选矿破碎过程料位控制系统研究.pdf

中图分类号 U D C T P 2 7 3 6 2 0 硕士学位论文 学校代码 Q 三三 密级公珏 选矿破碎过程料位控制系统研究 T h eR e s e a r c ho ft h eM a t e r i a lL e v e lC o n t r o lS y s t e mo n t h eC r u s h i n gP r o c e s so ft h eO r e D r e s s i n g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 胡纯 控制科学与工程 控制理论与控制工程 信息科学与工程学院 王随平教授 张涛副教授 论文答辩日期型垒2 答辩委员会主席 中南大学 二零一四年四月 ● 宴 刻 7 l；二 ／ I U V 万方数据 学位论文原创性声明 | | I I II II I II II I II II I II Il Y 2 6 8 7 2 5 8 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 立鸟。盐． 日期』型L 年蜩生日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 鲻包 导师签名 万方数据 选矿破碎过程机腔料位控制系统研究 摘要选矿工艺在冶金工业中占有十分重要的地位，破碎过程作为选 矿工艺中的首要环节，其控制技术的研究始终广受关注。为了保证选 矿破碎过程的稳定，破碎机机腔料位参数的控制是该工艺的关键，连 续稳定生产要求机腔料位应控制在3 0 0 m m 左右。面向复杂的选矿破 碎过程参数进行优化控制，自适应时变的选矿破碎过程特性，是选矿 破碎过程控制技术的核心所在。 选矿破碎过程具有非线性、不确定性和时滞性等过程特性，传统 控制方法难以满足破碎过程控制要求。基于国内外相关或相近文献的 研究，结合选矿破碎过程特点，通过对选矿破碎过程进行机理解析， 构建了选矿破碎过程对象模型。针对选矿破碎过程对象模型呈现的时 滞和时变特性，采用S m i t h 预估控制器补偿对象模型的时滞，配置模 型参考自适应算法，弥补常规S m i t h 预估控制器对模型要求较高、难 以适应模型失配的算法特性。综合文献分析、工艺模型特性和算法适 应性，建立了基于自适应S m i t h 的选矿破碎过程控制方案，对选矿破 碎过程进行控制。仿真结果表明该方法在模型失配情况下具有良好的 控制效果。 以白适应S m i t h 控制算法为核心，从硬件和软件两方面对选矿破 碎控制系统进行了总体设计。控制软件由集中监控、分布测控、联网 通信等部分组成，采用面向对象的过程控制编程方式编制。硬件采用 F C S F i e l db u sC o n t r o lS y s t e m 分布式架构，通过自适应S m i t h 控制 器的F C S 监控系统实现选矿破碎过程的一体化监控。 关键词选矿；破碎；料位控制；自适应S m i t h 分类号T P 2 7 3 万方数据 T h eR e s e a r c ho ft h eM a t e r i a lL e v e lC o n t r o lS y s t e mo nt h e C r u s h i n gP r o c e s so ft h eO r eD r e s s i n g A b s t r a c t 1 1 1 eo r ed r e s s i n gp r o c e s so c c u p i e sv e r yi m p o r t a n t p o s i t i o ni n t h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ．A st h ep r i m a r yp a r to fo r ed r e s s i n gp r o c e s s ， t h ec r u s h i n g p r o c e s sc o n t r o l t e c h n o l o g yr e s e a r c h h a s a l w a y sb e e n c o n c e r n ．I no r d e rt og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h ec r u s h i n gp r o c e s so ft h e o r ed r e s s i n g ，t h em a t e r i a l l e v e lo ft h ec r u s h e ra st h ek e yo ft h et e c h n i c m u s t b ec o n t r o l l e da t30 0 r a m ．