一种研制磨球智能级配控制器的方法

摘要

本发明公开了一种研制磨球智能级配控制器的方法，它包括合理选择球磨机种类和规格；确定动态补球参数工程模型并对其进行程序编制，并输入存储模型程序、运算控制器、已知条件和参数；设计主要和辅助的控制电路及元件，并组成所研制的磨球智能级配控制器仪表内外结构；对所研制的磨球智能级配控制器进行现场作业性能验证及完善。本发明通过综合诸多因素，通过长期研发而创造出的数学模型为理论基础，通过程序编制和电气及仪表装置的设置研制而成。其将会使每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，从而实现最大程度的节能降耗和节约成本的各项指标。

说明书

技术领域

本发明涉及磨球领域，具体涉及是一种研制磨球智能级配控制器的方法。

背景技术

中国耐磨材料产业市场规模快速增长，整体制造水平不断提高。随着国民经济稳步发展，我国火力发电、冶金矿山、建材水泥等领域对耐磨球段的需求量也保持稳定增长的态势，仅国内耐磨球段的需求量2015年达到208.74万吨，下表列出了2010－2015年，该类产品国内需求量的增长情况：

2010－2015国内耐磨铸造磨球段市场需求量(万吨)

据不完全统计，近年来，我国年各类耐磨球段的出口量为100万吨－150万吨。可见，该市场需求总量虽较大。

球磨机磨球量化级配技术的科学研究方法按其发展水平可分为四个阶段：

1.试错阶段；

2.正交实验法(实验周期、成本较高，且无法处理大样本)；

3.可视化信息处理的精准实验法；

4.使用智能化控制模型。

在国外，近几年来在磨球制造和使用领域已经开始摸索第三台阶和第四 台阶的科研方法及运用相关技术手段和工具制定、完善工艺，制造、使用和监控体现工艺“精髓”内容的精美装置，然而良莠不齐，进展缓慢。

在国内，现今仍停留在应用正交实验法进行科学研究和生产应用的第二阶段上，致使大量动态变化因素得不到有效的控制和预测，产品制造和产品使用长期存在的浪费大、效率低，成本高的问题一直得不到解决；不能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步，发挥科技领跑作用的压力越来越大。并且长期以来正因为国内磨球制造技术、加工设备落后，生产工艺数十年不变，不重视精炼，致使钢铁液纯净度差，变质效果不稳定，凝固过程存在大量偏析、变异和不稳定组织，导致内部组织不致密和表面质量差；且磨球心部到表面的力学性能、使用性能不一致，直接影响了磨球的使用寿命。由于受磨球材料、球磨装备、物料特性、工作环境等多因素制约和交互性影响，迄今国内外研究磨球问题都停滞在定性研究阶段，对使用磨球产生的节能降耗和降低生产成本的作用不显著、不稳定，加上过分依靠经验，造成无法推广应用的“窘境”。

在火力发电、冶金矿山、建材水泥三大工业领域，需使用众多球磨机用于粉碎各种矿料。长期以来，人们为了延长磨球的使用寿命，分别在磨球制造和球磨机使用磨球这两个领域各自独立地开展生产制造经验的改进和磨球使用的经验的改进，虽有成效，但效果不明显，以至于造成极大的能源消耗，极大地的环境污染和较高的成本，缺乏产品的竞争力。为了提供给用户生产最经济和性能能满足使用要求的磨球的目的，本案发明人，积多年对磨球的设计与制造经验，在之前，已向国家专利局提出了名称为“一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法”，申请号为“201610161104X”的发明申请、“一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法”，申请 号为“2016101611533”的发明申请和“一种基于可视化平台的铸造磨球级配数学建模方法”，申请号为“2016101794163”的发明申请的基础上给使用磨球者提出一种研制磨球智能级配控制器的方法使得每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，从而实现最大程度的节能降耗和节约成本的各项指标，从而以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种研制磨球智能级配控制器的方法，通过综合诸多因素，通过长期研发而创造出的数学模型为理论基础，通过程序编制和电气及仪表装置的设置研制而成。其将会使每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，从而实现最大程度的节能降耗和节约成本的各项指标。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明所述的一种研制磨球智能级配控制器的方法，包括如下步骤：

