r e c t l va f f e c t st h ef i n a le c o n o m i ca n dt e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h ec o n c e n t r a t o r ． W h e t h e rt h ed a t ac a nb e a c c u r a t c l yc o n t r 0 1 l c di nt h cg r i n d i n gc l a s s i f i c a t i o np r o c c s sh a sag r c a ti m p a c t o nt h ca c t u a lp r o d u c t i o n H 。w e v e r ，t h eg r i n d i n gg r a d i n gp r o c e s sh a si n f l u e n t i a lf a c t o r ss u c ha s1 a r g ed i s t u r b a n c e s ，n o n1 i n e a r i t ya n d s t r o n gt i m cv a r i a b i l i t v ． I ti sd i f f i c u l tt oa c h i c v ct h cd e s i r e dr c s u l t su s i n gt r a d i t i o n a lc o n t r o lt h c o r y ． T h e r e f o r e ，b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r si nt h ep r o c e s so fg r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i 。n ，c 。m b i n e dw i t ht h e p r o d u c t i o ni n d e xo fg r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i o n i no u rc o u n t r ya n dt h cc h a r a c t c r i s t i c so fm i n c r a l ， t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yi si n t r o d u c e dt oo p t i m i z et h ec o n t r o lo fg r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i o n ． I tc a nf u r t h e r i m p r o v et h cp r o d u c t i o nc f f e c ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ． K e yw o r d s m i n e r a lp r 。c e s s i n ga u t o m a t i o n ；g r i n d i n gc l a s s i f i c a t i 。nc o n t r 。l ；i n t e l l i g e n t i z e 自动化技术有一个动态发展的过程，2 0 世纪4 0 年代初期，自动化技术开始发展，当时自动化的功能 目标是代替人体力劳动，但是由于控制技术与传感器 的技术限制，自动化技术并没有被T 业重视，发展非 常缓慢口] 。在2 0 世纪6 0 年代，自动检测仪器仪表的 成功研制，如矿浆p H 计、浓度计等，使得自动化技术 得到大范罔的应用与普及2 I 。随着计算机和智能控 制技术的发展，新的检测仪器的出现，比如粒度分析 仪、在线品位分析仪等，以及新一代的理论控制方法一 智能控制被提出，国外一些选矿企业将磨矿分级控制与 企业管理结合在一起，比如南非的M I N T E K 公司、美国 西弗吉尼亚选煤厂等∽J ，通过优化控制方法和应用新设 收稿日期2 0 2 00 2 l o 作者简介杜钰 1 9 9 6 ，男，汀苏靖汀人，硕士研究牛，主要从事选矿设备自动化研究。 万方数据 9 6 有色金属 选矿部分 2 0 2 1 年第1 期 备将磨矿过程的智能化控制发展往前更推进一步。 