T h e a d a p t i v eo p t i m a l c o n t r o lo ft h e c o m p l e xp a r a m e t e r si St h ec o r eo ft h ec r u s h i n gp r o c e s so ft h eo r ed r e s s i n g t e c h n o l o g y ． T h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ec r u s h i n gp r o c e s so ft h eo r ed r e s s i n gi s c o m p l e x ，a n di th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r ，u n c e r t a i n t ya n dt i m e d e l a y ．1 1 1 e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sa r ed i f j f i c u l t t os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft h ec r u s h i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 ．T h ec r u s h i n gp r o c e s sm o d e l o ft h eo r ed r e s s i n gw a sp r o p o s e do nt h em e c h a n i s m a n a l y s i sb a s e do nt h e r e s e a r c ho f s i m i l a rd o c u m e n t sa n d t h e c r u s h i n gp r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c s ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m ed e l a ya n dt i m e v a r y i n go f t h ec r u s h i n gp r o c e s so ft h eo r ed r e s s i n g ，t h eS m i t hc o n t r o l l e r w a s d e s i g n e d f o r c o m p e n s a t i n gt h et i m ed e l a y ，w h i l et h ea d a p t i v e c o n t r o l l e rw a sp r o p o s e df o rm a k i n gu pf o rt h ed i s a d v a n t a g e so f t h eS m i t h c o n t r o l l e r ．1 1 1 eS m i t hc o n t r o l l e rh a sah i 曲d e m a n df o r t h ea c c u r a c yo ft h e m o d e la n di ti sd i f f i c u l tt oa d a p tt ot h em i s m a t c hm o d e l ．C o n s i d e r i n gt h e s i m i l a rd o c u m e n t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p r o c e s sm o d e la n dt h e a d a p t i v ea l g o r i t h m ，t h ea d a p t i v eS m i t hw a sd e s i g n e df o rt h ec r u s h i n g p r o c e s sc o n t r o lo ft h eo r ed r e s s i n g ．T h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea d a p t i v e S m i t hs t i l lh a sag o o dc o n t r o le f f e c ti nc a s eo ft h em o d e lm i s m a t c h ． T h ea d a p t i v eS m i t hi st h ec o r eo ft h e c r u s h i n gp r o c e s sc o n t r o l s y s t e m ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc r u s h i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 s y s t e mo ft h eo r ed r e s s i n gw e r ed e s i g n e d ．