赤铁矿混合选别全流程智能控制系统的研究

摘要

中国赤铁矿资源丰富，但普遍具有品位低、杂质含量高、嵌布粒度细、难以选别的特点，采用单一的磁选或者浮选的选别方法难以去除杂质而实现含铁物质的有效回收，必须在磁选选别之后，采用混合选别流程（包括磨矿过程、浓密过程和浮选过程）才能获得较高品位的精矿，其中，混合选别过程是赤铁矿选矿环节中最为关键和重要的生产环节，其主要任务是将选矿过程的工艺指标精矿品位和尾矿品位控制在工艺规定的目标值范围内，尽可能提高精矿品位和降低尾矿品位。精矿品位和尾矿品位是表征混合选别过程产品质量和生产效率的关键工艺技术指标，即运行指标，提高精矿品位和降低尾矿品位，对于提高选矿过程产品质量、降低能源消耗、提高企业经济效益具有重要意义。 混合选别全流程运行指标精矿品位和尾矿品位与浮选机矿浆液位之间具有强非线性、强耦合等综合复杂特性，随生产边界条件（给矿浓度、给矿流量、给矿粒度、矿石成分）变化而变化，难以用精确数学模型描述;多级串联浮选机矿浆液位之间具有强耦合特性，与对应浮选机出口阀门开度之间具有非线性关系，且受浮选首槽矿浆流量频繁波动干扰的影响，因此难以采用已有的控制方法通过浮选机矿浆液位的设定控制和跟踪控制实现精矿品位和尾矿品位的优化控制。混合选别浓密过程是以底流矿浆泵转速为输入，矿浆流量为内环输出，矿浆浓度为外环输出的强非线性串级过程，受浮选过程产生的大而频繁的中矿矿浆的随机干扰，且难以用精确数学模型描述，它不仅要求将外环输出控制在目标值范围内，而且将内环输出及变化率的波动也要控制在目标值范围内，因此难以采用已有的串级控制方法对其进行控制。目前赤铁矿混合选别全流程的浮选机矿浆液位设定控制、浮选机矿浆液位跟踪控制、给矿浓度和流量区间控制均采用人工控制方式，当生产边界条件频繁变化时，操作员难以及时准确地判断运行工况，调整浮选机出口阀门的开度和浓密过程底流矿浆泵转速，常常出现浓密过程底流矿浆浓度和流量超出工艺规定范围的情况，造成浮选机“冒槽”和“不刮泡”等故障工况发生，使得有用金属流失，金属回收率降低，进而导致最终精矿品位低，尾矿品位高，严重影响选矿厂的经济效益。 本文依托国家科技支撑计划《选矿全流程先进控制技术》（编号:2012BAF19GOI），结合酒泉钢铁集团有限公司选矿厂“赤铁矿提质降杂改造工程”项目，以将精矿品位和尾矿品位控制在目标范围内的同时，尽可能提高精矿品位，降低尾矿品位为目标，开展了赤铁矿混合选别全流程智能控制系统的研究。提出了赤铁矿混合选别过程智能控制方法;设计了控制系统软、硬件结构，开发了实现上述控制方法的智能控制系统软件;在此基础上，将该控制系统成功应用国内某选矿厂，取得了显著的应用效果。本文的主要成果如下: 1.针对混合选别全流程所具有的综合复杂性，提出了将精矿品位和尾矿品位控制在目标值范围内的混合智能运行控制方法，运行控制方法由上层浮选机矿浆液位设定和下层浮选机矿浆液位跟踪控制两层结构组成。智能运行控制上层浮选机矿浆液位设定由基于案例推理的预设定模型、基于规则推理的前馈补偿器和反馈补偿器以及基于主元分析与极限学习机(PCA-ELM)的运行指标软测量模型组成。智能运行控制下层矿浆液位跟踪控制针对多级串联浮选机矿浆液位系统这一多变量、强耦合、参数不确定的非线性工业过程，提出基于自适应神经网络模糊推理系统(ANFIS)的非线性自适应解耦控制策略，该自适应解耦控制器是由线性自适应解耦控制器，非线性自适应解耦控制器和切换机制组成。线性自适应解耦控制器可以保证闭环系统的输入输出稳定，非线性自适应解耦控制器可以提高系统的暂态性能，通过上述两种控制器的切换，保证闭环系统的稳定同时改善系统的控制性能; 2.针对混合选别全流程中的浓密过程是一类受到大而频繁的随机干扰且难以建立数学模型的强非线性串级过程，将模糊控制、规则推理、切换控制和串级控制相结合，提出了浓密机底流矿浆浓度和矿浆流量区间串级控制结构和基于静态模型的流量预设定、模糊推理流量设定补偿、流量设定保持和规则推理切换机制组成的流量设定智能切换控制算法。其中，矿浆流量预设定根据流量静态模型，产生矿浆流量初始设定值;流量设定补偿模型根据矿浆浓度偏差和流量偏差对流量设定值进行补偿;切换机制对浓密过程工况进行识别，在流量设定保持器和补偿器之间进行切换，从而将底流矿浆浓度和矿浆流量及其变化率的波动控制在目标值范围内; 3.根据赤铁矿混合选别全流程的工艺流程，设计了控制系统软硬件平台，在此基础上，采用所提出的混合选别全流程智能控制方法研制了智能控制系统软件，该软件包括混合选别全流程智能运行控制软件，混合选别浓密过程底流矿浆浓度和流量区间智能切换控制软件、混合选别全流程过程控制软件和系统监控软件，其中运行控制软件由浮选机矿浆液位设定控制软件和浮选机矿浆液位跟踪控制软件组成; 4.将研制的赤铁矿混合选别全流程智能控制系统应用于酒钢选矿厂实际生产过程，并与人工手动控制方式进行了实验对比。其中智能运行控制方法与人工控制相比，精矿品位提高了0.31个百分点，尾矿品位降低了2.18个百分点;对于浮选机矿浆液位控制方法与人工控制方式，进行了改变设定值和给矿扰动变化两种对比实验，实验结果表明自适应解耦控制方法控制效果明显优于人工手动控制方式，浮选机矿浆液位能够快速地跟踪其设定值，大大降低了浮选机“冒槽”生产事故的发生;对于浓密过程底流矿浆浓度和矿浆流量区间控制方法与人工手动控制方式，进行了当扰动大而频繁随机变化时的对比试验，本文所提的方法能够将底流矿浆浓度和矿浆流量及其变化率的波动均控制在工艺规定的范围内，与人工控制方式比较，精矿品位提高了0.13个百分点，尾矿品位降低了1.56个百分点，取得了显著的应用效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1混合选别过程研究现状

