浓缩生产过程优化控制系统的研究与应用.pdf

7 0 有色金属 选矿部分2 0 1 2 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 a ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 2 ．0 6 ．0 1 6 浓缩生产过程优化控制系统的研究与应用 王旭1 ，一，缪天宇1 ，一，王庆凯1 ，2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京l 0 0 1 6 0 摘要针对浓缩生产过程的非线性、大滞后、过程扰动变化范围宽、自动化程度低的难题，提出了将物料平衡模 型作为过程控制的中心原则，以浓密机的综合生产经济指标作为优化目标的浓缩生产过程智能优化控制方法。详细介绍 了该优化控制系统的组成、运行机制和浓密机优化控制策略。实际应用表明，该系统提高了浓密机处理能力和底流浓度， 降低了压耙、跑浑等生产事故发生的几率，实现了浓缩生产过程的优化控制，并取得了良好的应用效果。 关键词浓密机；底流浓度；控制系统；优化控制 中图分类号T D 9 2 8 ．9文献标识码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 2 o 鲫0 7 咖5 R 姻e a r c h 锄dA p p U c a t i 伽o fO p 廿m a lC o n t m lS y s t e mf o rT M c k e I I i n gP r ∞e 豁 W 么ⅣGj m l 一，M L 4 0 孔口删u 1 一，W ■ⅣGg 叼J c 斑1 ’暑 I ．B e 彬叼锄e 捌R e s 彻曲I h s 抗t I l 钯。厂施n { 叼n ，l d 讹t 口地聊，，B 嘭叼I D D I ∞，傩z M ； 2 ．j E i e 咖姆砌砌o r n t o 哪D 厂A u t o ”m t { o n0 厂施m 叼肌d 如t n z z u 觋，A D o e 鼹，B 嘟叼 I D o j ∞，饧Z n 动 A b 泊r I a c t T bt h ep r o b l e I 璐t l l a tt h et h i c k e n i n gp r o c e s sw h i c hi s t l l ei m p o n a n tl i n ko fm i n i n ga n d m e t a l l u 蛹7h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n H n e a r ，l o n gt i m ed e l a y ，w i d ep 帅c e s sd i s n u b 觚c e 瑚m 咎e蛐dl o w p m d u c t i o ne f f i c i e n c i e s ， i ti s ￡I i f f i c u l tt or e a l i z et h ea u t o I I l a t i cc o n t m LA ni n t e l l i g e n c e o p t i m a lc o n t r o l s t r a t e g yi sp r e s e n t e dw h i c hr e 鼬r d sm a s sb a l a n c em o d e l 船t h ec e n t e rp r i n c i p l eo ft h ep m c e s sc o n 缸D la n d t } l ec o m p r e h e n s i v ee c o n o n l i ci n d e xo ft h et h i c k e n i n gp m c e s sa st l l eo p t i I I l i z a t i o no b j e c t i v e ．I nt } l ep 印e r ， t I l es t m c t u r e ， o p e r a t i o nH l e c h a I l i s ma J l di n t e u i g e n tc o n t I _ o ls m 札e 9 1 5 ro ft l l eo p t i m a lc o n t I ．