T h es o f t w a r ec o n s i s t so ft h e c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g ，d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，n e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n do t h e rp a r t s ，a n di ti sp r o g r a m m e d t h r o u g ht h ew a yo f o b j e c to r i e n t e d ．T h eF C S F i e l d b u sC o n t r o lS y s t e m d i s t r i b u t e ds t r u c t u r e w a sa d o p t e da st h eh a r d w a r es t r u c t u r e ．T h e nt h ec r u s h i n gp r o c e s sm o n i t o r o ft h eo r ed r e s s i n gi Sr e a l i z e do nt h ea d a p t i v eS m i t hc o n t r o l l e r ． 1 1 1 万方数据 K e y w o r d s O r ed r e s s i n g ；C r u s h i n gp r o c e s s ；M a t e r i a ll e v e l c o n t r o l ； A d a p t i v eS m i t h C l a s s i f i e a t i o n T P 2 7 3 I V 万方数据 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 课题的来源、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 ．1 课题的来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．2 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 国内外研究发展与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．1选矿工艺及其自动化研究发展与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．2 破碎工艺及其自动化研究发展与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．3 选矿破碎过程料位控制国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 研究内容与章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 选矿破碎过程工艺分析及料位控制模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1选矿过程的工艺分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 破碎过程工艺分析⋯．．．⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 选矿破碎过程对象模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．4 破碎机机腔料位检测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 选矿破碎过程料位控制算法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．1 选矿破碎过程料位控制方案适应性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．1 ．1 选矿破碎过程料位的P I D 控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．2 选矿破碎过程料位的专家系统控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．3 自适应S m i t h 预估控制器的优势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 选矿破碎过程料位控制系统总体控制框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 基于自适应S m i t h 的选矿破碎过程料位控制算法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．3 ．