自动化在磨矿分级过程控制中的应用

辛智娟

【摘 要】 磨矿分级过程是一个复杂的循环系统，各种外界干扰因素众多。磨矿分级过程惯性大，纯时滞长，非线性严重又有时变性，机理比较复杂，单凭人工操作难以达到理想的效果，这就迫切要求对磨矿分级过程进行自动控制。

【关键词】 磨矿分级 模糊控制 PLC 模糊PID PROFIBUS

【Abstract】 The grinding-classification process is a complex circulatory system，each external interference influence factor is multitudinous. At the same time， grinding-classification process has a large inertia， very long pure lag time， the non-linearity serious and sometimes has the denaturation. the mechanism quite is complex. So it only depends on the manual control to achieve with difficulty the ideal effect and that urgent need to carry on the automatic control to the grinding-classification process.

【Key words】 grinding-classification fuzzy control PLC fuzzy PID PROPIBUS

1 引言

磨矿分级过程是一个复杂的循环系统，各种外界干扰影响因素众多，矿石的性质、磨矿浓度、介质充填率、磨机转速率、料球比、返砂量、分级效率、介质配比、介质形状等等都会对磨矿作业产生较大影响。同时，磨矿分级过程惯性大，纯时滞长，非线性严重又有时变性，机理比较复杂。人工操作时，由于人的观察能力和精力有限，不可能适时地、准确地调整操作参数。于是人工操作时不得不采用降低磨矿分级机组效率的操作方法，以求得在干扰幅度较小时工况正常。然而，在干扰幅度较大时，仍难免造成操作事故，作业过程大起大落，球磨机或“胀肚”（过负荷）“空砸”（欠负荷），分级机不是跑粗就是返砂过量，并且形成恶性循环，严重影响磨机和分级机组的效率的发挥，造成了能耗的增加，提高了企业的成本。这就迫切需要对磨矿分级过程进行自动化控制。

1.1 影响磨矿分级因素的概述

要想控制好磨矿分级过程，就得对磨矿分级的运行特性有深入了解，以下就对磨矿分级的特性作一分析。

磨矿分级过程是一个非常复杂的系统，影响因素多、干扰大、过程长、滞后大。众多影响因素中，属于物料性质方面的有：矿石性质，给矿粒度，矿石含泥量、含水量，产品细度；厲于磨机结构方面的有：磨机规格、型式，衬板；属于操作方面的有：介质充填率、磨机转速、返砂比、分级效率、矿浆的浓度、粒度、 温度以及矿浆的化学成分。此外，还有很多随机干扰因素。这些影响因素本身又相互影响，如溢流浓度直接影响着返砂量，进而影响磨机装载量，再又影响磨机排矿量，磨机的排矿量又对分级溢流浓度及产品细度有影响。上述诸多因素的多变性及随机性大大增加了最优化问题解决的难度。必须对各影响因素进行深入研究和分析，才能取得有效的控制。

1.2 影响磨矿分级的其他因素

物料性质、给矿粒度和产品粒度是一类影响磨机生产率的因素。物料性质可通过矿石的可磨性系数来反应，可磨性系数是与矿石的机械强度，嵌布特性和磨矿比等有关。矿石越硬，可磨性越小，磨细它所消耗的能量越多，这样磨机的处理能力会下降。给矿粒度越粗，需要磨矿的时间越长，将它磨到规定细度所消耗的能量也越多，生产率会越小。磨矿产品的粒度还直接影响选别的指标，磨矿产品过粗，有用矿物和脉石没有充分的分离，太细又引起过粉碎，两种情况都会使选别的指标降低。

钢球的添加量，钢球的磨损情况以及衬板的磨损情况对球磨机的运行特性都会有影响力。当钢球按一定的配比添加时，球磨机的处理能力随钢球的添加而增加。当达到一定程度后，出现最大值，此时对应钢球的最佳添加量，此后若再添加，球磨机的处理能力将下降。

矿浆的流变特性对磨矿效率也有很大影响。随着筒体浓度的增加，矿浆的流变特性由膨胀型过渡到假塑型，这对生产指标影响很大，与此同时，矿浆流速也会发生显著变化。本文以巴润公司磨矿分级为研究对象，讨论自动化在巴润公司磨矿分级过程控制中的应用。