1传统磨矿分级控制系统 磨矿分级位于选矿的中间T 序，是选矿过程中 对控制系统要求较高的工序，磨矿分级控制系统的 好坏与下一段选别T 艺的效果好坏直接关联Ⅲ。传 统的磨矿分级系统主要是存磨机的基础上加入分级 机，分级机根据矿石颗粒大小不同、沉降速率不同， 将不满足细粒级要求的矿石颗粒筛选返回磨机巾再 磨，传统的磨矿分级系统如图1 所示㈣。 返 砂 图l传统的磨矿分级系统示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a m 。fac 。n v e n t i o n a l g r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i o ns y s t c m 传统磨矿分级系统已具备自动给矿、电子称重、 自动加球、自动加水、检测控制等功能，如2 0 1 7 年在马 钢集团姑山矿业公司和睦山选矿厂进行的自动化升 级改造，将铁精矿品位由改造前的6 4 ．8 2 ％提高到了 6 5 ．1 6 ％∽。但由于采用的控制方法较为传统，对于整 个磨矿系统中非线性和多变性的问题不能很好地做 m 合适的决策H J ，无法对T 艺流程进行自主优化调节 图2 ，所以当系统中大扰动发生时就会出现响应不 及时甚至没有响应的情况，这对于整个磨矿分级系统 以及后续工艺的消极影响十分巨大口] ，同时传统的磨矿 分级系统采用了较多的继电保护器以保障机器运转的 安全，但同时也提升了整个系统线路连接的复杂性，这 对于整个系统的维护检修造成了很大的困扰∽。1 0 J 。 图2 传统磨矿电气控制示意图 F i g ．2 S c h c m a t i cd i a g r a mo fc l c c t r i c a l c o n t r 。1o fc o n v e n t i o n a lg r i n d i n g 2 智能化磨矿分级系统研究 智能化磨矿分级系统包括两个方面软件智能 化和硬件智能化。软件智能化包括智能控制理论和 数字化设备仿真器的应用；硬件智能化包括生产过 程检测分析与设备的综合保护、工业物联网的建立 等。较好的实现磨矿分级智能化是将硬件与软件有 机结合，实现初步的装备智能化u “。 2 ．1 磨矿分级软件智能化 目前运用于磨矿分级系统的智能化控制理论主 要有模糊P I D 控制、神经网络控制以及专家系统 控制。 1 模糊P I D 控制。传统的P I D 控制是将系统输 出经过比例、积分、微分三个数学模型，叠加到输入 巾，从而达到控制系统的行为口2 I ，虽然方便简单，但 有着精度低、抗干扰能力弱的缺点，对于磨矿分级中 存在的影响因素和扰动适应性很差。而模糊P I D 控 制将误差量e 和误差变化率盯作为算法巾的输入， 通过误差量e 的大小变化，对算法中的K 声、K i 以及 K 。，进行调节，实现动态适应的能力u ⋯。 2 专家系统控制。专家系统控制的主要思想就 是通过收集大量熟练工人和专家对磨矿分级流程的 案例和经验，建立数据库u ⋯，在磨矿分级过程中将期 望值作为输入，设立边界条件，经过人工智能的检 索，在数据库中寻找合适案例进行整个磨矿分级流 程的参数修正以及优化一。 3 神经网络控制。神经网络控制是模拟人脑神 经元结构的一种算法，通过大量功能简单的单元构 成网络系统，能将信息分布式储存和协同处理，实现 非常复杂的数据计算口61 7 j ，神经网络最大的特点就 是能够进行复杂的自动学习。在磨矿分级系统中， 建立输入层、可选隐含层、输出层，将给矿量、补加水 量、返砂量等参数作为输入，磨机的最优效率作为输 出值，当节点输出与预期值不同时，神经网络系统就 会通过改变隐含层的权重分配方式进行自动学 习一1 8 。，最后得到最优参数数据。这种方法能够很好 地避免大系统中的延时滞后和扰动带来的影响。 2 ．1 ．1 基于神经网络专家系统的磨矿分级系统 针对磨矿分级流程中参数的复杂性、不同情况 下进行决策的多样性以及滞后性的特点，可将神经 网络与专家系统相结合，充分融合两种算法的优点。 专家系统对于磨矿分级过程中的知识、经验都有记 录，可以将系统中的纯逻辑推理部分分配给专家系 统。神经网络具有较强的学习和自适应能力，运用 神经网络控制理论建立一个针对于磨矿分级系统新 案例进行学习分析的系统口⋯，由神经网络解决非线 性和不确定性的控制问题。 万方数据 2 0 2 1 年第1 期 杜钰等智能化磨矿分级的发展趋势 9 7 2 ．1 ．1 ．1 专家系统的建立 专家系统的建立主要是通过模拟选矿专家多年 的选矿经验，对磨矿分级过程巾的各种情况和问题 作出反应和决策，因此，专家系统主要由知识库、数 据库、推理机以及人机交互界面组成比⋯。 