1 选矿破碎过程料位的时滞S m i t h 预估器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．3 ．2 基于模型参考自适应的选矿破碎过程料位控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．3 基于自适应S m i t h 的选矿破碎过程料位控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 选矿破碎过程料位控制系统仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 仿真工具及平台介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 选矿破碎过程对象模型描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 算法仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 ．1 模型匹配情况下仿真比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 V 万方数据 4 ．3 ．2 模型失配情况下仿真比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 选矿破碎过程料位控制系统的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．1 选矿破碎过程料位控制系统硬件结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 5 ．2 选矿破碎过程料位控制系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 ．1 软件开发平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 ．2 系统软件功能与流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．2 ．3 主要监控界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 作者攻读硕士学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1引言 从矿山采集的矿石原料纯度不高，除了矿物之外还有脉石夹杂在其中，矿石 中所需矿物含量不高，通过筛选过程，将矿石原料中脉石等无用的杂质剔除出来， 获得品位精度较高的矿石，进而后续用来冶炼、加工等用途，这个将矿石原料进 行筛选的过程就称作选矿工艺。另外，有的选矿工艺也用作将多种复合矿料中各 矿物进行分离。目前所采用的冶炼技术需要矿石原料品位不能太低，后续加工工 序对品位的要求也不一样【I 】。因此，品位不高的矿石原料需要通过选矿工艺，才 能达到后续矿物冶炼的要求，而且还能够大量节约低品位矿石的运输费用。另外， 冶金生产过程中，冶炼受精矿品位影响较大，例如每提高1 ％的铁精矿品位， 其焦比约下降2 ％，高炉利用系数约提高3 ％【2 】。地壳内矿床的储量中，富矿量比 较少，贫矿含量比较多，随着工业的发展，富矿将远远不能满足使用需求。需要 将大量的贫矿通过选矿处理成为冶金生产所需要的精矿，可见选矿工艺在冶金工 业中占有十分重要的地位。 选矿工业生产过程相当的复杂，来自采矿厂的矿石需要经过破碎筛分、破碎 分级、磨矿、浮选、精矿脱水等各个环节的作业，最后才能得到所需的精矿【j J 。 选矿过程中的每一个环节的工艺过程也是相当复杂的，既包括动力学过程，又有 物理过程和化学过程。为了选矿的顺利进行，首先必须解离矿石中的有用矿物颗 粒，既先破碎和磨碎矿石，使有用矿石达到粒度要求，让它能够单体分离出来。 因此，破碎过程作为选矿工艺中的首要环节也是最重要的环节，对碎矿后续工艺 的好坏影响很大。 1 ．2 课题的来源、研究目的及意义 1 ．2 ．1 课题的来源 选矿的工艺流程是由碎矿筛分、磨矿分级、选别以及选后的脱水作业等组成。 破碎主要是将大块的原矿石破碎成最优粒度为1 0 ．2 5 毫米的碎矿产物，便于后续 的磨矿工序，且能使选矿总成本达到最低【4 J 。破碎过程中需要运用到各种破碎机。 选矿车间是由破碎机和筛分机联合作业组成。 破碎机是具有大功率、高电压的重大设备，其工作状况的好坏将会对破碎机 的使用寿命造成直接影响，继而碎矿产品的质量也会受到一定程度的影响，所以， 在工作过程中为了防止破碎机过载，应控制其负荷。 破碎作业会影响选矿的经济指标。现有的破碎设备每更换一次衬板的频率一 般为半个月左右，巨大的备件消耗不容忽视。选矿厂动力消耗比较多的其中一个 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 作业包括破碎，破碎机能消耗掉选矿厂2 0 , 、- , 3 0 ％左右的电能。 由上述可知，对破碎作业的改善，不仅能有效的提高破碎产品的质量和降低 设备的维修以及更换频率，而且对选矿成本的降低，选矿厂生产率的提高具有重 要的经济实用价值。 