0 ls y s t e m a r e i n 臼o d u c e di nd e t a i l ．T h ea p p l i c a t i o nr e s l l l t ss h o wt h a tt I l ep r o c e s s i n gc a p a c i t ya n du n d e r n o wd e n s i t yc o u l d b ei m p r o v e d ，a n dt h ep o s s i b i l i t vo fp I ．e s s u r eb a n ．o wa n dm u c m o wp h e n o m e n o nd u r i n gt h ep r D d u c t i o n d r o p p e d ．T h eo p t i m a lc o n t D o lo ft h i c k e n i n gw h i c ho b t a i n e ds i P m i f i c a n ta p p l i c a t i o ne ￡f b c ti sa c h i e v e d ． K e yw o r d ．s t h i c k e n e r ；u n d e m o wd e n s i t y ；c o n t r o ls y s t e m ；o p t i m a lc o n t r o l 浓密机作为矿浆浓缩生产过程的核心设备，主 要起到固液分离的作用，被广泛应用在精矿脱水、 尾矿浓缩、回水处理等多个场合，其重要生产指标 就是浓密机底流矿浆浓度和矿浆处理量。为了得到 合格浓度的产品，一方面要防止由于底流排量过 小，导致浓密机的溢流出现“跑浑”现象，甚至当 泥床厚到一定程度时，造成“压耙”事故的发生。 另一方面又要避免底流排量过大，泥床被撕破，在 浓密机排矿口上方出现一个沉泥层的空洞，浓密机 的来料直接被抽走，形成“短路”，浓密机起不到 任何作用。长期以来，浓密机的控制一直是选矿过 收稿日期2 0 1 2 - 0 2 2 1修回日期2 0 1 2 - 0 8 3 0 作者简介王旭 1 9 8 5 一 ，男，辽宁沈阳人，硕士，助理工程师。 程控制中的难题。 目前国内典型浓密机的自动控制系统是由一个 底流浓度闭环和一个加药量开环组成，通过控制底 流量来调节底流浓度，加药量控制采用比例调节， 根据底流浓度和泥床高度的变化趋势，改变比例调 节的比例系数[ 1 ] 。然而由于浓缩过程的复杂性以及 其中的强耦合因素，这种单回路定值调节方法往往 造成底流浓度波动大，控制效果不佳。为了有效地 解决上述问题，本文以浓缩过程的物料平衡模型为 基础，通过对浓密机耙子扭矩、溢流浊度、泥床厚 度、底流浓度、絮凝剂添加量等因素进行综合考 万方数据 2 0 1 2 年第6 期王旭等浓缩生产过程优化控制系统的研究与应用 ．7 1 ． 虑，提出了一整套浓密机优化控制策略，现场应用 效果良好。 1 浓密机生产过程检测 浓密机生产过程可描述为上游来料矿浆经明 槽或管道输送至浓密机，在重力的作用下矿浆自然 沉降，在有添加絮凝剂的工艺中矿浆劂会絮凝抱团 沉降，浓密机底流得到较高浓度的矿浆，并由底流 泵送入后续工序，浓密机的溢流水嫩由溜槽流走。 同时浓密机耙架带动底部刮板进行规律性的圆周运 动，防止矿浆压耙，也可以对矿浆起到浓缩缓冲的 作用。 鉴于给人物料的流量和浓度由前级作业决定， 在实际操作过程中，主要是通过调整浓密机的底流 流量和药剂添加量来调节浓密机内压缩层高度来获 得预期的浓密机底流浓度。但目前浓密机的控制大 都存在以下问题直接影响运行效率韵浓密机内泥 水分界面几乎不检测；对溢流水质只采取定期人工 取样化验的方式进行监测，无在线分析检测仪表； 絮凝剂的添加量主要凭操作人员主观判断，浪费现 象时有发生；没有浓密机耙架压力检测装置，导致 浓密机经常因泥层过厚而被迫停机。这些都严重的 影响了浓密机的生产效率[ 引。 