如图3 所示，用户向专家系统提m 待解决的问 题以及问题的边界条件，推理机从数据库巾取来数 据，再从知识库中找到解决此问题的答案，传输给用 户，因此知识库是整个专家系统巾的核心，承担着储 存和管理书本知识、专家知识和选矿经验的任务，通 过输入磨机补加水量、磨机给矿量、磨机运行的电流 和功率值、粒度期望值等数据以及条件，在知识库和 数据库巾进行案例检索，推理机对答案进行处理、评 估以及修正，然后将输m 结果并将数据保存于历史 数据库巾比1 I 。但是专家系统对于知识的拓展更新能 力有限，这也是其缺点所在，只能正确使用专家知 识，无法胜任对于新知识的学习，于是在专家系统上 加入人T 神经网络控制进行学习。 图3专家系统结构图 F i g ．3 S t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 2 ．1 ．1 ．2 神经网络学习系统的建立 神经网络学习系统的建立目的就在于通过给定 的控制量使得磨矿分级系统获得期望的输出，尤其 是对于磨矿分级系统中新情况的数据分析及学 习口“。现假设有一专家系统无法解释的新数据输入 M ，设输入M 与磨矿系统输出y 之间应该满足以下非 线性关系 了一扎u 现要确定最佳控制量M ，使得系统的实际输出y 和期望输出y d 相等，神经网络采用多层网络控制， 将期望输出∥作为输人，“则作为输出值，设定偏 差量为e ，偏差e 调整连接权值。由于神经网络具有 非线性映射能力，则其映射关系可表达为 M g t 姆 2 将式 2 代人式 1 ，可得 了一、厂L g 3 启 ] 3 由式 3 可知，当满足皇’ * 一／L 1 * 时，y 一 ∥，即系统实际输出y 等于期望输出y 矗。由于磨 矿分级系统中的被控对象较多，且具有不确定性，因 此对于被控对象的／ * 很难建立，而神经网络具 有逼近非线性函数的能力，能够通过系统系统实际 输出y 与期望输出y 矗的偏差量e 进行调整连接权 值，进而达到模拟厂1 * 的效果，直到系统偏差量 8 趋向于o [ 2 ⋯。 由于神经网络究其根本就是对被控对象进行的 求逆过程，只要被控对象可逆，就可实现建模。而将 专家系统与神经网络结合起来，可通过大量数据对 学习系统进行训练学习，使得其具有迅速的智能化 磨矿分级控制能力，学习后的神经网络学习系统具 有较高的自适应性，根据已知的输入量对磨机进行 最优化处理控制，使得磨机在最优功率点稳定运行， 从而达到提高磨机的台时处理量，稳定产品的粒度， 提高回收率以及实现节能减排的目的2 ⋯。 2 ．1 ．2 应用于磨矿分级系统的数字化仿真软件 磨矿分级过程的建模能将输人参数与输出参数 的时间与质量关系较为准确的描述出来，并对产品 的质量和不合格原因进行分析量化，进而优化生产， 这个工作只能依靠数字化仿真软件来完成。处理量 为3 7t ／h 的某钨矿选矿厂将仿真软件J K S i m M e t 的 模拟结果应用于实际生产，结果显示，沉砂中W 。 的品位累积降低o ．1 7 ％，在磨矿细度相近的情况下， 溢流中 1 0 弘m 粒级产率降低1 ．1 6 个百分点，沉砂 中～1 0 弘m 粒级产率降低o ．6 3 个百分点，同时溢流 产品细度P s 。从7 8 弘m 提高至8 2 弘m ，钢球单耗降低 7 ．6 9 个百分点，电能消耗减少4 ．7 7 个百分点，效果 十分显著“3 。 选矿设备工业级仿真器是建模、工业仿真、测量 和选矿技术的有机结合，是选矿厂智能化的重要技 术装备，在2 0 。6 年C R E M 与M c G i l l 大学共同研 发的工业级磨机仿真器s A G T o o l s T M 应用于 B r u n s w i c k 选矿厂的半自磨机上，该系统能够实现实 时监测模拟磨机内部磨机填充率、物料运动轨迹和 分布区间等十四个变量，用于对磨机操作和维护的 指导，与应用前相比，在稳定了产品质量的同时，也 实现了生产效率的提高。 2 ．2 磨矿分级硬件智能化 磨矿过程智能化不仅体现在数字化建模仿真和 控制理论的先进，还体现在检测分析技术的先进。 美国S P I ．I T E N G E I N E E R I N G 公司开发的S p l i t 一 n l i n e ⑥R o c kF r a g m e n t a t i o nA n a l y s i ss y s t e m L 2 6 能够利用图像分割技术对矿石进行块度分布分析， 包括原矿、破碎的矿石、磨碎的矿石，将图像数据处 理后指导磨矿控制，虽然无法精准测量，但矿石的块 度分布对后续粒度影响颇为巨大。 