200m3充气机械搅拌式浮选机液位的优化控制及应用.pdf

4 6 有色金属 选矿部分2 0 1 1 年第3 期 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 1 ．0 3 ．0 1 1 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机液位的优化控制及应用 彭秀云，王庆凯，王清，李映根 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 摘要基于2 0 0m 3 充气机械搅拌式浮选机的特点，针对德兴铜矿大山选矿厂选矿工艺流程，分析液位自动控制 系统的要求及影响因素，研究多回路浮选液位系统控制算法及结构，开发液位自动控制系统，并提出控制系统的优化方 案，在大山选矿厂完成工业应用。实践表明，该系统在多回路浮选作业时能够保障浮选机可靠运行，稳定生产流程，保 证生产指标，并提高选矿厂的自动化水平。 关键词K Y F 一2 0 0 大型浮选机；浮选液位；流体动力学；P I D 控制；多回路液位协同控制 中图分类号T D 9 2 8 ．9 ；T D 4 5 6文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 1 0 3 - 0 0 4 6 0 4 O p t i m i z i n gL e v e lC o n t r o lf o rK Y F - 2 0 0F l o t a t i o nC e l la n dI t sA p p l i c a t i o n P E N GX i u y u n ，W A N GQ i n g k a i ，W A N GQ i n g ，L IY i n g g e n B 反j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g10 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fK Y F 一2 0 0f l o t a t i o nc e l la n dt h et e c h n i c a lf l o wi nt h eD a s h a n M i l l o fD e x i n gC o p p e rM i n e ，t h i s p a p e ra n a l y z e s t h er e q u i r e m e n t so fl e v e lc o n t r o la n dt h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s 。s t u d i e st h ea r i t h m e t i ca n dc o n f i g u r a t i o no ft h el e v e lc o n t r o lo fm u i r i l o o pf l o t a t i o n ，d e v e l o p st h e l e v e la u t oc o n t r o ls y s t e m ，a n df i n a l l yp r o p o s e st h ew a yo fo p t i m i z i n gm e t h o d so fl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c h h a sb e e n a p p l i e d i nt h eD a s h a nM i l l ．T h e a p p l i c a t i o n s h o w st h a tt h i s s y s t e m c a ne n s u r et h er e l i a b l e o p e r a t i o no fK Y F 一2 0 0f l o t a t i o nc e l l ，s t a b i l i z et h ep r o c e s s ，g u a r a n t e et h ep r o d u c t i o nt a r g e ta n di m p r o v et h e l e v e lo fa u t o m a t