湿式自磨机生产过程的计算机自动控制.docx
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湿式自磨机生产过程的计算机自动控制
摘 要
本文首先综述了国内外选矿生产及磨矿作业自动化发展的情况，以本溪钢铁公司歪头山铁矿厂的φ5.5×1.8米湿式自磨机为研究对象，给出了采用微型计算机控制的系统。
在分析了自磨机的工艺过程及生产特点之后，确定了控制方案。
为了满足将来歪头山铁矿选矿车间的九台自磨机都采用计算机控制的要求，本文给出了计算机分布式控制网络的拓扑结构。
为了使磨矿作业自动化水平向更高的层次发展，本文作者根据在工业现场调试计算机控制系统过程中的经验和体会，提出了自磨机矿处理量自寻最优的方法，在理论上对该方法进行了研究，并且对若干种控制方法进行了讨论。
在实现过程控制方案的过程中，作者利用STD总线系列模板组成的计算机控制系统，并把它作为前置机，编制了前置机的数据通讯，数据处理，控制给矿，控制料位，控制给水，控制浓度等程序。
利用APPLE微型计算机作上位机，编制了上位机的全部应用软件，如：
工况图形显示，定时打印，召唤打印，图表显示，数据通讯等程序。
所有软件均在现场调试通过。
目前，该控制系统已投入试运行，运行结果达到了原设计要求。
关键词：
磨矿作业自动化，微机控制系统，自磨机，自寻最优控制
Automaticcontrolsystem’sstudyofwetautogenousgrindingmillproductionprocess
Abstract
Thispapersummarizesthedevelopingsituationofminingindustryandgrindingworkautomationintheworldatfirst.Itgivesthesystemcontrolledbymicrocomputercombiningwiththeφ5.5×1.8meterswetautogenousgrindingmillofWai-Tou-Hillorefactory,BenXiIron&SteelCompany.Afteranalyzingtheproductionprocessprincipleandfeatureoftheautogenousgrindingmill,thecontrolplanisdeterminded.InordertocontrolnineautogenousgrindingmillswithmicrocomputerinminingshopofWai-Tou-Hillorefactory,themicrocomputercontroldistributednetworkisdesigned.Fordevelopingofgrindingworkautomation,theauthoronthebasisofrichexperienceoftestingcomputercontrolsysteminthefactoryadvancesaself-optimizingcontrollingmethodaboutfeedorecontrol,studiesitintheory,anddiscussessomecontrollingmethods.
Intheprocessofrealizingtheplanofusingprocesscontrolsystem,theauthorusessingleboardcomputercontrolsystemtocomposedofSTDbusseriesmodelboardasfront-endcontrolcomputerandusesAPPLEmicrocomputerasmanagementcomputer.Thecontrolsoftwareisimplementated,suchasdatacommunication,dataproceesing,feedorecontrol,feedwatercontrol,pulpdensitycalculation,workstatedisplay,fixedandrandomprint,tableanddiagramdisplay,etc.Theallsoftwareisdebuggedandpassedinfactory.
Thecontrolsystemhasbeenputtousenow.Theresultofapplicationhasprovedthatachievethedesignedgoal.
KeyWords：
grindingworkautomation,thesystemcontrolledbymicrocomputer,autogenousgrindingmill,self-optimizingcontrolling
目 录
摘 要1
Abstract2
引 言1
1.磨矿自动控制理论综述2
1.1实现自磨磨矿自动控制的意义2
1.2选矿工艺自动化的发展3
1.2.1初级阶段3
1.2.2稳定生产阶段3
1.2.3最优化生产阶段4
2.自磨机控制系统的结构设计5
2.1自磨机控制系统的组成5
2.2分布式控制系统的结构设计5
3.自磨机系统控制算法的研究8