2 磨选工艺流程介绍

巴润的磨选分成4个系列，每个系列磨矿流程相同，为阶段磨矿阶段选别工艺流程。每个系列的子系统在控制上形成了全流程控制的各个反馈环节，继而实现整个工艺流程的大闭环优化控制。

选矿设计采用了磁选—浮选联合选矿工艺流程，其中包括四段弱磁、一段中磁、一段浓缩磁选和降硫反浮选。选矿指标为铁精矿品位TFe=67.5%，S<0.18%，回收率66.17%。

磨矿仓内的矿石经皮带机给入第一段φ5.0×6.4m溢流型球磨机，球磨排矿给入φ610×6旋流器组进行一次分级，旋流器沉砂返回球磨形成闭路磨矿；旋流器溢流进入弱磁一CTB1230弱磁选机，弱磁一尾矿进入中磁CTB-1230中磁选机进行选别，其精矿和弱磁一精矿进入二次分级设备φ350×8水力旋流器组进行二次分级，旋流器沉砂进入第二段φ5.0×6.4溢流型球磨机，磨矿后矿浆再返回旋流器组分级，旋流器和磨机形成闭路；旋流器分级溢流进入弱磁二CTB-1230弱磁选机，弱磁二精矿进入2SG48-60W-5STK五路重叠式高频细筛进行分级，筛上进入NCT-1230浓缩磁选机，浓缩磁选精矿进入第三段φ4.3×6.1溢流型球磨机，磨矿后矿浆再返回2SG48-60W-5STK五路重叠式高频细筛进行分级，细筛和磨机形成闭路；其筛下进入弱磁三LCTJ-1230弱磁选机，弱磁三精矿进入弱磁四进行精选，弱磁四精矿进入脱硫浮选作业。endprint

3 磨矿系统的控制方式

通过对巴润公司磨选系统进行长时间的多种方案的现场调试，最终确定了以浓度控制为主线的磨矿分级系统。巴润公司的磨选作业为阶段磨矿阶段选别作业，将磨选分级系统划分成一段磨矿分级控制系统、二段磨矿分级控制系统、三段磨矿分级控制系统。在分成的3段磨矿控制系统中，从工艺流程可以看出一、二段分级机用的是旋流器组，三段用的是高频细筛。对于一、二段的旋流器磨矿分级控制系统而言，当一段旋流器的分级溢流浓度、弱磁一的给矿泵池浓度、二段旋流器的给矿泵池浓度、三段细筛的给矿泵池浓度控制好后，则对应分段的磨选分级控制系统就会达到动态平衡状态，当分成的3段磨矿控制系统达到动态平衡后，再对整个系统的设置参数作微调就达到全磨选系统的平衡，从而保证设备的利用率达到最大，铁精矿产品合格率最高。

3.1 一段磨矿控制分析

3.1.1 一段磨矿浓度和给水量的控制

我们可以建立浓度控制的系统框图如（图1）。

1）从浓度控制框图可以看出，首先要进行的就是给矿量的控制，给矿量的大小直接影响到球磨机的运行效率，给矿量过大，球磨可能发生胀肚，给矿量过小，影响生产，不利于设备运行效率的提高，为此我们设计以下模型保证球磨机的最佳运行状态（图2）。

2）从浓度控制框图可知，一段磨矿分级系统的总给水量包含给矿水、一次分级给矿泵池补加水、一段球磨机的排矿水以及一次旋流器的沉砂冲洗水。一次旋流器的沉砂冲洗水量一般是人工确定大小，只要保证沉砂不在旋流器中堵住就可以了。给矿水的大小控制则需要根据球磨机的最佳运行浓度来确定。如果给矿量的数据已知，浓度的设定值已知，则补加水量可以根据浓度的公式很容易计算出。通过对巴润现场的实际情况分析可知，一段球磨机的排矿水和一次分级泵池的补加水比例在7：3比较合适，这样一段磨矿系统的补加水控制就基本确定，