i o n ． K e yw o r d s K Y F 2 0 0f l o t a t i o nc e l l ；f l o t a t i o nl e v e l ；f l o t a t i o nd y n a m i c s ；P I Dc o n t r o l ；c o o p e r a t i n gl e v e l e o n t r o lf o rm u l t i - l o o pf l o t a t i o nc e l l 由北京矿冶研究总院研制的单槽容积为2 0 0 m 3 的充气机械搅拌式浮选机，简称K Y F 一2 0 0 浮选机， 于2 0 0 8 年在江铜德兴铜矿大山选矿厂完成工业试 验。鉴于工业试验取得的良好效果，德兴铜矿大I I J 选矿厂在其日处理量达到9 万t 的扩能改造中采用 1 8 台K Y F 一2 0 0 浮选机，分两个系列，用于等可浮 铜粗选作业。 对大型浮选机来说，浮选槽内矿浆液位的稳 定，对浮选机设备本身、工艺流程的正常运行是重 要的前提和保证，对生产指标的提高都有着重要的 作用。因此，需要采用先进的自动控制设备，设计 适合于大型设备和复杂工艺的控制算法来实现液位 的自动控制。 在K Y F 一2 0 0 浮选机的工业试验中，液位的自 动控制已经取得了预期的效果。但受试验条件限 制，研制了2 台浮选机作为试验设备，控制对象是 两台2 0 0 m 3 浮选机，工艺较简单。对于增加到单系 列9 台浮选机作业，在处理量也增加、工艺相对复 杂的情况下，如何设计合理、有效的控制系统来实 现液位的自动控制就成为摆在自动化人员面前的一 个挑战。因此研究K Y F 一2 0 0 浮选机液位的优化自 动控制非常重要。 1浮选液位自动控制系统方案 对于控制方案的确立，要从影响控制对象的因 素着手，分析控制设备的工作特性和工艺流程的特 点，并采取相应的措施来稳定并提高自动控制的 效果。 基金项目“十一五”国家科技支撑计划重点项目 2 0 0 7 B A B 2 2 8 0 0 收稿日期2 0 1 0 - I I 一2 7 作者简介彭秀云 1 9 8 1 一 ，女，山西忻州人，信息技术与自动化研究设计所工程师，主要从事选矿自动化研究。 万方数据 2 0 11 年第3 期 彭秀云等2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机液位的优化控制及应用 4 7 1 ．1 风量 浮选过程的基本行为就是气泡的矿化，即矿浆 中颗粒与气泡碰撞，疏水性矿粒与气泡黏附并以气 泡为载体上浮，进入泡沫层。因此，矿浆中气泡数 目的多少和充气质量的好坏会直接影响矿粒与气泡 碰撞几率的大小，进而影响浮选速度的高低；同 时，也将对浮选选择性起到一定的影响。充气量的 大小影响着空气分散度，而分散度直接影响着气泡的 大小，这将直接影响着浮选作业的品位和回收率。 对2 0 0 m ，充气机械搅拌式浮选机进行了动力学 分析，得出如下结果随着浮选机叶轮转速的增 大，浮选槽内紊流程度增大，浮选机功耗显著提 高；当充气量增加时，电机电流会相应地降低[ 1 ] 。 因此，需要对影响浮选作业指标的重要参 数充气量进行稳定控制，这是控制好浮选液位 的重要前提。 1 ．2 进矿和返回量 一段 原矿 尾矿 图1 大山选矿厂K Y F 一2 0 0 浮选工艺流程 F i g ．1 T h et e c h n i c a lf l o w s h e e to fK Y F 一2 0 0i n D a s h a nM i l l 图l 为大山选矿厂K Y F 一2 0 0 2 个系列 的工 艺流程图。9 台或少于9 台球磨机的产品先进入铜 粗选后进行铜钼分离精选，采用等可浮粗选，混合 粗选及2 个扫选作业。1 8 台K Y F 一2 0 0 型浮选机分 两个系列进行浮选作业。等可浮作业使用2 台 K Y F 一2 0 0 型浮选机，混合粗选为3 台，2 个扫选 均为2 台，其中等可浮后进入混合粗选前增加一 个搅拌槽。 对于一定容积的浮选槽，进矿量和出矿量直接 决定浮选槽液位高低。通过分析大山选矿厂工艺流 程可以看到其工艺特点首先是进矿量大，即处理 量大；其次是9 台球磨机不定时会安排进行保养和 检修，因此球磨机的给矿量波动大；除此之外，可 以发现各作业之间相互关联，部分作业像混合粗选 和扫选作业，有其他作业的精矿返回量，影响作业 的进矿量。 