因此，对溢流水浊度、泥层厚度、底流浓度和 药剂添加量的自动控制是实现浓缩设备高效化的重 要措施，浓密机生产过程的检测与控制应包含以下 几方面内容 絮凝剂 进料 图1 典型的浓缩生产过程检测方案 F i g ．1 n ed e t e c t i 叩∞h e m ef o rt 湎c a lt l l i c k e n 盱 p I o c e 鸥 素，物料性质主要包含浓度、粒度、黏度及含泥量 等。浓密机的给料浓度不宜过高或过低，一方面浓 度太高则絮凝效果不好，另一方面浓度太低则影响 浓缩效率。同时，给料流量及浓度的变化影响着絮 凝剂用量的大小。 2 浓密机扭矩的检测。扭矩的测量和显示是 泥浆浓度和耙子在泥浆中移动所需力的指示。当扭 矩达到预先设定的阈值时，产生显示或声音报警， 提醒操作员需要改变操作参数以释放扭矩。如果扭 矩继续爬升到正常工作上限，则停止驱动以保护机 械装置。因此，在扭矩达到上限之前，要预先采取 修正措施，比如加大底流捧矿量等，以防l E 停机。 3 溢流浊度的检测。浊度是指水中悬浮物对 光线透过时所发生的阻碍程度。通过检测浓密机溢 流水的浊度可以间接反映出浓密机溢流水悬浮物的 实际情况，从而将溢流水悬浮物控制在标准的范围 之内。 4 泥层厚度的检测与控制。对于相对稳定的 生产流程来说，实际上浓密机的底流浓度就是由浓 密机内的泥层高度决定的。一般情况下，泥层高度 或固体驻留时间的增加，将导致底流浓度和耙架扭 矩的升高。如果絮凝效果不好，尽管耙架扭矩在正 常水平，也可能导致泥层高度增加。如果绘料被过 度絮凝，即使扭矩读数增加，泥层高度也许会低于 正常值[ 3 | 。 5 泥床压力的检测。泥床压力测量传感器测 得的是浓密机内正在浓密的泥浆和液体的总压力， 因此，压力传感器测得的任何与泥层厚度相关联的 压力变化，都是由于沉降好的固体的泥床密度变化 引起的。利用基于泥床压力估算出的固体的存量， 可以计算出固体的平均驻留时间，可以作为一种信 息供参考。估算的固体存量和泥床厚度信号也可用 于估算泥床的密度。该信息可与底流浓度联系起 来，用于故障诊断过程中对浓密速率的分析。 6 底流浓度与流量的检测与控制。底流浓度 是最直观反映浓密机工作效率的，但是存在着一定 的滞后。控制浓密机的底流矿浆浓度是靠调整浓密 机底流排矿速度，改变浓密机的沉降时间来实现的。 7 絮凝剂添加量的检测与控制。如果是絮凝 浓缩，絮凝剂的添加量应与浓密机的给矿干量成比 例关系。 1 给人物料的流量及浓度检测。给人物料流 2浓缩生产过程优化控制系统实施 量和性质的变化是浓密机控制过程中的主要干扰因 一个完整的浓缩生产过程优化控制系统不仅仅 万方数据 7 2 有色金属 选矿部分2 0 1 2 年第6 期 是监测当前的浓密机状态，完成实时故障的报警等 一系列简单的工作，更重要的是能够为操作工人提 供指导性的建议，为管理和决策提供支持。 2 ．1 系统总体结构 本系统使用C ／s 结构进行开发设计，满足了数 据操作简单和事务处理能力强的要求，数据的安全 性和完整性也得到了保证，所有数据都保存在服务 器上，可通过相应的应用程序对数据进行各种操作 和处理。该系统硬件结构图如图2 所示。 该浓缩生产过程数据通过P L C 设备采集之后， 传输并存储在数据服务器中。数据预处理模块对过 程实时数据进行滤波等处理后与离线化验数据一并 存人数据库中；模型训练模块从历史数据库中甄选 出建模所需数据，建立过程模型；优化模块根据预 置的优化目标及方法对过程模型进行优化，确定操 作变量数值，并将结果返回到控制系统当中去。 建模优化系统在设计时考虑到其所涉及数据量 庞大，部分地方还需要人工参与，所以分别设计了 离线和在线两个部分。离线和在线相关联的部分是 参数，为了降低模块之间的耦合度，设计了参数配 置模块，将参数发布到数据库中。该系统数据流示 浓密机计算机控制系统 ； 浓缩建模和优化系统 图2 系统硬件结构图 F i g ．2 ．1 1 I eh 龇d w a r es t l l J c t l №o f 肌t o 啪畦o ns y 8 t e m 意图如图3 所示。 2 ．2 优化控制策略 本文提出一种将基于物料平衡模型作为指导浓 密机底流排矿量控制的粗调指标，根据运行工况 浓密机泥水界面、耙架扭矩、溢流浊度和底流浓 图3 优化控制系统数据流示意图 F i g ．