(1)根据磨料的材料特性、球磨机的工作环境和工作要求合理选择球磨机种类，根据球磨机使用方的生产能力需求选择球磨机规格；

(2)确定球磨机最佳不同球径磨球级配方案，最经济材质磨球，磨球最佳装载量和补球方案周期；

(3)确定动态补球参数工程模型；

(4)对所采用的动态补球参数工程模型进行程序编制，并输入存储模型程序和运算控制器；

(5)对所述步骤(4)编制完成的程序中输入已知条件和参数；

(6)设计主要和辅助的控制电路及元件，并组成所研制的磨球智能级配控制器仪表内外结构及外表的美工处理；

(7)对所研制的磨球智能级配控制器的样机分类型和不同规格系列的磨球智能级配控制器进行现场作业性能验证及完善。

优选地，所述步骤(1)根据磨料的材料特性、球磨机的工作环境，当磨料为黑色金属矿或有色金属矿时的条件下，球磨机选择金属磨矿机；当磨料为非金属软质矿或非金属硬质矿时的条件下，球磨机选择磨矿机；根据球磨机的工作要求，当球磨机在要求干磨或湿磨条件下的球磨机选择磨煤机。

优选地，所述步骤(1)所述根据球磨机使用方的生产能力需求选择球磨机规格，具体地球磨机根据待球磨产品的生产率、生产产量、规模和生产力的要求不同，分为小型球磨机、中型球磨机、大型球磨机和特大型球磨机，具体为根据用户需求合理选择球磨机规格。

优选地，步骤(2)中所述最佳不同球径磨球级配方案采用四种不同球径磨球，且不同球径磨球级配方案具体为Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07，最经济材质磨球为铬含量10.86％的铬磨球，磨球最佳装载量为36.23t，补球方案周期为7天。

优选地，步骤(3)中所述动态补球参数工程模型为磨球磨损矩阵模型或神经网络预报磨球补球比例模型。

优选地，所述磨球磨损矩阵模型的建立包括如下步骤：

A1：确定磨球磨损稳态特性矩阵为[p(t)]，

$\left[p\left(t\right)\right]=\left(\begin{array}{cccc}0.9897& 0& 0& 0\\ 0.0095& 0.9853& 0& 0\\ 0.0006& 0.0135& 0.9888& 0\\ 0& 0.0008& 0.0109& 0.9885\end{array}\right);---S1$

A2：确定理想的装球级配向量{x₀}和实际的装球级配向量{x}，1台球磨设备的额定装球量为W，其磨球磨损稳态特性矩阵为[p(t)]，理想的装球级配向量{x₀}和实际的装球级配向量{x}分别是：

{x₀}＝{x₁₀,x₂₀,…,x_k0,…,x_n0}^T，>

{x}＝{x₁,x₂,…,x_k,…,x_n}^T；>

A3：经过t天连续磨煤后，第k级别磨球在滚筒中的驻留量与理想配球量之差为△W_k：

${\mathrm{\Delta W}}_k=W·[x_{k0}-\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}{p}_{kj}\left(t\right)·x_j];---S4$

A4：应补加的总量为△W：

$\Delta W=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta W}}_k;---S5$

A5：第j级别合理补球量为△W_Bj的判别条件，即补球原则条件表征式如下：

a1.当时，△W_Bj＝0；

a2.当时，取

a3.当时，取△W_Bj＝△W_j；

A6：补球后磨球级配变为：

x_Bj＝x_j-△W_j/W+△W_Bj/W,j＝1,2,...,n；>

A7：利用公式S1-S6，利用MATLAB语言编程计算前7次补球量的参数。

优选地，所述神经网络预报磨球补球比例模型的建立包括如下步骤：

B1：确定神经网络预报磨球补球比例模型为[p(t)]，

[p(t)]＝{y}×{x}^-1

$\left(\begin{array}{c}{P}_{60}={{}_{3}b}_1+\underset{j=1}{\overset{2}{\Sigma }}\{{{}_{2}w}_{j1}\frac{2}{1+e^{-2_1{w}_{ij}{x}_i+{{}_{2}b}_j}}-1\}\\ P_{50}={{}_{3}b}_2+\underset{j=1}{\overset{2}{\Sigma }}\{{{}_{2}w}_{j1}\frac{2}{1+e^{-2_1{w}_{ij}{x}_i+{{}_{2}b}_j}}-1\}\\ P_{40}={{}_{3}b}_3+\underset{j=1}{\overset{2}{\Sigma }}\{{{}_{2}w}_{j1}\frac{2}{1+e^{-2_1{w}_{ij}{x}_i+{{}_{2}b}_j}}-1\}\\ P_{30=100-}{P}_{60-}{P}_{50-}{P}_{40}\end{array}\right)$

