工艺在线检测仪表与自动控制系统在司家营铁矿的应用

李少华 赵立志 王世新 熊向前

(丹东东方测控技术股份有限公司)

工艺在线检测仪表与自动控制系统在司家营铁矿的应用

李少华 赵立志 王世新 熊向前

(丹东东方测控技术股份有限公司)

针对目前国内球磨机1段给矿参与自动控制，磨机往往要随矿石性质变化而改变给矿量，不能很好提高磨机效率，单纯通过自动化控制又难以实现的问题，通过选用在线粒度分析仪与磨音检测采用模糊控制理论结合PID控制方案建立了自动控制系统。实际应用表明：该方案可有效提高磨机的工作效率及处理量，达到了稳定磨矿浓度等磨矿指标、提高自动控制程度的目的。

在线粒度分析仪 磨音 浓度 模糊控制 自动控制系统

国内外许多单位对磨矿分级过程自动控制进行了研究，大多采用数字PID控制方案，其对于给矿流量的控制、磨矿浓度的控制、溢流浓度的控制和泵池液位的控制都有不错的效果。而磨矿分级过程具有随机干扰因素多、过程机理复杂、非线性、大滞后、各环节变量相互耦合作用大等特点，因而仅用以上方案实现控制目的还远远不够。为此，河北钢铁司家营铁矿一期五系列自动化控制项目以1段球磨机与分级机闭环工艺控制为研究对象，通过对现场的工艺点评估取样，并与现场工艺人员讨论研究，最终决定采用DF-PSM超声波在线粒度仪检测溢流粒度、浓度，采用DF-MSSA智能磨音频谱分析仪检测球磨机工作状态，结合模糊控制理论来实现对磨矿的控制。

1 控制系统配置及功能要求

1.1 控制系统的硬件选择

为保证控制系统的稳定性和实用性，设计采用了大容量、稳定性较强的西门子CPU417-H高性能处理器作为控制器，采用了现场应用稳定、测量精度较高的DF-PSM超声波在线粒度仪、DF-6420超声波矿浆浓度计和DF-MSSA智能磨音频谱分析仪等在线检测仪表。

DF-PSM是一种连续矿浆流在线粒度监测系统，它基于超声衰减原理测量矿浆的粒度和浓度，这项测量技术在国外研究40多a，超声粒度仪已被矿物处理工业广泛接受。河北钢铁集团引进的 DF-PSM超声波在线粒度仪为丹东东方测控技术股份有限公司自主研发产品，该产品能够快速、精确的测量大量矿浆，具有杰出的精确度和可靠性。DF-PSM超声波在线粒度仪在河北钢铁集团司家营铁矿选矿厂自投入自动化控制以来，起到了不可替代的作用。超声波粒度仪的实时在线检测，使球磨工或自控系统可在确保产品粒度满足工艺要求的前提下，根据矿石性质可适时调整给矿量或给水量等控制参数，保证磨机永远实时处于高水平负荷状态，使磨机处理量保持较高或最大。

1.2 控制系统的软件选择

编程软件采用了PCS7编程软件，可实现程序的在线监视、修改，并集成组态软件WINCC 6.2将组态监控画面在上位计算机显示现场设备运行状况以及部分实时检测数据。设备的运行状态多以动态方式直观的显示出来，数据检测则以相对应的数字或棒图直观显示。在组态控制画面中，不仅可实现设备运行状态的显示，而且可进行参数的修改，工艺参数的调整，显示部分为现场设备运行实时检测。具有操作权限的操作员可对其进行操作，以此指导生产。

1.3 控制系统的网络组态

为防止控制系统瘫痪，实现控制器的无扰切换，该控制系统采用了冗余型网络。西门子S7-400系列PLC(CPU417-H)作为主控制器(主站点)，主站点之间通过光纤进行信息交互。选择ET200M模块作为远程I/O(从站点)，它与主站点访问通过PROFIBUS现场总线进行通信，CPU与上位机采用传输速率更快更可靠的工业以太网，构成了三层网络结构的控制层。另外， 根据车间的实际情况，可在多个球磨机组之间设置多个远程I/0从站点，实现与主站上位机间的数据通信。

1.4 控制系统的功能要求

针对球磨机的研磨过程随机干扰因素多，过程机理复杂，存在较大的惯性和滞后性，将自动控制理论引入到球磨机控制系统中，具有很强的鲁棒性，能够有效地克服球磨机主电机功率的非线性、时变等因素的干扰。该控制系统运行可靠、调节速度快、抗干扰能力强，能较好地实现球磨机恒功率自动控制，最大限度地提高设备的生产率和自动化水平。