通过上面的分析，一次分级补加水已经确定，则根据比例关系一段球磨机的排矿水、一段旋流器给矿泵池补加水就确定了。控制图如（图3）。

考虑到整个一段系统的动态控制，我们还将一次旋流器上的压力因素也参与到一段球磨给矿水的修正控制中。我们通过对现场的观察，记录压力、给矿水的一系列数据，然后选取其中最合适的两组数据，可以建立压力与修正给矿水的一元一次方程的对应关系，当然仅仅通过压力修正给矿水量还不够，为了防止意外，我们还可以加入一人工修正值，通过对人工修正值的更改，使一段球磨系统达到最佳运行状态。通过以上分析我们得出一段球磨给矿水的控制系统图如（图4）。

3.1.2 磨机工作效率随磨矿浓度的变化情况

根据对球磨机的运行状态观察可知，当球磨机的装载量不变时，球磨机的磨矿工作效率是随着磨矿浓度的变化而变化的。它们之间的关系特性曲线如图所示。开始时，球磨机的磨矿效率随着磨矿浓度的增大而增大，但达到一极值后，再增加磨矿浓度，球磨机的效率反而会下降，对应于有功功率最大值的磨矿浓度就是最佳磨矿浓度，也即图中的P点处。所以磨矿浓度是一个对磨机运行有重要影响的因素，需对它进行有效控制。巴润选厂根据实际运行效果磨矿浓度P点控制值为80%（图5）。

3.1.3 一段磨矿的泵的控制

从磨矿系统的工艺流程图看出在一段磨矿和二段磨矿之间涉及到过程控制的还有弱磁1给矿泵池水位控制，弱磁1给矿泵频率控制。在所有的泵池（一次分级给矿泵池、弱磁1给矿泵池、二次分级给矿泵池、三次分级给矿泵池）控制中我们都考虑到自动过程控制出现意外情况的处理方式，在泵的控制上分成远程手动和远程自动控制。远程手动控制就是手动设定泵的变频器的频率，远程自动控制就是根据液位控制泵的变频器频率。远程手动控制可以保证当远程自动控制出现问题时操作员根据操作经验输入合适的频率，保证系统的连续生产，在找出远程自动控制出现的问题后再切回到远程自动控制。弱磁1给矿泵频率控制系统图如（图6）。

在整个磨选系统中其控制思想是以浓度控制为主，对于弱磁1给矿泵池的给矿浓度是通过调节弱磁1给矿泵池的补加水系数来调节的，通过对系数的不断修正使整个系统达到最佳运行状态。控制系统图如（图7）。

3.2 二段磨矿控制

二段磨矿控制的主要控制对象包含：二段球磨机排矿水、二次分级给矿泵池的补加水、二次分级给矿泵变频器频率。二次分级给矿泵变频器频率控制方式与一次分级给矿泵变频器频率控制相同，在此不在赘述。

3.3 三段磨矿控制

三段磨矿控制的主要控制对象包含：三段球磨机排矿水、三次分级给矿泵池的补加水、三次分级给矿泵变频器频率。对于三段磨矿的这几个控制对象，控制方式基本与前面的相同，此处不再重复。

整个磨矿系统采用“化整为零“的控制方式，对分出的小控制系统先进行调节，再调节整体，当整个系统达到动态稳定状态后可以看出，各给矿泵池的液位基本保持不变，在保证最终精矿产品质量的前提下，充分发挥了设备效率。 保证生产系统的连续、稳定和高效运行。通过优化控制实现了选厂生产磨矿处理能力和金属回收率最大化。

4 结语

巴润公司选矿控制系统工程于2009年6月现场开始施工、安装、调试，2010年6月份全面投入运行。直到现在运行3年来，无论在控制精度、稳定性以及其它控制质量指标方面都取得了良好的控制效果。全流程控制系统界面友好，操作简单，在降低工人劳动强度和提高设备运行率方面也取得明显的成效，尤其是磨选全流程自动控制系统的应用，它能为提高选厂生产效率、产品质量、节能降耗、提高选矿现代化科学管理和数字化管理发挥主要作用，带来显著的经济效益。endprint