1 ．2 ．2 研究目的及意义 对选矿破碎过程控制系统进行研究设计，以确保生产的连续正常运行，并能 有效的提高破碎处理能力和细碎整体运行效率。 破碎过程作为选矿工艺的首要环节，其核心问题就是对破碎机的机腔料位进 行有效地控制，为了使破碎机工作在最佳状态，其料位应高出分料头3 0 0r a m 为 宜，误差在 _ 3 0 r a m 。如果料位过高，容易堵塞破碎机，不易达到破碎矿石的粒度 要求；当料位过低时，则对破碎效率产生影响，进而影响选矿的产量。 另外，在破碎过程中，对象呈现出惯性滞后、工况时变和非线性的特点，是 典型的时滞系统【4 1 。经典的控制理论如P I D 控制，内模控制以及S m i t h 预估控制 都能很好的克服系统的滞后。但是经典的控制都要求有很精确的被控对象模型， 而在时变的环境中，要保证被控对象的模型的精确性往往很难。所以，针对破碎 过程对象的时变性，并旨在提高控制系统的鲁棒性，消除不可预测的干扰等影响， 本文着重研究一种新的控制算法，对于选矿工艺破碎过程的自动化控制系统具有 非常重要的经济和实用价值【5 J 。 就国内破碎过程控制现状而言，对破碎过程料位的控制大部分都是凭借人工 经验去判断，或者采用的是传统的控制方法去控制料位，并不能达到理想的控制 效果。在破碎过程控制系统中采用先进的控制方法有利于节约能源、降低人工成 本和生产原料成本、提高生产质量、延长机械设备的使用寿命和保护生产安全【6 J 。 对选矿破碎过程控制系统进行控制方法的优化，主要进行以下几部分的研究 和探索 1 选矿破碎过程料位对象模型研究 分析选矿破碎过程的工艺流程，剖析影响破碎过程的相关参数，如给料量、 皮带传输速度、料位值等，建立选矿破碎过程的数学模型。此模型有利于探讨适 合破碎过程控制系统特点的破碎过程控制方法。 2 选矿破碎过程料位控制算法研究 由于单纯的研究破碎机料位的控制算法不多，需要借鉴其他相关工程实际中 运用到的料位控制算法，结合选矿破碎过程破碎生产工艺要求以及对象数学模型， 选择设计出适合破碎过程控制系统的破碎机机腔料位控制算法，使得机腔料位在 最佳工作状态的要求范围内波动。 2 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 3 选矿破碎过程料位控制系统软硬件实现 根据选矿破碎过程的工艺要求，采用基于p r o f i b u s 的选矿破碎过程集散控制 系统，整个系统是一个三层的系统控制结构，分别为管理监控层、控制层和现场 执行层。并设计了破碎过程控制系统的上位机监控画面以及整个破碎过程控制的 程序流程【7 】。 所以，本文所研究的选矿破碎过程控制方法，有利于提高破碎过程的破碎效 率，降低成本，确保出矿的粒度要求，以及节约生产能源等。期望选矿破碎过程 控制系统通过先进的控制方法，达到理想的控制要求。 1 ．3国内外研究发展与现状 1 ．3 ．1 选矿工艺及其自动化研究发展与现状 选矿工艺在整个冶金业中担负着承上启下的重任。然而随着不断地开发和利 用矿业资源，具有较高价值的商品位矿石正在迅速减少。并且中国有色金属矿产 资源有着富矿少，贫矿多；粗颗粒少，细颗粒多；单一矿少，共生矿多的特点。 为了充分利用这些“贫、细、杂”的矿产资源，实现矿业的可持续发展，必须通过 先进的自动化控制技术来改善选矿的产品质量，提高选矿的经济效益，并在选矿 设备上，保证设备取得优良选别效果1 8 J 。 根据矿产资源种类的不同，所采用的选矿方法也不尽相同，可能采用某一种 或者几种工艺相混合。根据矿物质的物理特性来选别的属于物理选矿，而通过化 学性质来选别的方法是化学选矿，目的都是将精矿从原矿中选别出来。以下介绍 几种最常用的选矿方法 1 重选法 各种矿物质有着不同的相对密度，利用此种不同来进行选别的方法就是重选 法。矿物质在运动的介质中会受到多种作用力，由于粒子的不同密度，各类不同 的矿物粒子就会形成不同的粒子层，便于选别出不同的矿物粒子。如钨、锡矿石 等主要采用重选法进行选矿。 2 浮选法 不同的矿物质的表面其物理化学性质是各不相同的，根据所要求选出的精矿， 在浮选环节适当的添放能选出此精矿的药剂，产生泡沫，精矿就会吸附在泡沫上， 从而能通过泡沫分选出所需求的精矿。 3 磁选法 矿物质的磁性是存在着差异性的，可以利用其磁性的差异性来进行矿物质的 选别，从而得到冶金生产所要求选出的精矿。黑色金属矿石就能用磁选法来将精 矿选别出来。 3 万方数据 硕士学位论文1 绪论 4 电选法 各种矿物的导电率都是不同的，可以根据不同的导电率来进行矿物选别。不 同导电率的各种矿物质通过电选机的高压电场时，矿物上受到的静电力就会有差 别，于是通过电选法能选出冶金生产所需要的矿物质。 在选矿工艺方面的研究之外，选矿自动化方面的发展也十分迅速。选矿自动 化是基于现有的选矿工艺，运用各种先进的自动化技术来控制选矿过程。选矿过 程控制会采用符合选矿生产过程工况的检测仪表、执行机构、控制器、工控机等 控制设备，并会配备相应的人工参与，以此来保证选矿生产过程的生产安全性、 产品质量、生产效益等需求【9 】。 2 0 世纪5 0 年代末，就开始有选矿生产过程的自动控制技术，其发展已经有 近6 0 年的历史。