而整个系列的浮选时间大约3 0m i n ，因此系 统浮选出有用的精矿泡沫后，需要及时排出尾矿， 同时需要注意返回量的泡沫泵池不能冒槽，有效控 制出矿量。 对于浮选时泡沫的产生、加药量的变化以及矿 石性质的变化等对液位的影响暂时不予考虑。 1 ．3 自动控制系统 自动控制系统本身决定液位高低的主要是控制 器和执行机构。而检测装置的精确度、执行结构的 特性及控制器的算法直接影响控制效果的好坏。特 别是控制算法，它是浮选液位自动控制系统的核心 和关键。通过设计合理的控制系统，包括硬件结构 和软件结构来达到控制日标，从而稳定浮选液位， 提高生产指标。这就是液位自动优化控制的任务。 通过以上的因素分析，结合K Y F 一2 0 0 浮选机 工业试验的成果，研究选用精确的检测仪表、线性 控制流量的执行机构和满足生产稳定运行的控制器 基础上，采用多回路液位协同控制算法，优化了液 位自动控制系统。该系统由液位测量装置、控制 器、气动调节阀组成。气动调节阀由气动执行机构 和排矿阀组成，其原理框图如图2 所示。 图2 浮选液位自动控制系统组成框图 F i g ．2 T h eb l o c kd i a g r a mo fa u t o c o n t r o ls y s t e m f o rf l o t a t i o nl e v e l 2 浮选液位自动控制系统的硬件结构 研究 根据自动控制理论，一个完整的控制系统主要 由控制对象、检测机构、控制器和执行机构组成。 针对K Y F 一2 0 0 型浮选机机和工艺流程的特点，对 万方数据 幸色全A t , 吐矿部分 2 0 1 l { F 第3 瑚 谳位自动拄耕系统的硬件地铀进irJ ’以下研究 2 ．1 液位测量装置 液化测垃装置由北京矿精研究刨完r 1 主研发， 采用激光液位计测量液位，j 5 蕴小，测艟精确，同 e , h hf 是非接触式测量．磨损板小．使川寿命长． 一旦运行，稳定u T 靠．维护【．怍鲢很小，睦期丁 怍也H 仑产生位置漂移的现象．尤需{ 4 进行仪表的 校对2 。 j 疰位测盈装性由々J 激光测距测量仪、测量支 架、浮球组件 i S 球连杆反射盘 、喷淋装置 和隔离筒等部件目I 成．将{ 丧位值以4 2 0 m A 信号输 出二隔离简的醴计起到了清泡并稳定测量值的作 用结构蠓理见刚3 。 囤3 液位谢■装置原理囤 3 I h ed e v i c rs I n l c Ⅲmn ，rl e v e l ⋯u ⋯Ⅵ a n dt r a n s m i u i n g 结合工艺流程的特点厦K Y F 一2 0 0 浮选机【业 试验的成粜．对液位测量装目避{ r 了政进，增加涟位 测量范围到I5 0 0 m m 以适成矿最波动大的情况， 2 ．2 液位专用气动执行机构 液忙专埘气功执行机构由’t 缶『、锥阀、往援杆 组成．通过涮节气缸的行程来带功‘o 其连接的锥 阔．从而战坐锥阀的歼启度．以此米渊竹矿浆滤 量．改变液位高度。 气盏L 自身的承重行程、响应特性、锥蚓的规 格和流旨特性，以及连接杆材质和H 寸等i f | l 影响着 执行机构的性能。 此次设} | 的一个突破足制对处理最大的情况． 没汁了艘‘ 动执行机构来快建删节流最并柱『业 酞骑的丛础l ．j } f 加7C 缸的{ r 程刮2 6 0m m ．提升 了蠲肖旭Ⅲ除此之外 意外停l U _ t 锥阀会r 挺 在停止D } ’L 时进行保位 时，改进了锥阀的角度 现r 线忡渊宵 2 3 液位控制器 增埘l 丁故障似的保护，n 防止发，t 意外生J “小敞； 保障生产的顺利进{ ，同 接近快外型特性曲线．宴 作为控制系统的核心．采坩丁 B 公司 c o n t p a c I 系列的1 ，L c 作为硬仲核心．柠制算法由 B G R I M M 自主址计。通过c P u E 套的l ，0 模块，将 各种控制信号和洲盛信号比如液化洲量值阀位开 启度等采样输人判控制器巾．C i ，u 通过事先～Ⅱ载到 内部的靴序进打计算．嫩后将计算m 的控捌信号比 如阉的开启度等给输出模块，剥新输出控制执} r 机构动作．从而粥廿矿浆流醋使液位保持在预期的 设定优 人机交瓦采川触摸式，F 板l U 脑．柱平板l U 脑中 安驶I 也机程序戟什进{ 』最宅控制器的毒数及j 一艺 参数．实理液他的n 动拄榭．同时实时监视浮选争 流鞋的液位状态和执行机构状况。 