3 磨矿系统的控制方式

通过对巴润公司磨选系统进行长时间的多种方案的现场调试，最终确定了以浓度控制为主线的磨矿分级系统。巴润公司的磨选作业为阶段磨矿阶段选别作业，将磨选分级系统划分成一段磨矿分级控制系统、二段磨矿分级控制系统、三段磨矿分级控制系统。在分成的3段磨矿控制系统中，从工艺流程可以看出一、二段分级机用的是旋流器组，三段用的是高频细筛。对于一、二段的旋流器磨矿分级控制系统而言，当一段旋流器的分级溢流浓度、弱磁一的给矿泵池浓度、二段旋流器的给矿泵池浓度、三段细筛的给矿泵池浓度控制好后，则对应分段的磨选分级控制系统就会达到动态平衡状态，当分成的3段磨矿控制系统达到动态平衡后，再对整个系统的设置参数作微调就达到全磨选系统的平衡，从而保证设备的利用率达到最大，铁精矿产品合格率最高。

3.1 一段磨矿控制分析

3.1.1 一段磨矿浓度和给水量的控制

我们可以建立浓度控制的系统框图如（图1）。

1）从浓度控制框图可以看出，首先要进行的就是给矿量的控制，给矿量的大小直接影响到球磨机的运行效率，给矿量过大，球磨可能发生胀肚，给矿量过小，影响生产，不利于设备运行效率的提高，为此我们设计以下模型保证球磨机的最佳运行状态（图2）。

2）从浓度控制框图可知，一段磨矿分级系统的总给水量包含给矿水、一次分级给矿泵池补加水、一段球磨机的排矿水以及一次旋流器的沉砂冲洗水。一次旋流器的沉砂冲洗水量一般是人工确定大小，只要保证沉砂不在旋流器中堵住就可以了。给矿水的大小控制则需要根据球磨机的最佳运行浓度来确定。如果给矿量的数据已知，浓度的设定值已知，则补加水量可以根据浓度的公式很容易计算出。通过对巴润现场的实际情况分析可知，一段球磨机的排矿水和一次分级泵池的补加水比例在7：3比较合适，这样一段磨矿系统的补加水控制就基本确定，

通过上面的分析，一次分级补加水已经确定，则根据比例关系一段球磨机的排矿水、一段旋流器给矿泵池补加水就确定了。控制图如（图3）。

考虑到整个一段系统的动态控制，我们还将一次旋流器上的压力因素也参与到一段球磨给矿水的修正控制中。我们通过对现场的观察，记录压力、给矿水的一系列数据，然后选取其中最合适的两组数据，可以建立压力与修正给矿水的一元一次方程的对应关系，当然仅仅通过压力修正给矿水量还不够，为了防止意外，我们还可以加入一人工修正值，通过对人工修正值的更改，使一段球磨系统达到最佳运行状态。通过以上分析我们得出一段球磨给矿水的控制系统图如（图4）。

3.1.2 磨机工作效率随磨矿浓度的变化情况

根据对球磨机的运行状态观察可知，当球磨机的装载量不变时，球磨机的磨矿工作效率是随着磨矿浓度的变化而变化的。它们之间的关系特性曲线如图所示。开始时，球磨机的磨矿效率随着磨矿浓度的增大而增大，但达到一极值后，再增加磨矿浓度，球磨机的效率反而会下降，对应于有功功率最大值的磨矿浓度就是最佳磨矿浓度，也即图中的P点处。所以磨矿浓度是一个对磨机运行有重要影响的因素，需对它进行有效控制。巴润选厂根据实际运行效果磨矿浓度P点控制值为80%（图5）。

3.1.3 一段磨矿的泵的控制

从磨矿系统的工艺流程图看出在一段磨矿和二段磨矿之间涉及到过程控制的还有弱磁1给矿泵池水位控制，弱磁1给矿泵频率控制。在所有的泵池（一次分级给矿泵池、弱磁1给矿泵池、二次分级给矿泵池、三次分级给矿泵池）控制中我们都考虑到自动过程控制出现意外情况的处理方式，在泵的控制上分成远程手动和远程自动控制。远程手动控制就是手动设定泵的变频器的频率，远程自动控制就是根据液位控制泵的变频器频率。远程手动控制可以保证当远程自动控制出现问题时操作员根据操作经验输入合适的频率，保证系统的连续生产，在找出远程自动控制出现的问题后再切回到远程自动控制。弱磁1给矿泵频率控制系统图如（图6）。

