磨矿综合自动化的研究与设计.pdf

中图分类号TP14学校代码10081 UDC密级公开 硕硕士士学学位位论论文文 磨矿综合自动化的研究与设计磨矿综合自动化的研究与设计 论文作者张玉婷学生类别非全日制专业型 学科专业控制工程学位类别工学 指导教师王建民职称教授 协助指导教师赵春祥职称研究员 唐山唐山华北理工大学华北理工大学 2020 年年 6 月月 Research and design of comprehensive automation of grinding Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering（（ME）） by Zhang Yuting Control Engineering Supervisor Professor Wang Jianmin Professor Zhao Chunxiang June, 2020 独创性说明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名日期2020 年 6 月 10日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、 检索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 ☑ 自授予学位之日起 □ 自年月日起 作者签名导师签名 签字日期2020 年 6 月 10 日签字日期2020 年 6 月 10 日 摘要 - I - 摘要 磨矿控制手段的进步不仅仅关系着选矿工业的成品品位，也是先进选矿企业竞 争力的体现，对选矿企业甚至地方经济的发展都具有重要作用。随着当今时代计算 机技术的兴盛，磨矿过程的运行方式也在逐步发生着变化。尤其是最近智能制造的 崛起和节能减排的号召，磨矿综合自动化系统也随之兴起，不仅能够实现磨矿作业 安全稳定，也使其工作效率得以提升。系统由多个角度入手，对磨矿综合自动化的 发展现状进行了分析，确定其研究的重点是由磨矿作业流程的特性入手，详细分析 了磨矿理论和磨机特性，明晰了磨矿工艺的特点。之后总结磨矿生产特性，详细设 计了磨矿过程专家控制系统和磨矿过程故障诊断系统两个功能模块并通过以 Visual Studio 2010 为平台利用 C语言完成了磨矿综合自动化系统的编译。该系统集成了 数据动态显示、工艺设备显示、磨矿参数设定、工况图绘制、磨矿专家控制系统、 故障诊断等多种功能，并搭建了人机交互界面，可使得工作人员和企业管理人员能 够较为便捷的查看磨机动态并对其直接控制，提高磨矿的效率。 通过搭建实验平台，对磨矿综合自动化系统的合理性及实用性进行了验证。通 过对数据显示、工矿图绘制等功能模块以及磨机负荷专家控制、磨矿故障诊断专家 系统进行的测试结果表明，该系统能够实现之前的功能设计，能够长期稳定运行。 磨机负荷专家控制系统利用专家知识对磨矿过程加以节制，能够对磨机的进行高效 控制，其结果优于普通的 PID 控制。且系统的故障诊断模块可精确判断故障发生 的位置并给予相关控制策略，达到了预期的效果，具有一定的实用性价值。 图 37 幅；表 6 个；参 57 篇。 关键词关键词磨矿综合自动化；专家控制；故障诊断；Visual Studio 分类号分类号TP14 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract The progress of grinding control s is not only related to the grade of finished products in the mineral processing industry, but also reflects the competitiveness of advanced mineral processing enterprises, and plays an important role in the development of mineral processing enterprises and even local economies. With the prosperity of computer technology in todays era, the operation mode of the grinding process is gradually changing. Especially the recent rise of intelligent manufacturing and the call for energy saving and emission reduction, the comprehensive automation system for grinding has also emerged, not only to achieve safe and stable grinding operations, but also to improve its work efficiency. The grinding theory and the characteristics of the grinding machine are analyzed in detail to clarify the grinding process. specialty. After summarizing the grinding production characteristics, two functional modules of grinding process expert control system and grinding process fault diagnosis system were designed in detail, and the compilation of the grinding automation system was completed by using Visual Studio 2010 as the plat using C language. The system integrates a variety of functions such as dynamic data display, process equipment display, grinding parameter setting, working condition drawing, grinding expert control system, fault diagnosis, etc., and a human- machine interactive interface is built to enable staff and enterprises The management personnel