为了提高控制系统的适应性和稳定性．增加了 就地控制设备。丁作人员除了控制P L C 根据T 芝 门动控制液位外，还n r 以在就地调节执行结构，此 外通j 二[ M O D B U S 通讯，P I c 与中拉享D C S 系统进 { j 畦接．允许D C S 远程啦控浮选作札、各种控制 斤文均做创r 尤扰切换．提高r 系统的稳定性和建 活控树 2 ．4 充气量控制系统 对下影响液位的m 埘．。E 也是液位n 动控制系 统的吐蛰组成郏仆．主爱存检测风鲢的空4 C 流城 i l弼制札毓的气础涮节蝶阀和控制器组成控制 器的挖捌日杯是稳定拄制每个作业的Ⅱ} 风量．佩证 浮进作4 k 的正常运} 』 3 浮选液位自动控制系统软件结构的 研究 浮选液位r | 动控制系缱软件分为t ．位机软什干 下位机软件 3 ．1 上位机软件 】。位机软件即人机交互界面软件，杠 W o n d ⋯r W平台下开发的l n l o u e hJ * 用程序．F 萼 实现液位，风培的宴时数槲采粜船测、控制、参数 没嚣和历史数据的存储这种人机空砭软件较凹f 】 f 的触摸屏具自租商的灵活性．诵盖的信息破 大．川广町以 使地进{ f ■瞰J I 。发和扩艇， 万方数据 2 0 11 年第3 期 彭秀云等2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机液位的优化控制及应用 4 9 3 ．2 下位机软件及控制算法 下位机软件即P L C 程序，通过液位优化控制 算法实现液位的自动控制。该优化算法的核心是前 馈控制加反馈控制。图4 为液位优化控制原理图。 图4 浮选液位优化控制原理 F i g ．4O p t i m i z e dc o n t r o lt h e o r yf o rf l o t a t i o n l e v e l 反馈控制采用P I D 控制算法，而前馈控制通过 综合各个回路之间的耦合程度、给矿量的变化、执 行机构的开启度变化、供风量的大小和稳定程度等 因素作为影响控制系统的干扰源，以及执行机构的 流量特性，从而计算得到控制量。与P I D 控制算法 计算得到的控制量一起来控制执行机构动作，最终 控制浮选作业的液位使其达到预期的设定值。 由于是对多个作业回路控制，且回路之间的耦 合性较强，加之外界的干扰源较多，并带有不稳定 性，这对液位控制算法的改进提出了很高的要求。 通过工业试验及后期的试运行，比较研究了各种优 化控制算法，最终确立了一种多回路液位协同控制 算法。此优化的重点也就是控制算法的改进，图5 为多回路液位协同控制原理。 图5 多回路液位协同控制原理 F i g ．5C o o p e r a t i n g c o n t r o lt h e o r yf o rm u l t i l o o p f l o t a t i o nl e v e l 通过每槽流量为 孑 ％一E K C v ％- 丽一K 。 地 厮 1 每槽的液位高度为 a 1 7 l 一 龟 2 [ 3 ] 通过计算每个槽的流量变化，在浮选槽截面积 和每槽之间物理高差固定的情况下，液位的变化与 其相邻浮选槽的液位和调节阀的流量特性有关。 3 ．3 优化控制参数 对于浮选液位自动控制系统，仅仅有好的控制算 法是不够的，还需要在工艺条件下优化控制参数。 3 ．3 ．1 P I D 参数 根据生产工艺及执行机构的特性，调试P I D 参 数使系统达到稳定状态。 ’ 3 ．3 ．2 死区、步长及限幅设置 对于P 1 D 控制算法，这些参数的设置，可以避 免执行机构频繁动作，保护执行机构的同时，减少 了干扰源，保证了液位的稳定。 3 ．3 ．3 无扰切换 在就地控制转换到远程P L C 自动控制或D C S 控制时，无扰切换的设计避免了控制信号的突变， 减少了控制切换时有可能引起的液位波动。 3 ．3 ．4 多执行机构协调控制 双气动执行机构的使用提高了执行机构的调节能力， 用户可以根据矿量的大小来协黻动或双气动控制。 3 ．3 ．5 多回路协同控制 多回路液位协同控制是优化液位自动控制系统 的核心点。因此使用中要充分掌握其理论与实际工 艺的关系。 4工业应用 大山选矿厂选用1 8 台K Y F 一2 0 0 浮选机完成铜 粗选正浮选作业，其2 个系列分别于2 0 0 9 年7 月 和2 0 1 0 年1 月投入运行。