w1＝

0.68284337499014

0.60406698796090

w2＝

-0.20274877882385 0.20451645869560

-0.30974740916445 0.32924537190527

-0.18059072627341 0.10141961262160

b1＝

-1.31928900327032

-1.29637427714563

b2＝

0.99988918733054

0.99909388384959

1.00065821523216；

B2：第j级别合理补球量为△W_Bj的条件判别式：

当时，△W_Bj＝0；

B3：采用所述步骤B3所得的神经网络预报磨球补球比例模型结合人工神经网络拓扑结构对最佳不同球径磨球的级配方案进行识别训练，建立最佳量化动态补球模型方案。

优选地，步骤(5)中所述已知条件和参数为球磨机最佳不同球径磨球级配方案，磨球最佳装载量和补球方案周期。

本发明的有益效果在于，

(1)本发明在球磨机运行过程中，球磨机不论是在单段或多段工作区内均可在设定磨料和介质形成较佳充填率的条件下，通过装补球模型调整装入的磨球种类和改变不同球径磨球加入量的比例可使优质磨球能适应不同工作环境，充分发挥其优良的使用性能，体现出明显的节能降耗和降低吨产品生产成本的作用；并有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术提出一种对动态补球参数工程模型和对所采用的动态补球参数工程模型进行程序编制的相结合加速了该领域的技术进步；本发明所述控制器以综合诸多因素，通过长期研发而创造出的数学模型为理论基础，通过程序编制和电气及仪表装置的设置研制而成。其将会使每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，从而实现最大程度的节能降耗和节约成本的各项指标；

(2)本发明在磨机运行过程中，参加级配的各种球径的磨球均发生着不同程度的动态磨损，在一定的合理周期要通过正确的补球才能维系最佳的磨球级配，才能将在周期波动的效果幅度控制在最小的范围内；据此，提出采取磨球磨损矩阵模型作为小样本(取极少实验数据计算当下周期的磨球总磨损量和每种球径磨球产生的实际磨损量)，发现计算到第6次补球后，动态磨球级配“崩溃”，但前5次级配特性较好，显见磨球磨损矩阵模型预报 精度符合小样本要求；提出建立神经网络预报磨球补球比例模型作为大样本，且其具有无时间积累误差的装补球效果的结果，其可以直接在工业设备上进行“试验”，模型数据直接来源于实际体系设备的状况，模型可靠，结果可以直接用于试验使用的工业化设备。不需要从小试做起。并结合智能级配控制器，能有效的实现每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，降低磨球损耗成本，提高磨球使用寿命，简化操作步骤，提高生产效率；

(3)本发明主要针对用于火力发电、矿山和水泥三大工业领域(占工业领域使用磨球球磨机数量的90％以上)，开发针对小型球磨机、中型球磨机和大型球磨机和特大型球磨机的磨球级配智能控制器，可实现对不同磨料的材料特性、球磨机的工作环境，根据球磨机使用方的生产能力需求选择球磨机规格，来设计这三大类的各具其能适应本身工作条件的，具有自身特点的，并通过编程进行运算和实现控制的磨球智能级配控制器，充分发挥磨球的使用性能，从而节能降耗和降低生产成本，具有应用范围广的特点。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步详细说明。

在火力发电、冶金矿山、建材水泥三大工业领域，需使用众多球磨机用于粉碎各种矿料。长期以来，人们为了延长磨球的使用寿命，分别在磨球制造和球磨机使用磨球这两个领域各自独立地开展生产制造经验的改进和磨球使用的经验的改进，虽有成效，但效果不明显，以至于造成极大的能源消耗，极大地的环境污染和较高的成本，缺乏产品的竞争力。在前述分三大类配置磨球智能级配控制器的前提下，我们还要考虑的问题是每一大类由于用户对于产品生产率、生产产量、规模、和生产力的要求不同，通常分为小型 球磨机、中型球磨机、大型球磨机和特大型球磨机四种，球磨机的规格不一样，主要造成所使用磨球球径大小、球磨机转速、级配所使用的各种直径大小的磨球规格及比例和加入量均不同，这就决定了我们在设计某种类系列的球磨机所使用的磨球智能级配控制器上要考虑该类型系列规格所具有的功能及工作特性的不同要求。