can conveniently view the mill dynamics and directly control them, so as to improve the efficiency of grinding. By building an experimental plat, the rationality and practicability of the grinding automation system were verified. The test results of data display, industrial and mining map drawing and other functional modules, mill load expert control, and grinding fault diagnosis expert system show that the system can realize the previous functional design and can run stably for a long time. The mill load expert control system uses expert knowledge to control the grinding process, which can efficiently control the mill, and the result is better than the ordinary PID control. And the fault diagnosis module of the system can accurately determine the location of the fault and give the relevant control strategy, which has achieved the expected effect and has certain practical value. Figure 37; Table 6; Reference 57 Keywordsgrinding integrated automation; expert control; fault diagnosis; Visual Studio Chinese books catalog TP14 目次 - III - 目次 第 1 章绪论................................................................................................................1 1.1 课题的研究背景及意义..................................................................................1 1.2 磨矿工艺简介..................................................................................................2 1.3 磨矿过程及其综合自动化发展现状..............................................................3 1.3.1 国内外磨矿过程发展现状....................................................................3 1.3.2 国内外磨矿综合自动化研究现状........................................................4 1.4 磨矿综合自动化系统存在的问题..................................................................5 1.5 本文主要研究内容..........................................................................................6 第 2 章磨矿工艺及其综合自动化理论分析............................................................7 2.1 磨矿过程控制系统分析..................................................................................7 2.1.1 磨矿系统变量分析................................................................................7 2.1.2 磨矿作业控制手段及控制策略............................................................8 2.2 磨机特征分析..................................................................................................9 2.2.1 磨矿系统特性分析................................................................................9 2.2.2 磨矿设备工况分析..............................................................................11 2.3 磨矿综合自动化系统组成与工作原理........................................................12 2.3.1 磨矿综合自动化系统基本组成..........................................................13 2.3.2 磨机综合自动化工作原理..................................................................14 2.4 本章小结........................................................................................................14 第 3 章磨矿过程专家控制功能设计......................................................................15 3.1 