城門山銅礦濃密機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

劉夢曉，段偉杰

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

當(dāng)城門山銅礦位于江西省九江市柴桑區(qū)城門鄉(xiāng)，隸屬于江西銅業(yè)股份有限公司，是以銅、硫?yàn)橹鳎采f、鋅、鐵，伴生金、銀等多種金屬元素的大型礦山，是國內(nèi)已探明的18座大型銅礦和9大稀有稀散金屬礦床之一［1]。20世紀(jì)50年代末60年代初開始進(jìn)行開采，幾經(jīng)變革，2002年建成了處理量2000t/d的1#選礦廠，2012年選廠二期擴(kuò)建，新建了日處理量5000t/d的2#選礦廠，目前礦石處理能力約8000t/d，是江銅集團(tuán)的骨干礦山企業(yè)。

城銅選礦廠濃縮脫水工段的生產(chǎn)主要依賴工人現(xiàn)場操作，工人勞動強(qiáng)度大，自動化程度低，生產(chǎn)指標(biāo)波動頻繁，已成為制約城銅精礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因此，對濃密脫水流程進(jìn)行智能化改造，建立濃密機(jī)生產(chǎn)過程機(jī)理模型，實(shí)時監(jiān)測濃密機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，自控控制閥門放礦，對于設(shè)備高效利用，提高生產(chǎn)效率，以及降低操作工人勞動強(qiáng)度，都具有很大的意義［2]。

2 銅精礦濃縮脫水生產(chǎn)工藝流程

選礦廠建有2座工廠，均具有獨(dú)立完整的工藝流程，歷經(jīng)多年改造，1#系統(tǒng)濃密機(jī)和壓濾設(shè)備均已廢棄不用，一二選廠共用了2#系統(tǒng)濃密脫水流程。一廠和二廠浮選流程銅精礦通過溜槽進(jìn)入30m濃密機(jī)，礦漿中懸浮顆粒在重力作用下自由沉降，濃密機(jī)中心經(jīng)液壓傳動，耙架沿著池壁周圍呈規(guī)律性圓周行走，保證礦漿呈懸浮態(tài)運(yùn)動，同時起到礦漿壓縮緩沖作用。耙架上的刮臂不斷將礦漿刮向底部，大致形成了澄清層、自由沉降層、壓縮層三級高度的池內(nèi)狀態(tài)［3]。根據(jù)生產(chǎn)狀況，加入了絮凝劑加快顆粒物沉降，如圖1所示。

圖1 濃密機(jī)

澄清層溢流水進(jìn)入回水池，通過輸送泵揚(yáng)至高位水池返回生產(chǎn)流程。池內(nèi)濃縮后高濃度礦漿通過底部閥門放至銅精礦攪拌桶，然后經(jīng)隔膜泵進(jìn)入壓濾機(jī)，壓濾機(jī)壓濾精礦粉落入精礦倉成為最終產(chǎn)品，經(jīng)貨車運(yùn)送出礦，壓濾機(jī)濾液進(jìn)入回漿泵池，經(jīng)渣漿泵重新?lián)P送至銅濃密機(jī)。整體工藝流程如圖2所示。

3 主要控制方案設(shè)計(jì)

由于建設(shè)初期條件不完善，現(xiàn)場很多設(shè)備并未配備檢測儀表，現(xiàn)場工人采用手測、目測等方式記錄數(shù)據(jù)，存在測量不及時、不準(zhǔn)確等問題，因此首先新增了部分儀器儀表，實(shí)時獲取設(shè)備關(guān)鍵信息。生產(chǎn)流程限于條件，依靠人工憑經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場進(jìn)行操作，對原控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，使之具備遠(yuǎn)程可啟或調(diào)節(jié)的條件。在實(shí)現(xiàn)硬件檢測和調(diào)節(jié)的工作上，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)編程，根據(jù)城門山生產(chǎn)實(shí)際，開發(fā)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的上位機(jī)畫面和控制功能模塊。

圖2 濃密脫水工藝流程

通過新建一套控制系統(tǒng)，讀取現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，得到濃密機(jī)內(nèi)部機(jī)理狀態(tài)，并在上位機(jī)實(shí)時顯示，從而指導(dǎo)操作工人生產(chǎn)。同時為減少人工操作的隨意性和誤差，對底流進(jìn)行自動放礦控制，保持底流濃度穩(wěn)定，為后續(xù)流程提供符合要求的產(chǎn)品，從而提升生產(chǎn)經(jīng)營指標(biāo)［4]。選礦廠二廠已建有1套主控DCS系統(tǒng)，采用美國Rockwell公司的Controllogic 1756系列PLC作為主控CPU，精礦脫水車間設(shè)有一子站，已與主控PLC通過Control Net現(xiàn)場總線建立了通信連接［5]。為充分利用現(xiàn)有條件，避免重復(fù)投資，新建控制站接入原DCS系統(tǒng)，利用已打通的通信線路傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。新增1臺優(yōu)化工程師站，與DCS數(shù)據(jù)庫通過OPC通信連接，得到現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)大數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析建模，得到濃密機(jī)池內(nèi)生產(chǎn)狀況模型，同時給出控制策略，對生產(chǎn)流程進(jìn)行自動控制。其整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 基于PLS建模的底流濃度軟測量

濃密機(jī)池內(nèi)反應(yīng)過程復(fù)雜，受來料波動，介質(zhì)黏度，出料大小等多種因素共同影響，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型［6]。從生產(chǎn)過程機(jī)理研究為切入點(diǎn)，基于過程機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動相融合方式，對于解決這種復(fù)雜過程建模提供了一條新思路［7]。根據(jù)濃密機(jī)生產(chǎn)機(jī)理，將采集的入料流量，出料流量，池內(nèi)壓力，濃度泵電流等海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與實(shí)際測量的底流濃度相比較，實(shí)現(xiàn)了對底流濃度的智能預(yù)測及軟測量。