在整个磨选系统中其控制思想是以浓度控制为主，对于弱磁1给矿泵池的给矿浓度是通过调节弱磁1给矿泵池的补加水系数来调节的，通过对系数的不断修正使整个系统达到最佳运行状态。控制系统图如（图7）。

3.2 二段磨矿控制

二段磨矿控制的主要控制对象包含：二段球磨机排矿水、二次分级给矿泵池的补加水、二次分级给矿泵变频器频率。二次分级给矿泵变频器频率控制方式与一次分级给矿泵变频器频率控制相同，在此不在赘述。

3.3 三段磨矿控制

三段磨矿控制的主要控制对象包含：三段球磨机排矿水、三次分级给矿泵池的补加水、三次分级给矿泵变频器频率。对于三段磨矿的这几个控制对象，控制方式基本与前面的相同，此处不再重复。

整个磨矿系统采用“化整为零“的控制方式，对分出的小控制系统先进行调节，再调节整体，当整个系统达到动态稳定状态后可以看出，各给矿泵池的液位基本保持不变，在保证最终精矿产品质量的前提下，充分发挥了设备效率。 保证生产系统的连续、稳定和高效运行。通过优化控制实现了选厂生产磨矿处理能力和金属回收率最大化。

4 结语

巴润公司选矿控制系统工程于2009年6月现场开始施工、安装、调试，2010年6月份全面投入运行。直到现在运行3年来，无论在控制精度、稳定性以及其它控制质量指标方面都取得了良好的控制效果。全流程控制系统界面友好，操作简单，在降低工人劳动强度和提高设备运行率方面也取得明显的成效，尤其是磨选全流程自动控制系统的应用，它能为提高选厂生产效率、产品质量、节能降耗、提高选矿现代化科学管理和数字化管理发挥主要作用，带来显著的经济效益。endprint

3 磨矿系统的控制方式

通过对巴润公司磨选系统进行长时间的多种方案的现场调试，最终确定了以浓度控制为主线的磨矿分级系统。巴润公司的磨选作业为阶段磨矿阶段选别作业，将磨选分级系统划分成一段磨矿分级控制系统、二段磨矿分级控制系统、三段磨矿分级控制系统。在分成的3段磨矿控制系统中，从工艺流程可以看出一、二段分级机用的是旋流器组，三段用的是高频细筛。对于一、二段的旋流器磨矿分级控制系统而言，当一段旋流器的分级溢流浓度、弱磁一的给矿泵池浓度、二段旋流器的给矿泵池浓度、三段细筛的给矿泵池浓度控制好后，则对应分段的磨选分级控制系统就会达到动态平衡状态，当分成的3段磨矿控制系统达到动态平衡后，再对整个系统的设置参数作微调就达到全磨选系统的平衡，从而保证设备的利用率达到最大，铁精矿产品合格率最高。

3.1 一段磨矿控制分析

3.1.1 一段磨矿浓度和给水量的控制

我们可以建立浓度控制的系统框图如（图1）。

1）从浓度控制框图可以看出，首先要进行的就是给矿量的控制，给矿量的大小直接影响到球磨机的运行效率，给矿量过大，球磨可能发生胀肚，给矿量过小，影响生产，不利于设备运行效率的提高，为此我们设计以下模型保证球磨机的最佳运行状态（图2）。

2）从浓度控制框图可知，一段磨矿分级系统的总给水量包含给矿水、一次分级给矿泵池补加水、一段球磨机的排矿水以及一次旋流器的沉砂冲洗水。一次旋流器的沉砂冲洗水量一般是人工确定大小，只要保证沉砂不在旋流器中堵住就可以了。给矿水的大小控制则需要根据球磨机的最佳运行浓度来确定。如果给矿量的数据已知，浓度的设定值已知，则补加水量可以根据浓度的公式很容易计算出。通过对巴润现场的实际情况分析可知，一段球磨机的排矿水和一次分级泵池的补加水比例在7：3比较合适，这样一段磨矿系统的补加水控制就基本确定，

