磨矿分级自动控制与优化控制技术在某选厂的应用

牛桂强

昆明理工大学 云南昆明 650093

矿石性质、钢球质量与配比、磨矿质量分数、钢球充填率、衬板磨损程度、分级设备等诸多因素，共同决定了磨矿产品的质量和产量[1]。基于人工经验的操作经常产生“欠磨”或者“过磨”现象[2]，导致浮选指标恶化和成本增加，必须及时调整磨机的给矿、给水、给球等条件。磨矿自动控制与优化控制的目标是通过调整给矿量、磨矿质量分数、加球量等操作条件，使磨机始终保持其最大的工作能力，从而降低矿石单耗，提升处理能力[3]。

甘肃某选矿厂建于 1995年，经过多次扩产改造，处理能力由 1 500 t/d 提高到 9 000 t/d，属于国内大型选矿厂。其球磨分级自动化系统建于 2000年，可实现设备监控及给矿量调整等简单功能，生产过程中主要环节仍需人工根据经验手动调节操作，存在职工劳动强度大、控制不及时、不准确等弊端，难以满足提高生产效率、严格管控成本的需求。针对上述问题，该厂对磨矿分级自动化系统进行改造。

1 磨矿分级自动控制技术

1.1 磨机负荷监测技术的应用

磨机是影响磨矿产品质量的“主动”设备。该选矿厂投入了负荷监测装置，实现了满足平衡原则的主动控制，并对磨机负荷状态与β特征值进行了标定，实现了磨机负荷监测。

工业试验证明，磨机负荷β值与磨机给矿量有着非常强的关联性，它们之间的关系如图 1 所示。

得益于振动信号的监测与无线采集技术的成熟，与人工经验相比，图 1 中所示曲线能够实时捕捉到磨机的“空砸”和“胀肚”状态，监控实时性高，能够准确预测磨机故障状态。

图1 磨机负荷特征 β 值与给矿量之间的关系Fig.1 Relationship between mill load feature β and ore feeding amount

1.2 球磨机恒定给矿和比例给水控制

核子秤与振动给矿机组成闭环控制回路。给矿控制器将瞬时矿量与给矿设定值进行比较，根据偏差自动调节给矿机频率，实现瞬时矿量对设定值的跟随。给矿控制器综合考虑了料仓料位报警限位、输送带延时、给料机工作频率及给料能力等多个因素，通过多重规则选择合适的给料口和合理的控制参数，实现了给矿量稳定控制和输送带上物料匀布，满足了生产的技术要求。

电磁流量计与调节阀构成一个恒定给水闭环控制系统。给水设定值=给矿设定值×比例系数。给矿设定值改变后，给水控制器在最短时间内使得给水量达到新的设定值。

1.3 磨矿泵池补加水控制

旋流器进浆质量分数依靠调整泵池补加水来保障。在质量分数稳定时，泵池给水量必需保持相对稳定；质量分数变化时，给水调节必须尽快响应。磨机泵池补加水的设定值根据旋流器的给矿质量分数变化，由工艺负责调整。补加水设定值改变后，补加水控制器在最短时间内使补水量达到新的设定值。

1.4 旋流器分级质量分数与粒度控制

为反映磨矿产品的质量分数和实现粒度在线检测[4]，采用一套 BPSM-Ⅲ型矿浆粒度、质量分数在线分析仪，实现旋流器分级溢流质量分数与粒度的优化控制。该分析仪有效解决了矿浆粒度、质量分数的在线分析技术问题，同时实现了矿浆质量分数的无射源分析，避免射源带来的污染与安全隐患。

1.5 智能自动加球机

在球磨机给料端安装一套智能自动加球装置。其工作原理是通过安装在滚筒上的球爪随机取球，然后通过光电检测器进行非接触检测，并由 P LC 进行智能辨识和控制。该装置的应用解决了以往加球机存在的钢球卡、堵问题，实现了钢球的定量添加与统计，减轻了操作人员的劳动强度，提高了磨矿效率，实现了钢球补加和控制的自动化。

2 磨矿分级优化控制技术

优化控制技术可以实现对泵池液位，旋流器入口流量、质量分数、压力以及出口质量分数、粒度，磨机功耗的检测，利用装球量、磨机排矿质量分数、旋流器溢流粒度的预估模型，通过给矿、泵池液位、旋流器组开关、循环负荷、功率等的调节，实现过程优化，保证磨矿分级过程稳定和达到最大处理能力。磨矿分级优化控制示意如图 2 所示。