建模時采用偏最小二乘方法（PLS），偏最小二乘回歸是一種多因變量對多自變量的回歸建模方法。PLS方法可以通過將數(shù)據(jù)從高維空間投影到低維空間，得到互相正交的特征向量，最后建立特征向量之間的一元線性回歸關(guān)系。PLS方法有效地克服了普通最小二乘回歸（Least Squares method，LS）的共線性問題，同時PLS將多元回歸問題轉(zhuǎn)化為多個一元回歸，適用于樣本數(shù)較少而變量數(shù)較多的過程建模［8]。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，在濃密機(jī)內(nèi)部安裝了4個壓力傳感器，傳感器之間的距離是確定的，選取壓力值Pa,Pb,Pc,Pd作為建模變量，同時離線測量底流濃度，采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算收斂，得到PLS模型所要求的回歸系數(shù)θ。

當(dāng)?shù)玫叫聵颖綳new時，利用θ按下式直接計(jì)算出預(yù)測結(jié)果：

圖4 濃密機(jī)關(guān)鍵變量軟測量系統(tǒng)

底流濃度軟測量驗(yàn)證結(jié)果：

（1）離線驗(yàn)證：平均絕對誤差1.74%；最大絕對誤差3.3%。

（2）在線驗(yàn)證：平均絕對誤差1.2%；最大絕對誤差3.71%。

圖5顯示了濃度軟測量值與實(shí)際測量值比較，誤差在工藝要求范圍內(nèi)，可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖5 濃度軟測量值與實(shí)際值比較

5 基于專家控制規(guī)則的底流自動放礦控制

濃密機(jī)底流自動放礦控制是冶金行業(yè)濃縮脫水流程的重要難題，由于無法建立底流濃度與入料礦量、出料礦量、池內(nèi)壓力的精確數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)PID控制無法取得良好控制效果。文獻(xiàn)[9]采用了智能推理與Fuzzy-PID控制器相結(jié)合的方法 ，文獻(xiàn)[10]提供了基于一種占空比調(diào)節(jié)閥門的開環(huán)控制方法，取得了一定成果。實(shí)踐證明，專家控制系統(tǒng)對非線性復(fù)雜控制系統(tǒng)有良好控制效果［11]。本文針對城門山生產(chǎn)現(xiàn)狀，通過模擬工人操作規(guī)則，結(jié)合日常工作經(jīng)驗(yàn)，提出了基于專家控制規(guī)則的底流自動放礦控制。

在濃密機(jī)生產(chǎn)中，最重要的問題是耙架壓力過大，造成濃密機(jī)系統(tǒng)停機(jī)。所以必須優(yōu)先保證濃密機(jī)壓力不會超過最大范圍，發(fā)生停產(chǎn)事故［12]。同時銅精礦攪拌桶是有一定容量的，必須保證液位在一定范圍，液位過低壓濾機(jī)得到的精礦太少無法進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，液位過高則滿出泵池，發(fā)生跑冒滴漏。底流濃度是自控放礦的控制目標(biāo)，底流有四路閘板閥為放礦的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，該系統(tǒng)為三輸入四輸出的多輸入多輸出非線性控制系統(tǒng)。根據(jù)城門山選礦廠生產(chǎn)實(shí)際，濃密池耙架壓力Ya，攪拌槽液位Ye，濃度軟測量值Ne作為系統(tǒng)輸入，四路閘板閥F1-F4作為輸出，通過輪詢放礦的方式，控制閥門輸出調(diào)節(jié)濃度值。

部分控制規(guī)則如下：

（1）當(dāng)攪拌桶液位高于連鎖上限時IF Ye>Ye.Max，停止放礦THEN F(N)=0；

（2）當(dāng)耙架壓力高于安全上限，且攪拌桶液位低于連鎖下限時IF YA>Ya.Max AND Ye

（3）當(dāng)耙架壓力低于安全上限，且底流濃度高于工藝上限，且攪拌桶液位低于連鎖下限時IF YANe.Max AND Ye

（4）當(dāng)耙架壓力低于安全上限，且底流濃度低于工藝下限時IF YA

以上系統(tǒng)輸入均可以通過畫面人工選擇是否投用，當(dāng)濃度軟測量值明顯偏離正常范圍后給出報警提示，可手動選擇切除，將剩余參數(shù)作為系統(tǒng)輸入。并且手動自動具有無擾切換功能，可隨時進(jìn)行手動自動切換。如圖6所示

圖6 底流自動放礦控制

每次放礦開啟閥門F(n)，得到開到位信號后，置中間數(shù)m加1，當(dāng)m>f時切換到F(n+1)并復(fù)位，切換到下一臺閥門開啟，避免長期動作單一閥門造成設(shè)備過度磨損。當(dāng)發(fā)出開閥信號且長時間未得到開到位信號，認(rèn)為設(shè)備故障，給出報警提示。

6 應(yīng)用效果

應(yīng)用效果見表1。

表1 統(tǒng)投用前后效果對比

濃縮脫水智能控制系統(tǒng)開發(fā)上線運(yùn)行后，操作工人可在操作間實(shí)時查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，。當(dāng)發(fā)生故障時可以及時發(fā)出報警并提示，大大提高了設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性。操作站還可直接遠(yuǎn)程起停部分設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了底流濃度自動放礦，減輕了工人的勞動工作量，與投用前相比，底流濃度平均提高近9%，壓濾板數(shù)明顯減少，降低了備件損耗和單位能耗，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。