由于选矿生产过程的物料流性质多变，矿物的生产工艺流程繁复， 再加上复杂的物理化学过程，以及物料本身可能具有腐蚀性、磨损性等因素I l0 1 ， 在一定程度上影响了选矿过程控制的应用水平。其普及程度和发展速度相对的落 后于石油化工、冶金等行业。然而据国外资料统计，选矿厂采用自动控制技术一 般可提高1 0 ％一1 5 ％的设备能力，提高2 5 ％一5 0 ％的劳动生产率，降低3 ％一5 ％的 生产成本。因此近年来业内人士也越来越重视选矿过程的自动控制技术【l0 1 。 从国际上来看，选矿生产过程的自动化发展是非常迅速的。上世纪5 0 年代初 期，主要是检测选矿工艺过程中的某些变量。5 0 年代末，开始控制选矿过程的模 拟仪表，虽然当时的稳定性并不很高。随着在工业控制领域广泛的运用计算机， 6 0 年代末，选矿生产过程的自动数字控制开始有了萌芽。7 0 年代又进一步有了对 选矿生产过程控制的最优化研究和实验，由最优化静态到最优动态控制及控制的 智能化的探索。一些传统的矿业大国的选矿过程控制技术已经开始应用到了从原 矿破碎到精矿脱水的各个选矿作业环节，过程控制中会测试各个重要矿物的品位、 浓度、粒度，以及各种关键设备如破碎机、球磨机的状态参数。以往的都是针对 单机、单参数、单作业段的操作控制，现在开始朝着管理控制的一体化方向发展， 形成了全流程、全车间乃至全厂范围的多参数多回路的多级控制。近年来计算机 的应用范围越来越广泛，再加上网络和通讯技术也有着突破性的发展，在相当大 的程度上也加快了选矿过程控制的集成技术的发展。国外的大型选矿厂都开始采 用现场总线式的D C S 控制技术，一些其他的智能控制技术如专家系统、神经网络 理论和模糊控制也开始进入选矿过程控制的实用阶段。 芬兰O u t k u m p u 公司的选矿厂经历了几次大的选矿过程控制技术应用改革。 目前最先进的矿浆品味分析仪和矿浆粒度在线检测分析仪器被应用到了该选矿 厂，而且对球磨机内的物料量以及浮选泡沫大小、流动速度等参数也配备了分析 仪，并采用了先进的现场总线式D C S 以及专家系统等智能控制技术，实现对选矿 4 万方数据 硕士学位论文1 绪论 现场的实时检测和控制I l 。 针对选矿过程控制的优化，南非的m i n t e k 矿冶公司结合了多年的生产数据资 料和多年工业实践经验，开发出了名为S t a r C S 的选矿过程优化软件包，以此软件 包来对选矿过程进行优化。P R O S C O N 先进控制系统则是芬兰的O U T O T E C 针对 选矿过程的优化开发出来的。这些先进的优化控制方法有利于选矿过程的全面在 线分析，并为以后发展选矿的智能化控制打下了坚实的基础I l 引。 我国的选矿自动化工作始于5 0 年代，当时主要用于矿石的自动计量和矿石中 金属的自动检测。从7 0 年代末开始对选矿作业各个环节的单个变量控制的研究。 就国内而言，选矿厂的自动控制大部分都是对碎矿车间的集中监控；对磨矿车间 进行的分布式控制；而浮选车间的控制还依然是单回路水平上。有的选矿厂虽然 有了较为先进的集散控制系统，但也仅仅只是某一车间或选矿的某一环节，即便 是有的选矿厂把过程控制系统应用在了全部的选矿车间，但没有形成一个完整的 控制系统，各环节的工作不能相互联系，优化控制，并进行统一的协调管理。 山东望儿山金矿采用了D C S 系统模式，实现了碎矿、磨矿、浮选、精矿脱水 流程的综合自动化。其系统能获得比较全面的测控参数，并且能够提供远程的监 管【13 1 。 德兴铜矿大山选矿厂采用D e l t a V D C S 控制系统，对整个磨矿、浮选过程进行 了自动化系统改造。利用P L C 进行系统的变量采集，并有效的保证了单体设备启 停之间的互锁。运用线粒度分析仪、X 荧光分析仪、电磁流量计、温度检测仪等 各种先进的检测仪器来实现选矿过程的实时检测。经过对选矿过程自动控制系统 不断的改造和完善，有效的发挥了各项设备的功能，实现了自控系统的集中分散 控制和选矿过程中的各类参数实时监控I l 3 。。 还有西林铅锌矿运用了自动控制系统对磨矿浮选过程进行控制，该系统把电 化学控制浮选等技术有效利用起来，使单回路调节器和工控机对其进行成套控制。 金川公司进行了部分工序的控制研发，主要在磨矿作业、浮选机液位和自动加药 等方面取得了较大的突破。抚顺红透山铜矿的矿浆品位的检测则通过在线分析仪 来实现，并且将矿浆p H 值、磨机加球计量和浮选加药等进行一体化控制，均收 到良好效果。 1 ．3 ．2 破碎工艺及其自动化研究发展与现状 选矿过程中，选别工序的不可或缺的首要步骤就是破碎矿料。首先，选矿过 程所遇到的矿石基本都是由有用矿物和脉石矿物夹杂混合而成，而且大多比较细 小的嵌入在矿石中，所以需要破碎矿石从而分离出有用矿物和杂料才能在后续工 序中对有用矿料进行收集。其次，矿石粒度对后续物理选矿方法有着较大的影响， 粗粒度 有用矿物与脉石未实现解离 或细粒度 即过粉碎的为细粒 都不容易 5 万方数据 硕士学位论文1 绪论 被分选出来。另外，碎矿过程又是选矿工艺中成本最高的工序，所以破碎矿石工 序就是为后续选矿过程准备易于富集矿石的步骤，对选矿的质量好坏以及工厂的 生产成本有着显著的影响。