专家控制原理................................................................................................15 3.2 磨矿过程专家控制系统的控制目的............................................................16 3.3 磨矿过程专家控制系统检测与控制内容....................................................17 3.3.1 磨矿作业设备控制..............................................................................17 3.3.2 给矿量的检测与控制..........................................................................18 3.3.3 磨机电流检测......................................................................................19 3.3.4 磨音检测..............................................................................................19 3.3.5 给水量与钢球配置的控制..................................................................19 华北理工大学硕士学位论文 - IV - 3.3.6 矿浆浓度的检测与控制......................................................................19 3.3.7 磨矿负荷监测与控制..........................................................................20 3.4 磨矿专家控制系统的设计............................................................................21 3.4.1 专家控制系统设计..............................................................................21 3.4.2 专家控制系统规则设定......................................................................24 3.4.3 磨矿作业专家控制规则实现..............................................................26 3.5 本章小结........................................................................................................28 第 4 章磨矿过程故障诊断功能设计......................................................................29 4.1 磨矿过程故障诊断范围................................................................................29 4.2 磨矿过程故障分析........................................................................................29 4.2.1 磨矿作业故障分类..............................................................................29 4.2.2 磨矿作业主要故障分析......................................................................34 4.3 磨矿故障诊断专家系统设计........................................................................35 4.3.1 磨矿故障诊断专家系统工作原理......................................................36 4.3.2 磨矿故障诊断专家系统设计思路......................................................36 4.3.3 磨矿故障诊断专家系统总体结构设计..............................................36 4.3.4 磨矿故障诊断专家系统功能模块设计..............................................37 4.4 磨矿故障诊断系统知识库与推理机............................................................38 4.4.1 磨矿故障诊断专家系统知识库的获取..............................................38 4.4.2 磨矿故障诊断专家系统知识库的建立..............................................39 4.4.3 磨矿故障诊断专家系统推理机..........................................................41 4.5 本章小结........................................................................................................42 第 5 章磨矿综合自动化系统的设计与实现..........................................................43 5.1 软件开发平台的介绍.....................................................................................43 5.2 磨矿综合自动化系统结构.............................................................................44 