为了提供给用户生产最经济和性能能满足使用要求的磨球的目的，本案发明人为使得每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，从而实现最大程度的节能降耗和节约成本的各项指标，从而以解决上述问题。

实施例

一种研制磨球智能级配控制器的方法，包括如下步骤：

(1)根据磨料的材料特性、球磨机的工作环境和工作要求合理选择球磨机种类，根据球磨机使用方的生产能力需求选择球磨机规格；当磨料为黑色金属矿或有色金属矿时的条件下，球磨机选择金属磨矿机；所述根据磨料的材料特性、球磨机的工作环境，具体为：当磨料为非金属软质矿或非金属硬质矿时的条件下，球磨机选择磨矿机；根据球磨机的工作要求，当球磨机在要求干磨或湿磨条件下的球磨机选择磨煤机；所述根据球磨机使用方的生产能力需求选择球磨机规格，具体地球磨机根据待球磨产品的生产率、生产产量、规模和生产力的要求不同，分为小型球磨机、中型球磨机、大型球磨机和特大型球磨机，具体为根据用户需求合理选择球磨机规格。

(2)确定球磨机最佳不同球径磨球级配方案，最经济材质磨球，磨球最佳装载量和补球方案周期；

之前，已向国家专利局提出了名称为“一种用于球磨设备磨球量化级配 技术的可视化方法”的发明申请，申请号为“201610161104X”的发明申请提出了系统完整的磨机装补球技术解决方案，运用可视化方法得到了磨球最佳装载量、最经济磨球材质和最佳磨球级配方案，通过对最佳不同球径磨球的级配方案的确定可使优质磨球能适应不同工作环境，充分发挥其优良的使用性能；表1为可视化优化结果化体系，如表1所示，通过对四种不同球径磨球的影响因素(护甲材料、磨料材料、磨球装载量、磨球球径配比、磨球合金成分和热处理制度)对级配考核指标(磨机能耗、磨球磨耗、出粉率、生产成本)映射的可视化分析、优化，再考虑到某些工艺因素，确定了M2组(Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07)可做为最佳级配方案。从而确定了磨球最佳装载量为：36.23t；最经济的优选磨球材质为：含Cr10.86％左右的高铬磨球，最佳补球方案周期为7天。从而实现了对铬系磨球材质在以级配考核指标为检验标准，以考核指标的影响因素为实验变量，最终实现了在使用铬材质4种球径磨球在最佳磨球装载量和最经济磨球材质条件下的最佳不同球径磨球的级配方案的可视化操作。

表1可视化优化结果化体系

(3)确定动态补球参数工程模型；

动态补球参数工程模型包括磨球磨损矩阵模型和神经网络预报磨球补 球比例模型；以最经济材质磨球为铬含量10.86％的铬磨球，最佳四种不同球径磨球级配方案为Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07，磨球最佳装载量为36.23t，补球方案周期为7天为基础。

1)所述磨球磨损矩阵模型的建立包括如下步骤：

A1：确定磨球磨损稳态特性矩阵为[p(t)]，

$\left[p\left(t\right)\right]=\left(\begin{array}{cccc}0.9897& 0& 0& 0\\ 0.0095& 0.9853& 0& 0\\ 0.0006& 0.0135& 0.9888& 0\\ 0& 0.0008& 0.0109& 0.9885\end{array}\right);---S1$

A2：确定理想的装球级配向量{x₀}和实际的装球级配向量{x}，1台球磨设备的额定装球量为W，其磨球磨损稳态特性矩阵为[p(t)]，理想的装球级配向量{x₀}和实际的装球级配向量{x}分别是：

{x₀}＝{x₁₀,x₂₀,L,x_k0,…,x_n0}^T，>

{x}＝{x₁,x₂,…,x_k,…,x_n}^T；>

A3：经过t天连续磨煤后，第k级别磨球在滚筒中的驻留量与理想配球量之差为△W_k：

${\mathrm{\Delta W}}_k=W·[x_{k0}-\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}{p}_{kj}\left(t\right)·x_j];---S4$