3 强e ∞h 舳1 a 娃cd i a g 随mo fd a t an o wf 矗o p d m a lc o r 岫l8 y s t e m 万方数据 2 0 1 2 年第6 期王旭等浓缩生产过程优化控制系统的研究与应用7 3 度等 实时优化控制回路设定值，作为浓密机底流 排矿流量控制的微调指标，通过控制系统跟踪优化 后的设定值，将工艺指标控制在目标值范围内以保 证过程优化运行的智能控制方法[ 4 | ，如图4 所示。 该优化模型采用专家系统的结构[ 引，由以下4 个功能块组成 1 状态反馈识别器根据传感器反馈回的信 息，确定浓密机当前工作状态。 2 过程信息存储模型用于存储过程的定性 知识和定量信息。比如包括各变量间互相影响作用 的变化趋势和物理约束的对象特性信息，包含工艺 指标和控制回路的调节速度的操作信息。 针对本浓缩过程只要包括浓密机底流浓度与 泥水界面的耦合关系、浓密机底流排矿量的物理约 束、浓密机底流浓度的最大偏差和浓密机泥水界面 安全高度等控制性能指标的软约束。 3 推理规则库本浓缩过程推理规则库如表 l 所示。 4 推理决策过程优化模型首先根据状态识 别器判定当前浓密机的状态，并在推理规则库中进 行相关搜索，最后在信息模型限制条件允许的范围 内，对过程模型输出值进行调整，使控制器向有利 于过程优化运行的方向进行调节。 3系统工业应用 某铜矿精尾厂工业水处理系统由2 台空3 0m 表1推理规则库 T a b k17 n l ei n f e r e n c em l eb a s e 耙子扭矩 泥水界面底流浓度絮凝剂添加量底流漉量 的中心传动式高效浓密机承担。由于给矿性质波动 频繁，给浓密机的控制带来了很大困难。 采用S 7 3 0 0 系列P L C 编程软件S t e p 7 ，监控 软件W i n C C ，数据库软件s Q Ls e Ⅳe r2 0 0 5 ，应用 软件c 荐和M a n a b ，设计、开发并实施了本文提出 的浓缩生产过程优化控制自动化系统。该浓密机生 产工艺流程监控总界面如图5 所示。 当自动控制系统投用初期，采用常规单回路 P I D 的控制方式。当处理废水量变化较大时，底流 浓度大幅波动，难以稳定。在智能优化控制系统投 运以后，底流浓度很好地稳定在工艺要求指标2 4 ％ 附近，平均浓度较常规控制提高8 ％，其控制效果 明显优于常规P I D 控制，如图6 所示。浓密机泥水 图4 浓缩生产过程智能优化控制策略 F i g ．4 T h ei m e U i g e n tc o n 砌s 似e g yf o r 曲c k e I l i n gp m c e s s 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 2 年第6 期 界面始终控制在安全范围内，没有发生“跑浑”、 “跑渣”或排空的状况，保证了浓密机的高效稳定 运行。截至现在，已经安全运行一年多，得到了现 场的一致认可。 零 、 魁 蛏 媛 世 一优化控制 一 ⋯⋯常规控制 一 ．．“，． t J ．’_ 一’“’～一，．， 一⋯j j j Z ～．．．．i 一 ／ 一平均浓度 O481 21 62 02 4 时间／} l 图6智能优化控制与常规P I D 控制下底流浓度曲线 F i g ．6 T h e 吼d e m o wc o n c e I 衄n i o nc u Ⅳeo f i n t e m g e n c eo p t i m a lc o n 呐la n dc o n v e n t i o n a l P I Dc o I l t m l 4 结语 针对浓密机生产过程自动化程度低、安全生产 差的问题，结合浓密机生产过程的工艺特点和技术 指标要求，提出了一整套浓密机关键过程参数的在 线检测方案，同对将基于物料平衡的浓缩过程模型 作为过程控制的中心原则，以设备的综合生产经济 指标作为优化目标，设计并实现了浓密机生产过程 智能优化控制系统，实现了浓密机底流浓度的稳定 控制。对于目前应用广泛的浓密机生产过程具有较 高的推广价值。 参考文献 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