5.3 磨矿综合自动化系统功能设计.....................................................................45 5.4 磨机综合自动化系统及其功能实现.............................................................47 5.4.1 磨矿综合自动化系统人机交互界面搭建..........................................47 5.4.2 工艺设备显示模块实现.......................................................................48 目次 - V - 5.4.3 通信状态显示模块实现......................................................................49 5.4.4 现场数据显示模块实现......................................................................49 5.4.5 控制手段集成模块实现......................................................................50 5.4.6 报警信息提示模块实现......................................................................52 5.4.7 工况图曲线绘制模块实现..................................................................54 5.4.8 故障诊断模块实现..............................................................................55 5.4.9 参数设定模块实现..............................................................................55 5.5 磨矿综合自动化系统调试与运行................................................................56 5.6 本章小结.........................................................................................................59 结论..........................................................................................................................60 参考文献......................................................................................................................61 致谢..........................................................................................................................65 在学期间研究成果......................................................................................................66 第 1 章绪论 - 1 - 第 1 章绪论 1.1 课题的研究背景及意义 随当今选矿厂由于存在矿石资源稀缺以及原矿的价格飙升且品位较差等多种因 素，经济效益大不如前，压缩生产支出并完善生产工艺以提高生产效率是增加选矿 厂效益的首选[1-2]。磨矿生产是选矿工艺流程当中的关键步骤之一，不仅决定着产 品质量的高低，也对选矿生产当中的其他环节产生影响进而使得选矿各项参数发生 浮动。然而磨矿作业受到多种因素制约，其本身的机理庞杂，原矿变为矿粉的生产 过程延迟较长，与此同时磨矿生产系统各项参数存在时变性和非线性等特征，使得 磨矿作业的有效控制变得异常困难[3]。针对磨矿环节存在的问题，众多专家学者不 断地对明确磨矿机理及如何提升磨矿生产品品质、完善磨矿环节缺陷进行探索，使 得磨矿作业生产指标达到相应水准又同时做到安全高效以实现成本压缩到最低点而 生产效率和生产品质达到最优。而现今的生产状况尤其是中小型选矿厂一般采用人 工对磨机凭借着积攒下的经验进行操控，具有很大的主观随意性以及滞后性，使得 磨矿各项参数改变甚至出现大范围浮动，很难取得令人满意的效果，既对磨机的生 产质量造成影响，也会在无形当中增加了磨矿成本，不利于磨矿生产节能降耗提升 效率的实现[4]。因此，磨矿工业的如果要实现生产指标达到相应水准又同时做到安 全高效以实现成本压缩到最低点而生产效率和生产品质达到最优，需要提升厂内设 备的自动化与信息化水平，需要运用先进的控制手段和合适的系统架构，以降低生 产成本，提高企业的竞争力。 球磨机是磨矿生产过程当中的关键设备，具有高能耗、大滞后等特点[5]。其中 球磨机的装载量也称之为磨机负荷，是磨矿工艺参数当中的关键，它包含磨机内的 矿料、水以及钢球量等。针对球磨机相关特性使用先进的控制手段加以控制，有利 于降低材料和能源的损耗，避免多种人工费，提升磨矿效率和磨矿品质，增加磨矿 的利润。但是磨矿作业的影响因素较多且庞杂混乱，如原矿的性质、前期的皮带秤 运送原料不均衡甚至电压的浮动也会干扰其运转，引起磨机的最佳负荷点发生变化 难以操控或者引起磨机及其各附属零件等出现故障，甚至严重时会导致“涨肚”现 象的发生，需要花费大量的物力和财力，对整个选矿流程都造成一定损失。基于 此，本文以唐山遵化某铁选厂为背景，针对磨矿的负荷控制和故障诊断，开展磨矿 综合自动化系统的研究与设计，实现自动化与信息化相结合，以实现磨矿效率提 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 升，降低企业损耗。 1.2 磨矿工艺简介 选矿生产工艺流程是将原本刚刚开采出来的矿石进行加工，去除矿石杂质并将 有用物质提取的一种矿石加工手段[6]。磨矿作业是选矿生产的其中一个环节，是原 矿石经过破碎之后将矿石变为矿粉或者矿浆的工业手段，也是矿浆后续进行浮选提 取的前提，其普遍运用于选矿、化工、钢铁制造以及材料生产等诸多领域当中。磨 矿作业的生产目标是将原矿石中包含的杂质分割出去，并对矿粉磨出的粒度加以控 制，将有用矿物加工为切合后续生产需求的矿粉或矿浆。