A4：应补加的总量为△W：

$\Delta W=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta W}}_k;---S5$

A5：第j级别合理补球量为△W_Bj的判别条件，即补球原则条件表征式如下：

a1.当时，△W_Bj＝0；

a2.当时，取

a3.当时，取△W_Bj＝△W_j；

A6：补球后磨球级配变为：

x_Bj＝x_j-△W_j/W+△W_Bj/W,j＝1,2,...,n；>

A7：利用公式S1-S6，利用MATLAB语言编程计算前7次补球量的参数。

2)所述神经网络预报磨球补球比例模型的建立包括如下步骤：

B1：确定神经网络预报磨球补球比例模型为[p(t)]，

[p(t)]＝{y}×{x}^-1

$\left(\begin{array}{c}{P}_{60}={{}_{3}b}_1+\underset{j=1}{\overset{2}{\Sigma }}\{{{}_{2}w}_{j1}\frac{2}{1+e^{-2_1{w}_{ij}{x}_i+{{}_{2}b}_j}}-1\}\\ P_{50}={{}_{3}b}_2+\underset{j=1}{\overset{2}{\Sigma }}\{{{}_{2}w}_{j1}\frac{2}{1+e^{-2_1{w}_{ij}{x}_i+{{}_{2}b}_j}}-1\}\\ P_{40}={{}_{3}b}_3+\underset{j=1}{\overset{2}{\Sigma }}\{{{}_{2}w}_{j1}\frac{2}{1+e^{-2_1{w}_{ij}{x}_i+{{}_{2}b}_j}}-1\}\\ P_{30=100-}{P}_{60-}{P}_{50-}{P}_{40}\end{array}\right)$

w1＝

0.68284337499014

0.60406698796090

w2＝

-0.20274877882385 0.20451645869560

-0.30974740916445 0.32924537190527

-0.18059072627341 0.10141961262160

b1＝

-1.31928900327032

-1.29637427714563

b2＝

0.99988918733054

0.99909388384959

1.00065821523216；

B2：第j级别合理补球量为△W_Bj的条件判别式：

当时，△W_Bj＝0；

B3：采用所述步骤B3所得的神经网络预报磨球补球比例模型结合人工神经网络拓扑结构对最佳不同球径磨球的级配方案进行识别训练，建立最佳量化动态补球方案。

(4)对所采用的动态补球参数工程模型进行程序编制，并输入存储模型程序和运算控制器；

(5)对所述步骤(4)编制完成的程序中输入已知条件和参数，即最佳四种不同球径磨球级配方案为Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07，磨球最佳装载量为36.23t，补球方案周期为7天；

(6)设计主要和辅助的控制电路及元件，并组成所研制的磨球智能级配控制器仪表内外结构及外表的美工处理；

(7)对所研制的磨球智能级配控制器的样机分类型和不同规格系列的磨球智能级配控制器进行现场作业性能验证及完善。

基于上述，本发明在球磨机运行过程中，球磨机不论是在单段或多段工作区内均可在设定磨料和介质形成较佳充填率的条件下，通过装补球模型 调整装入的磨球种类和改变不同球径磨球加入量的比例可使优质磨球能适应不同工作环境，充分发挥其优良的使用性能，体现出明显的节能降耗和降低吨产品生产成本的作用；并有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术提出一种对动态补球参数工程模型和对所采用的动态补球参数工程模型进行程序编制的相结合加速了该领域的技术进步；本发明所述控制器以综合诸多因素，通过长期研发而创造出的数学模型为理论基础，通过程序编制和电气及仪表装置的设置研制而成。其将会使每一台球磨机的操作者能够通过使用磨球智能级配控制器达到科学的，最大程度的使磨球在球磨机中达到最好的应用，从而实现最大程度的节能降耗和节约成本的各项指标；并主要针对用于火力发电、矿山和水泥三大工业领域(占工业领域使用磨球球磨机数量的90％以上)，开发针对小型球磨机、中型球磨机和大型球磨机和特大型球磨机的磨球级配智能控制器，可实现对不同磨料的材料特性、球磨机的工作环境，根据球磨机使用方的生产能力需求选择球磨机规格，来设计这三大类的各具其能适应本身工作条件的，具有自身特点的，并通过编程进行运算和实现控制的磨球智能级配控制器，充分发挥磨球的使用性能，从而节能降耗和降低生产成本，具有应用范围广的特点。

由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明所包含。