图2 磨矿分级优化控制过程Fig.2 Process flow of optimization control for grinding classification

2.1 磨机给矿优化控制

磨机的给矿控制是磨矿过程优化控制要解决的核心问题。利用磨机负荷监测系统提供的磨机负荷特征β值，给矿优化控制器自动调整磨机给矿量，同时相应调整前补加水、钢球的添加量，使得磨机的给矿量、返砂量与排矿量相匹配，使其充填率、磨矿质量分数、粒度处于最佳范围，保持满负荷且不胀肚的状态，从而发挥磨机的最大处理能力。采用磨机β值与给矿设定值的闭环调节，与人工设定操作相比，磨机平均处理能力提高了 17 t/h，约 9.1%，具体如表 1 所列。表 1 中的磨矿处理量是相对值，优化控制值指的是球磨机实际增加的处理能力。

由表 1 可知：在磨矿处理量方面，处理量显著提高；β值有所降低，表明磨机有效负荷增加；在溢流粒度方面，粒度变化很小；在溢流质量分数方面，质量分数变化幅度较小；在浮选回收率方面，指标明显提高。

表1 磨机给矿优化试验结果Tab.1 Results of optimization test for ore feeding to mill

2.2 滞后问题优化控制

该厂的粉矿仓体积很大，从粉矿仓底部的给矿口到磨机入口有一条较长的输送带，矿量检测仪安装在靠近磨机入口处，这就带来控制上的滞后问题，如果处理不当，会引起给矿量的波动甚至振荡。为了减少滞后对控制速度、精度的影响，采用了两种方式：一是设置合理的控制器参数，尽可能减小稳态误差，同时不能出现发散的情况；二是根据给矿机特性设置启动初值，并将矿量的测量值做预处理，确保控制器得到与实际相符的反馈值。

2.3 给矿口切换优化控制

粉矿仓设有多个给矿口，各口之间需要轮转切换，对这种需求的简单处理会造成切换时巨大的扰动，即使时间很短，也会明显影响磨机的工作状态。

采用精细化控制策略对每个给矿口的位置、给矿能力进行标定，利用软件控制给矿机切换的时序、频率，从而大大减少切换时的扰动。无论是矿量波动的幅度还是时间，精细化控制都显著优于普通控制和人工控制。

2.4 水量控制与执行机构优化控制

水量控制在选矿过程中极为常见，看似简单，但要达到最佳的控制性能却非常困难。其中最重要的问题就是执行机构特性差异极大，即使是同一款电动调节阀，它的流量特性也不尽相同。该厂通过对不同执行机构特性的数学建模，将水量控制实现完整而真实的计算机仿真，从而为每一个水量控制回路设计相应的控制器参数，实现了每个回路的最优解。相比普通控制策略，优化控制策略在控制精度、速度以及阀门动作频率和幅度上均有明显优势，其稳态误差缩小约75%，动作频率减小约 90%。

2.5 分级优化控制

分级系统是磨矿过程的重要环节，主要设备有泵池、泵、旋流器等；关键参数有分级压力、溢流粒度、泵池液位等；其控制难点在于受控的变量往往多于控制手段，很难兼顾所有工艺指标。例如旋流器分级压力和泵池液位均与泵速关系密切，显然无法做到二者同时控制。优化控制方案可充分利用泵池的有效容积，在不出现冒顶、打空等前提下，优先保证核心工艺指标的控制效果，通过带记忆的变结构控制策略，实现最优的综合性能。

3 结论

(1) 基于磨机负荷β值的给矿设定值优化控制是有效的。磨机优化控制与分级控制配合，在保证产品质量的前提下，磨机处理量提高约 9.1%。

(2) 通过磨矿分级自动化系统实现在线监控，代替传统人工监控方式，提高了系统的安全性。

(3) 磨机负荷监测技术以及精细化给矿控制稳定了磨机的负载率，杜绝因断料造成的空砸情况，延长了衬板的使用寿命。生产流程的稳定减少了企业的意外损失。同时，通过各种先进检测技术和优化控制技术的应用，磨矿分级及相关生产岗位人员精简了30%。

(4) 自动控制与优化控制技术对磨矿分级各工艺环节进行数据化监控，实时观察分析各磨矿分级系统数据，为操作工进行实时的工艺调整提供了直观的数据，保证了车间工艺参数的稳定性，实现了精准化作业目的，提高了生产效率和产品质量。