现在比较常用的矿石破碎方法主要有以下几种 1 压碎法 该法主要是使矿料受到两个受力面积较大而且能够不断变大的压力面作用使 物料破碎。 2 劈碎法 这种方法主要是通过破碎机内部尖齿大力戳入矿料中，使矿料一部分断裂而 破碎。 3 折断法 物料被两个相反方向的力将矿料弄断从而使得矿料破碎，矿料不但受到外力 作用，而且易被弯曲力折弯从而破碎。 4 磨剥法 矿料受到破碎工作面摩擦，从而被磨碎，这种方法主要在矿石表面作用，比 较适合精磨较小的矿石。 5 冲击法 物料一下子收到破碎机的撞击而碎裂，因而也被叫做动力破碎。现今常用的 破碎机常常不是利用某一种破碎方法来破碎，而是结合以上几种破碎方法共同工 作。 利用这些方法所设计出了各式各样的破碎机，本文中的选矿过程破碎控制系 统所运用的有颚式破碎机、圆锥破碎机。 在破碎过程自动化研究方面，因为破碎过程比较复杂，而且含有生产过程缓 慢，带有部分滞后，易受外界干扰等特性，从而较难优化控制破碎过程。但是， 近些年，选矿破碎过程的自动控制的研究一直吸引着国内外选矿自动化科技工作 者们。 国外对破碎过程的自动化研究一直处在世界前列，主要有南非、芬兰、澳大 利亚和加拿大等几个国家，这些国家的研究重点是通过提升系统自动化程度来提 高破碎的效率。许多国外的产品都配有先进的传感器以及自动控制装置，不但能 够保护生产设备还能对节约能源和环境保护起到一定作用。澳大利亚芒特一艾萨 铅锌选矿厂设计基于自校正最小偏差控制策略对粗碎和粗选工序进行控制，通过 调节给矿机放料量改变粗碎机的电机电流从而增大粗碎机的破碎量。美国 S P L I T E NG E I N E E R I N G 公司在P I T ．t o ．P l a n t 项目中将S p l i t ．o n l i n eR o c k F r a g m e n t a t i o nA n a l y s i ss y s t e m 系统应用到M a r i l aG o l dM i n e 的S A B C 工艺当中。 该系统的应用使得处理量从原来的3 6 5 t ／h 提高到了4 0 0t ／h 。 6 万方数据 硕士学位论文l 绪论 在国内，破碎过程自动化的研究不多，现在大多还是各步骤单独控制，没有 形成一个完整的控制系统。上海宝钢集团梅山选矿厂破碎过程的自动化控制，现 在仅是用P I D 控制策略来控制部分过程参数。首钢水厂选矿厂破碎系统包含粗碎、 中碎以及细碎三种破碎机，并结合振动给矿机和运输皮带组成的运送系统共同组 成了选矿破碎过程控制系统。2 0 0 3 年初，该厂采用P L C 对破碎系统设备进行集散 控制，实时准确地保证了设备启停之间的互锁，并能够在上位机的监控画面中监 测各设备的生产情况。在设备运行参数与设定参数不相符时，系统会发出警报， 提醒工人分析判定问题，解决异常，而在设备出现故障时，系统能提醒工人紧急 停止问题设备，防止出现事故。马钢的南山矿业公司通过在凹山选矿厂升级提升 碎矿工艺流程中，建立了碎矿过程集散监控系统，使工人能够在公司、调度室以 及生产现场车间都能够通过该监控系统来监视和控制破碎生产【l4 1 。该监控系统采 用的是工业以太网进行通讯，使中央监控室能够读取破碎过程各个工序的现场设 备工作状态、参数以及现场视频，而且各个工序控制分站点能够接受中央监控系 统发出的各个控制命令，从而形成了一整套破碎过程集散控制系统，能够便捷高 效的对破碎生产进行监控。 1 ．3 ．3 选矿破碎过程料位控制国内外研究现状 选矿破碎控制过程除时滞性外，还具有非线性和不确定性等特点，使得建立 对象数学模型时有较多的影响因子，致使设计控制系统时需要考虑多方面因素。 目前，选矿破碎过程料位控制还没有较好的自动控制范例，大多是对破碎工 艺过程进行简单的参数检测与工艺的连锁集散控制等。如钟贵宝针对矿山破碎工 艺综合自动化控制所设计的控制系统基于P L C 控制技术，变频器控制技术等技 术，将P L C 、上位机以及传感器等组合起来，实现集散控制自动化系统的设计l l 5 | 。 张海峰、王冶刚和王淑红针对矿石破碎工序，设计了控制系统，介绍了系统的结、 功能。根据矿石破碎系统的工艺要求，以P L C 为控制核心，以P r o f i b u s ．D P 总线 为架构，采用智能M C C 控制保护装置作为控制单位，实现对破碎系统的控制I J 6 。。 刘文光，史建国和张铭铭则介绍了用P L C 和触摸屏设计的石灰石破碎控制系统方 案【”】。吴伟宾则针对烧结燃料破碎控制系统，将基于P r o f i b u s ．D P 现场总线的控制 系统与传统的P L C 硬接线方式相比较，验证了基于P r o f i b u s ．D P 现场总线的控制系 统控制效果更优l l 引。 选矿破碎过程控制系统有着机械设备所带来的非线性、受环境影响的不确定 性和皮带传送所导致的滞后性等特点，所以在设计破碎过程控制系统时需要考虑 多方面因素。目前国内选矿破碎过程的给料控制基本仍靠操作员往常的操作经验 来进行调节，这样就需要在现场运行的时候一直有操作人员在现场监测，增大了 操作工的劳动量以及强度。虽然现场操作的工作人员进行过大量的现场操作，有 7 万方数据 硕士学位论文1 绪论 着丰富的操作经验，但是仍不能