通过上面的分析，一次分级补加水已经确定，则根据比例关系一段球磨机的排矿水、一段旋流器给矿泵池补加水就确定了。控制图如（图3）。

考虑到整个一段系统的动态控制，我们还将一次旋流器上的压力因素也参与到一段球磨给矿水的修正控制中。我们通过对现场的观察，记录压力、给矿水的一系列数据，然后选取其中最合适的两组数据，可以建立压力与修正给矿水的一元一次方程的对应关系，当然仅仅通过压力修正给矿水量还不够，为了防止意外，我们还可以加入一人工修正值，通过对人工修正值的更改，使一段球磨系统达到最佳运行状态。通过以上分析我们得出一段球磨给矿水的控制系统图如（图4）。

3.1.2 磨机工作效率随磨矿浓度的变化情况

根据对球磨机的运行状态观察可知，当球磨机的装载量不变时，球磨机的磨矿工作效率是随着磨矿浓度的变化而变化的。它们之间的关系特性曲线如图所示。开始时，球磨机的磨矿效率随着磨矿浓度的增大而增大，但达到一极值后，再增加磨矿浓度，球磨机的效率反而会下降，对应于有功功率最大值的磨矿浓度就是最佳磨矿浓度，也即图中的P点处。所以磨矿浓度是一个对磨机运行有重要影响的因素，需对它进行有效控制。巴润选厂根据实际运行效果磨矿浓度P点控制值为80%（图5）。

3.1.3 一段磨矿的泵的控制

从磨矿系统的工艺流程图看出在一段磨矿和二段磨矿之间涉及到过程控制的还有弱磁1给矿泵池水位控制，弱磁1给矿泵频率控制。在所有的泵池（一次分级给矿泵池、弱磁1给矿泵池、二次分级给矿泵池、三次分级给矿泵池）控制中我们都考虑到自动过程控制出现意外情况的处理方式，在泵的控制上分成远程手动和远程自动控制。远程手动控制就是手动设定泵的变频器的频率，远程自动控制就是根据液位控制泵的变频器频率。远程手动控制可以保证当远程自动控制出现问题时操作员根据操作经验输入合适的频率，保证系统的连续生产，在找出远程自动控制出现的问题后再切回到远程自动控制。弱磁1给矿泵频率控制系统图如（图6）。

在整个磨选系统中其控制思想是以浓度控制为主，对于弱磁1给矿泵池的给矿浓度是通过调节弱磁1给矿泵池的补加水系数来调节的，通过对系数的不断修正使整个系统达到最佳运行状态。控制系统图如（图7）。

3.2 二段磨矿控制

二段磨矿控制的主要控制对象包含：二段球磨机排矿水、二次分级给矿泵池的补加水、二次分级给矿泵变频器频率。二次分级给矿泵变频器频率控制方式与一次分级给矿泵变频器频率控制相同，在此不在赘述。

3.3 三段磨矿控制

三段磨矿控制的主要控制对象包含：三段球磨机排矿水、三次分级给矿泵池的补加水、三次分级给矿泵变频器频率。对于三段磨矿的这几个控制对象，控制方式基本与前面的相同，此处不再重复。

整个磨矿系统采用“化整为零“的控制方式，对分出的小控制系统先进行调节，再调节整体，当整个系统达到动态稳定状态后可以看出，各给矿泵池的液位基本保持不变，在保证最终精矿产品质量的前提下，充分发挥了设备效率。 保证生产系统的连续、稳定和高效运行。通过优化控制实现了选厂生产磨矿处理能力和金属回收率最大化。

4 结语

巴润公司选矿控制系统工程于2009年6月现场开始施工、安装、调试，2010年6月份全面投入运行。直到现在运行3年来，无论在控制精度、稳定性以及其它控制质量指标方面都取得了良好的控制效果。全流程控制系统界面友好，操作简单，在降低工人劳动强度和提高设备运行率方面也取得明显的成效，尤其是磨选全流程自动控制系统的应用，它能为提高选厂生产效率、产品质量、节能降耗、提高选矿现代化科学管理和数字化管理发挥主要作用，带来显著的经济效益。endprint