1．1．1混合选别过程工艺

1．1．2混合选别过程建模

1．1．3混合选别过程关键工艺指标检测技术

1．2混合选别过程控制研究现状

1．3案例推理在工业过程控制中应用研究现状

1．4规则推理在工业过程控制中应用研究现状

1．5本文的主要工作

第2章赤铁矿混合选别全流程控制问题描述

2．1赤铁矿混合选别全流程的设备组成与工艺流程

2．2混合选别全流程的控制目标

2．2．1基本工艺技术指标

2．2．2混合选别全流程控制目标

2．3混合选别全流程的动态特性分析

2．3．1精矿品位和尾矿品位与过程变量之间的动态特性分析

2．3．2浮选机矿浆液位的动态模型及动态特性分析

2．3．3浓密过程底流矿浆浓度和流量动态特性分析

2．4混合选别全流程运行指标控制现状分析及存在的问题

2．4．1精矿品位和尾矿品位目标值设定现状分析及存在的问题

2．4．2浮选机矿浆液位控制现状分析及存在问题

2．4．3浓密过程底流矿浆浓度和矿浆流量控制现状分析及存在的问题

2．5本章小结

第3章赤铁矿混合选别全流程智能控制方法

3．1控制目标

3．2混合选别全流程控制策略

3．2．1控制思路

3．2．2控制结构和功能

3．3智能运行控制算法

3．3．1浮选机矿浆液位智能设定算法

3．2．2控制结构和功能

3．4浓密过程底流矿浆浓度和流量区间切换控制算法

3．4．1流量设定智能切换控制算法

3．4．2流量PI控制算法

3．4．3仿真对比实验

3．5本章小结

第4章混合选别全流程智能控制系统研发

4．1智能控制系统结构和功能

4．2硬件平台

4．2．1 PLC控制系统

4．2．2监控计算机

4．2．3检测仪表及执行机构

4．3软件平台

4．4混合选别全流程智能控制系统软件的设计与开发

4．4．1智能控制软件的结构和功能

4．4．2智能运行控制软件的开发

4．4．3过程控制软件的设计与开发

4．4．4过程监控软件的设计和开发

4．5本章小结

第5章工业应用

5．1应用背景

5．2控制系统实施

5．3应用验证研究

5．3．1浮选机矿浆液位智能设定

5．3．2浮选机矿浆液位自适应解耦控制

5．3．3浓密过程底流矿浆浓度和流量区间智能切换控制

5．4应用效果分析

5．5本章小结

结束语

参考文献

致谢

博士期间完成的论文、发明专利及参加的科研项目

作者简介