在2 0 1 0 年4 月底对浮选 液位自动控制系统进行了优化，运行至今控制效果 良好，运行稳定可靠，操作方便、维护量小。运行 期间没有发生任何故障，受到现场人员的认可和好 评。表1 为大山选矿厂现场的生产数据。 表l 工业现场生产数据 T a b l e1P r o d u c t i o nd a t ai nt h ei n d u s t f i a lm i l l／％ 下转第5 3 页 万方数据 2 0 11 年第3 期陈东等超声波对黄药、黑药、氢氧化钙、油酸等常用浮选药剂分散乳化效果的试验研究5 3 但与无超声作用相比，其分散乳化效果还是比较理 想的。这进一步表明，应用超声对药剂作用时应根 据实际情况做出调整，否则难以达到理想效果。 3 结论 由于超声波能量容易集中，在液相中能产生空 化现象，空化现象又可伴随着产生机械效应和热效 应等。在这一现象中，液体内出现了空气泡 孔 穴 ，其中还会有压力增大和温度升高，其中局部 强烈的扰动效应使药剂分子在强大压力下迅速地解 离，而超声直进流效应在宏观上起到了一定的搅拌 作用，使药剂加快了循环和弥散速度。温度的升高 活化了药剂分子，也使某些难溶药剂增大了溶解 性。所有这些效应都会引起媒质的变化，因而从整 体上对药剂的分散和乳化过程起到了促进作用。 通过研究超声波对不同浮选药剂的乳化分散效 果，得出以下结论 1 超声波激励可以加速浮选药剂的溶解与扩散； 2 超声波激励对难溶性药剂具有弥散乳化作用； 3 超声波可用于各类浮选设备，加速内部药剂 的扩散与乳化。 参考文献 [ 1 ] 冯若．声化学及应用[ M ] ．合肥安徽科学技术出版社． 1 9 9 2 2 3 2 5 ． [ 2 ] 罗登林，丘泰球，卢群．超声波在分离技术方面的应用[ J ] ． 日用化学丁业．2 0 0 6 ，3 6 1 4 6 - 4 8 ． [ 3 ] G 奥拉尔．黏土在超声波介质中的沉降行为[ J ] ．国外金属 矿选矿，2 0 0 3 11 3 3 - 3 6 ． [ 4 ] C M 切尔里赫．超声波、磁场和电场对金矿浮选影响的 研究[ J ] ．国外金属矿选矿，2 0 0 4 1 4 - 7 ． ⋯OO - ⋯OO ．v ．V OO ．⋯OO - ⋯OO ．⋯OO - v ．v OO - ⋯O O - ⋯OO - ⋯OO - v ．v OO ．⋯OO - ⋯eO - ⋯OO - ⋯OO - ⋯O 0 - 一0 - 、O 蛉 上接第4 9 页 对比Ⅱ系列自动控制未投入使用前 1 _ 4 月 ， 自动控制优化调试期 4 月2 8 日至5 月1 6 日 及 自动控制全部投用 5 月1 7 2 4 日 的工艺指标， 可以看出，浮选液位自动控制系统在全部投用后， 浮选指标有一定的提高。 5 结论 浮选作业液位自动控制系统性能先进，工作稳 定可靠。该液位自动控制系统满足复杂工艺要求， 在保证设备运行良好、生产稳定的基础上，提高了 一定的精矿品位和产品回收率。它为K Y F 一2 0 0 浮 选机液位自动控制系统在工业试验取得成绩基础 上，又迈上了一个台阶。该优化控制系统达到了国 内领先水平。 参考文献 [ 1 ] 杨丽君，史帅星，陈东，等．2 0 0 m 。充气机械搅拌式浮选 机动力学研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 9 2 2 9 3 1 ． [ 2 ] 李映根，周俊武，徐宁．K Y F 一2 0 0 型浮选机液位自动控 制系统的研究与应用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 9 4 3 2 3 6 ． [ 3 ] K 枷p j 枷，S ．- L ．J a m s a - J o u n e l a ．L e v e lc o n t r o ls t r a t e g i e s f o rf l o t a t i o nc e i l sl J j ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 1 6 1 0 6 l 1 0 6 8 ． [ 4 ] 史帅星，罗时军，杨H 面君。等．2 0 0 m ，超大型充气机械搅拌 式浮选机工业试验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 9 3 3 4 - 3 7 ． 万方数据