2 控制系统的检测内容

为使控制系统更加稳定、准确，对以下变量进行了检测、采集。检测内容包括：球磨给矿量检测，DF-MSSA对磨机声音的检测，磨机功率检测，球磨返砂水流量检测，球磨排矿水流量检测，分级机电流检测，DF-PSM对溢流浓度检测，DF-PSM对溢流粒度检测，磁选机尾矿流量检测，磁选机尾矿浓度检测及干矿量计算，振动筛给矿皮带瞬时矿量检测。司家营选矿厂五系列1段磨矿工艺流程见图1。

图1 河北钢铁司家营选矿厂五系列1段磨矿工艺流程

3 控制系统的控制功能划分

控制系统的控制功能包括：球磨给矿控制、返砂水控制、给矿水控制、加球机自动控制、涨肚判断和矿石性质判断。

3.1 球磨给矿控制

3.1.1 计算入磨总量

3.1.2 控制算法[1]

(1)主要根据检测参数磨机功率、磨音、分级机电流、分级机溢流粒度基于模糊运算原理完成控制给矿自动控制框图见图2。

图2 自动控制框图

(2)解模糊判决[2]。模糊控制器的输出为模糊量，它包含了控制量的各种信息，需要把这些模糊量转变成被控对象能够接受的精确的控制量。为充分利用控制器输出模糊集的所有信息，可采用加权平均判决方法，其中的加权系数选择隶属函数，则判决结果表示为：

式中，μu(zi)为经由模糊推理得到的每条控制规则控制量的隶属度。zi的计算可由输出量的隶属函数得到，其输出量的隶属函数图形见图3。

图3 输出量的隶属函数图形

3.2 磨机排矿水及返砂水的控制

(1)估算水量。首先根据公式D浓度=L总矿/L总水+L总矿估算出总水量，返砂水量=总水量-磁选机精矿含水量，磁选机精矿含水量=磁选机给水量-磁选机尾矿水量(原矿水分忽略不计)，这样可计算出返砂水量并可根据入磨量的变化而变化，就可稳定磨矿浓度，提高磨矿效率，从而达到优化控制的目的。

(2)水量控制。主要根据检测参数磨音、分级机电流、分级机溢流粒度、磨矿浓度、瞬时矿量进行控制(见图2)。控制方法原则为：①根据分级机溢流粒度、分级机电流进行模糊运算调整排矿水，在保证溢流粒度的前提下，如果排矿水调整到极限值，开始自动调整返砂水，改变磨矿浓度；②根据磨矿浓度、瞬时矿量、分级机溢流浓度变化量做为控制系数，来调整给排水控制阀门。

3.3 矿石性质判断

当瞬时矿量不变，水量不变，在一定时间内磨音值下降，溢流粒度变粗视为矿石性质为难磨，反之矿石性质为好磨。当判断出矿石性质发生变化时，系统会自动调整给矿设定值，改变给矿控制模型，以达到优化给矿的控制目的(见图2)。

4 经济效益分析

在司家营一期，粒度仪实现了闭环控制，磨机处理量提高了7个百分点。按照1 a多产铁品位为65.3%的铁精矿35 481.6 t计算，年可新增效益860.61万元，其投资回收期为0.31 a，利润率为321.12%。试验室筛分粒度与超声波粒度仪实时检测数据对照结果见表1。

5 结 语

(1)通过在线粒度分析仪在河北钢铁1段磨矿中的应用，证明1段磨矿作业可以实现优化控制。其一，根据分级机的溢流粒度与排矿水和磨矿浓度的相关性，排矿水增大分级机溢流粒度变细，磨矿浓度越大溢流粒度越细，从而得到一种控制理论，根据分级机溢流粒度变化，控制排矿水和磨矿浓度。其二，磨机的负荷状态与磨音频谱信号和磨矿浓度的相关性，音频信号大，磨矿浓度小，说明磨机负荷低，由此可以根据磨机音频信号和磨矿浓度变化来判断磨机的负荷，实现自动给矿。

(2)以往有专家提出自动化在矿山的应用中要提高台时处理量，但基本都没有实现，而此项目已在河北钢铁集团司家营铁矿选矿厂得到了成功应用。与以往控制相比不同的是，实现了在线实时粒度检测，可以根据最终的合格指标有效地控制球磨机的入磨矿量，同时提高处理量、磨矿效率和作业指标，大大降低工人的劳动强度。

表1 试验室筛分粒度与超声波粒度仪实时检测数据对照结果

(3)目前，该研究的不足之处在于没有磨矿浓度的直接检测，这也是所有选矿行业面临的问题，仍需进一步研究解决。

[1] 董燧珍.FUZZY+PID自动控制技术在磨矿分级回路的应用[J].中国矿山工程，2006(1)：15-20.

[2] 周克良，张建荣.模糊-PID 串级控制在磨机给矿量控制系统中的应用[J].煤矿机械，2008(1)：162-170.

2015-02-16)

李少华(1981—)，男，工程师，118000 辽宁省丹东市沿江开发区滨江中路136号。