万方数据 9 8 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第1 期 矿浆粒度在磨矿过程巾也是关键参数，过磨或 欠磨都对后续指标有很大的影响。北京矿冶研究总 院开发的B P S M 型在线粒度分析仪可通过在线检测 矿浆浓度和粒度进而优化磨矿过程，达到最佳指标。 B P S M 型在线粒度分析仪成本低、精度高、易维护， 已应用于许多大型企业如鞍钢集团、武山铜矿、银山 选矿厂等，取得了良好的经济效益。磨机运行状态 的监测对于实际生产和维护也起到了至关重要的作 用。以施耐德P M 3 2 0 0 多功能电力参数测量仪为 例[ 2 ⋯，该测量仪能检测电流、电压、功率、功率因数、 频率等关键参数，可根据需要监测功率／电流需量、 峰值需量，通过通信接口实时上传所有监测数据，有 效诊断磨机的运行状态，极大地提高了设备运行过 程中的安全性和节能性。 3 智能化磨矿分级系统应用存在的问题 虽然我国选矿行业近几年发展迅速，但智能化 普及程度还处于较低水平，大部分还沿用较老的自 动化生产线，智能化程度不高，与国外相比还存在一 定的差距。国内选矿企业智能化程度不高的原因， 可以归结为1 技术人员专业素养不高。选矿厂技 术人员的技术不过关，且培训费用较高，这就导致了 许多设备存在安全隐患。2 智能化程序设计不合 理。在实际作业过程中，一些可能m 现的问题没有 被设计者考虑，甚至程序设计不合理脱离了实际操 作，也会对磨矿分级过程造成影响。3 企业的资金 实力不够。由于国内智能化技术相较于国外相对落 后，从国外进口设备需要企业投入大笔资金对人员 进行培训，很多企业承担不起，因此仍然选择使用传 统的自动化生产线，派熟练的老员T 来执行相关操 作。4 研究机构的缺乏。选矿智能化技术的研究需 要多学科交叉，国内的专业研究机构缺乏，这就导致 磨矿分级智能化设备的价格高居不下，专业人员培 养困难。只有实现研究、成果转化为经济，经济又反 哺研究试验的良性循环，才能真正实现智能化磨矿 分级技术在我国的普及2 ””。 4结论 1 国内矿产资源的特点是贫矿和难选矿多，开 发利用难度大，成本高，这将导致矿产资源的选矿利 用效率低、质量不高等问题。而磨矿分级在整个选 矿工艺中具有重要地位，但存在复杂、扰动大、不确 定性、非线性时变等特点，对磨矿分级进行精确控制 的难度较大，随着控制技术的不断发展，磨矿分级智 能化在近几年受到广泛关注，通过分析磨矿分级各 个控制量，研究新型控制算法的特点，找m 一种适合 磨矿分级的基于神经网络的专家控制系统，效果明 显。智能磨矿分级系统在某赤铁矿厂应用半年后的 生产实践表明，生产效率、管理水平明显提高，尾矿 品位降低1 个百分点，生产成本刷历史新低，较大的 提高了该铁矿厂的市场竞争能力。 2 智能化磨矿分级系统的发展将是未来矿业体 系的重要一环，虽然目前智能化技术的发展在国内 矿业处于初级阶段，但矿业的“智能化、去人化、高效 化、低污染”势必是未来矿山企业的发展趋势。 参考文献 [ 1 ]黄宋魏。李龙江．矿物加T 自动化[ M ] ．贵阳贵州大学 ⋯版社，2 0 1 7 2 66 5 ． HUANGS o n g w e i ，I 。II 。o n g j i a n g ．A u t o m a t i z a “o no f m i n e r a lp r o c e s s i n g [ M ] ． j u i y a n g G u i z h o uU n i v e r s i ‘y P r e s s ，2 0 1 7 2 6 6 5 ． [ 2 ] 石立，张国旺，肖晓．金属矿山选矿厂磨矿分级自动控 制研究现状[ J ] ．金属材料与冶金T 程，2 0 1 4 ，1 1 4 34 8 ． S H II ．i ，Z H A N GG u o w a n g ，X I A X i a o ．R e s e a r c ho n a u t o m a t i cc o n t r o lo f g r i n d i n g a n dc l a s s i f i c a t i o ni n c o n c e n t r a t i o np l a n t so fm e t a lm i n e s [ J ] ．M e t a lM a t e r i a l s a n dM e t a l l u r g yE n 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