磨矿的粒度过粗时，达不 到使用目的，需要通过螺旋分级机将其选出再次投入磨机内研磨。当磨矿的粒度过 细，会对后续的浮选等工作效率带来影响，增加了选矿的难度。且无论磨矿的粒度 过粗或者过细，都会增加选矿厂成本支出。所以，运用先进的控制手段针对磨矿环 节加以控制，使得磨机运行稳定达到最优负荷点，减少磨矿参数浮动避免最佳工作 负荷漂移，有利于企业成本降低，效率提升，大大增加企业的竞争力。 生产流程如图所示，磨矿位于原矿石破碎之后，经过运输送至矿石仓库，通过 人工或器械将碎矿推送，再由给矿设备传送到料仓当中。料仓里的碎矿经由下料设 备将其投送至皮带秤上，再由皮带秤缓缓送入球磨机当中进行研磨，且依靠皮带秤 记录下矿质量。与此同时，经过球料比计算出需要放置钢球的数量，随着皮带秤送 料的同时传送阵球磨机当中。经过水料比计算出需要加入的水量，进行球磨机注水 以得到矿浆。矿石、钢球和水随着球磨机自身的旋转不断摩擦使得矿石破碎细化并 逐渐变为矿浆。之后矿浆随着矿石的进入由球磨机内部放出进入至分级设备，即螺 旋分级机。其作用是将不符合粒度要求的部分矿质再投入至球磨机当中完成再次的 研磨，符合要求之后再排出进行后续作业。 图 1磨矿生产流程图 第 1 章绪论 - 3 - 1.3 磨矿过程及其综合自动化发展现状 1.3.1 国内外磨矿过程发展现状 磨矿作业是选矿工艺流程当中的关键步骤之一，决定着产品质量的高低，同时 对选矿生产当中的其他环节产生影响进而使得选矿各项参数发生浮动，因此磨矿控 制手段的进步不仅仅关系着选矿工业的成品品位，也是先进选矿企业竞争力的体 现，对选矿企业甚至地方经济的发展都具有重要作用。随着当今时代计算机技术的 兴盛，磨矿过程的运行方式也在逐步发生着变化。尤其是最近智能制造的崛起和节 能减排的号召，今后磨矿过程必定向着潮流不断进步，效率不断提升。 磨矿作业面对多种不同性质和品位的矿产资源，其运行过程的参数庞杂，具有 非线性和大滞后等特定因素等，都增加磨矿工业的控制难度和检测精度，阻碍着磨 矿工业的发展。与一些发展较早的发达国家相比较，我国的磨矿控制手段和检测技 术发展较晚，在建国之前，主要倚赖人工操作完成机器设备操控进行磨矿工作[7]。 建国初期之后，随着自动化技术初步发展，可以通过相关的仪器仪表完成原矿石的 主成分测量以及入矿量的质量计数等较为简单的单回路控制，但其技术水平和检测 条件依然很差。自 1960 年之后，分在北京和马鞍山地区的矿业领域的研究机构研 发了能够完成磨矿作业当中的入矿矿料质量自动计数和控制，并能够实现磨机研磨 之后分级作业当中的矿浆浓度测量与控制的实时检测装置，通过在甘肃白银地区选 矿企业实验，证明其单回路控制的检测装置应用效果良好，可以投入使用。在此之 后，随着后续时代中计算机、工控技术和在线测量仪表等相关技术的大幅发展，开 始逐渐出现以计算机技术为核心的 DCS 控制系统，选矿技术也随着进步。到了 80 年代初，以计算机技术为核心的 DCS 控制系统逐步应用到选矿领域，较为大型的 选矿企业着手引进了当时较为先进的以单片机为主的控制设备对选矿生产过程中的 参数进行检测并分析，以获得更高的效益。随着矿产资源价值越来越高，选矿企业 之间的竞争日趋激烈，其竞争手段均围绕着提升厂内的自动化水平达到节能降耗为 主。如铜陵地区的凤凰山选矿公司将芬兰的先进 DCS 控制系统购进并投入运营， 针对磨矿的参数检测和控制起到了较好的应用效果，我国的选矿技术革新由此展 开。到了 90 年代初期前后，磨矿工业在较大型的选矿厂实现了 DCS 系统运行，即 以分散控制和集中管理为手段的管控一体，能够通过计算机技术进行参数变更和设 备控制等水平。近些年来，我国的大中型选矿企业自动化水平进一步提升，选矿流 程从破碎环节一直到后续的浮选都与自动化技术紧密结合，实现了参数实时检测、 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 设备自动启停与控制等，使得选矿厂的生产效率和效益得到长足的进步。当今大数 据技术以及智能化算法层出不穷，磨矿的智能化、综合自动化也同样正在兴起。 而相对我国而言，国外的选矿企业在选矿技术更新换代方面较为快速，技术发 展较为成熟。在选矿行业大国如芬兰、德国、美国等在选矿技术水平方面的研究与 应用非常之多，其工艺水准已位于世界前列[8]。上世纪中叶前期，国外选矿工业一 般倚靠人工操控选矿器械进行生产工作，成本消耗严重。而到了上世纪中叶后期一 段时间内，基于检测领域知识的逐渐丰富，国外开始出现可用于矿石碎屑颗粒检 测、矿浆浓度初步检测以及矿浆酸碱度实时识别的自动化设备，取得了期望的功 效。在此期间，国外的计算机技术开始出现并迅猛发展，部分技术开始逐渐应用到 选矿企业当中进行实验。但当时仅仅作为单纯的计算工具以及记录工具，并未应用 到选矿过程的控制领域当中。进入 20 世纪 60 年代初期，计算机技术逐渐发展起来 并逐步应用到自动控制的相关领域当中，选矿企业同时也引进了计算机控制技术针 对磨矿作业进行无人化自动控制。随着 70 年代后以计算机为核心的 DCS 系统的研 发，其逐渐被应用于工控领域并在选矿企业尝试运行，经由一系列分布在设备当中 的自动化仪表探测将数据传递至计算机内进行推算并深入剖析，实现选矿过程中设 备的优化控制。进入 80 年代后，DCS 系统逐渐与微小型的集成计算机结合并在工 控领域得以应用。20 时间末，现代控制技术和智能化技术兴起，同时计算机领域 发展逐渐成熟，三者结合发展的新型应用系统在复杂控制领域得到长足的发展[9]。 国外部分选矿企业不断引进先进的智能化技术用于选矿数据分析，以之前的控制经 验为依托建立模型，取得了显著的成效。如美国 Barruk-Mercur 企业的半自磨机利 用控制经验为依托建立专家系统实现控制，与传统的控制方法相比，磨机的生产效 率较之前提高了 4.4，能源成本降低了 5.7。 1.3.2 国内外磨矿综合自动化研究现状 2000 年之后，网络和计算机技术领域都得到了长足的进步，选矿企业的传统 控制手段逐渐打破并参与进技术改革浪潮之中，磨矿作业当中的参数搜集与数据有 屁以管理集中控制分散的模式运作，利用数字化和网络化技术完成传输。部分磨矿 综合自动化将磨矿设备参数与市场联动形成新型的智能制造系统实现管控。磨矿综 合自动化的展露使得磨矿工业的发展可以基于诸多的生产一线以及市场数据，实现 磨矿工业流程分块工作，集散控制，达到节能降耗，提升企业竞争能力的要求。磨 矿工业的控制包含水料给定、负荷监测以及参数传送等工作，环节多且数据庞杂， 涉及了矿冶、自动控制、电气等诸多领域知识。其综合自动化的架构如下所示 第 1 章绪论 - 5 - 图 2磨矿分级控制系统基础控制回路 经典的磨矿综合自动化系统的构成一般分为生产、过程管理和信息管理共 3 层。其中生产层包括磨矿的生产设备、工控仪表柜等，主要是通过传感器或其他手 段采集工业生产数据，同时直接对设备启停等进行控制[10]。过程控制一般是