3.1自磨机的料位特征8
3.1.1自磨机运行特性8
3.1.2矿石处理量Q（处理能力）与料位Φ（功率P）的关系10
3.2自磨机料位控制的几种算法12
3.2.1基本控制方法——定值控制13
3.2.2双闭环控制14
3.2.3功率自寻最优控制16
3.2.4矿处理量自寻最优控制17
3.3浓度控制23
3.3.1利用流速变送器控制浓度23
3.3.2利用理论计算控制浓度24
3.3.3利用料位Φ控制浓度25
4.微机的硬件组成26
4.1下位机26
4.1.1MS-910226
4.1.2MS-080527
4.1.3RS-23229
4.2上位机29
5.自动控制系统的软件设计31
5.1下位机软件31
5.2上位机软件44
6.自动控制系统的运行情况50
结 论52
参考文献53
致 谢55
引 言
本文是以本溪钢铁公司歪头山铁矿选矿车间的φ5.5×1.8m湿式自磨机为工业过程对象进行自动控制工业试验研究的。
本钢歪头山铁矿选矿车间是我国第一座采用湿式自磨机生产的大型选别车间，于1972年建成投产，有φ5.5×1.8m湿式自磨机九台。
该车间磨矿作业采用的生产工艺流程为两段磨矿：
一次自磨，二次球磨。
长期以来，该车间还是人工操作，通过手工改变给矿量和给水量，凭借操作人员的经验控制磨机运行。
由于操作人员的经验和操作熟练程度不同，致使自磨机处理能力波动很大，生产流程不能稳定，尤其是夜班期间，自磨机常处于低料位运行状态，严重地影响了铁精矿的产量。
另外，两段磨矿作业之间存在着不平衡，由于一次自磨常处于波动状态，处理能力较低，使得二次球磨磨矿负荷不满，磨矿效率低。
为此，如何能稳定自磨机磨矿生产，提高磨矿能力就成为关键所在，这也是本文所要解决的问题。
我国磨矿设备，除个别早期从国外引进的装配有一定的计算机分析仪器和控制仪表外，多数自磨机设备，尚没有料位检测和受工人欢迎的浓度检测仪表，更没有矿石性质在线分析的手段，这就使自动控制十分困难。
国外自动控制专家曾利用功率-料位关系曲线制作了一种“极值调节器”用在磨矿设备上，自动控制给矿量，使磨机在极值点附近运行，但由于湿式自磨机生产条件复杂，未能取得满意的效果。
随着计算机在工业上的推广应用，不同类型的PID控制、自适应控制也先后在有色金属矿磨机上进行了大量的试验研究，并取得了一些经验和成果。
本文通过研究和分析自磨机的运行特性，根据自磨机运行特性在短期内相对不变的特点，以稳定生产流程，适应矿石性质变化为基点，选用多参量自适应控制料位的控制方法，并允许人工根据自磨机运行特性在线修改运行特性曲线，以适应磨矿介质的变化。
从自磨磨矿原理出发，确定矿处理量与料位和功率的关系，提出矿处理量自寻最优的控制方法，并在理论上进行分析，给出利用该方法进行自寻最优时的步骤及判定自磨机是否处于最优状态的准则。
分析影响自磨机排矿浓度的各因素之间的关系，提出用料位来控制浓度的方法，在自磨机上基本完成了料位和浓度的综合控制。
试运行表明，系统运行状态稳定，技术先进，工作可靠，排矿浓度适宜，矿石处理能力明显提高，对不同性质的矿石具有良好的自适应能力。
1.磨矿自动控制理论综述
1.1实现自磨磨矿自动控制的意义
钢铁产量标志着一个国家的基本实力,也标志着一个国家的发达程度。
随着现代化工业的发展，人们对钢铁的需求量不断增加，因而，铁矿石的开采及加工生产的规模就日益扩大，就需要改进选矿厂的各个选矿作业回路，以降低铁矿厂的经营费用和减少基建投资。
在选矿厂中，碎磨作业是占用经营费用和基建投资比例资金最高的选矿工业回路，一般约占50%-70%左右。
[1][2]所有原矿必须经磨机加工后才能进入下一道工序，这样，选矿厂的处理能力直接受磨机的处理能力的影响。
提高选矿厂的处理能力，改善磨矿作业工艺，提高磨矿作业指标，对选矿厂就具有重大意义。
传统的磨矿作业是以钢球或钢棒做磨矿介质进行磨矿的，随着钢材价格不断地上涨，磨矿作业中的磨矿介质消耗所占用的费用比例已不可忽视。
基于这个原因，迫使人们加强对自磨技术的研究，予期达到降低磨矿成本，提高磨矿效率的目的。
自磨磨矿与传统磨矿相比有以下优点：
1.简化选矿工艺流程，节省基建投资。
因自磨磨矿的矿碎比很大，可以达到3000-4000，所以，一道自磨作业通常可取代中碎、细碎和粗磨三道作业，这样，整个选矿工艺流程大为简化，因而也加快了选矿厂的建设速度，基建费用也可下降30-40%[3]。
2.便于维修及生产管理。
因为磨矿作业道数减少，相应设备减少，所以在维修和生产管理方面是很方便的。
同时也降低了劳动强度，减少维修费用。
3.取消或减少钢球（棒）介质消耗，节约大量钢材，降低磨矿费用。
4.良好的工艺性能。
因自磨磨矿主要是以矿石自身的碰撞摩擦磨矿的，不像有介质磨矿时产生的破碎力那样集中，所以，产生过粉碎现象少，有利于磨矿性能指标的提高和下一段金属回收。
正是以上的突出优点，自磨技术在选矿生产工艺中获得了广泛的应用和迅速地发展。
近十几年来，国内外一些新建、扩建或改建的选矿厂越来越多地采用自磨技术。
国外的美国、前苏联、加拿大等国家广泛地采用自磨技术，国内的歪头山、石人沟等铁矿厂也以自磨机作为主要的磨矿设备[4]。
目前，国外大约有340台自磨机投入生产，国内采用自磨机已投产和正在施工的单位有70多个，大小磨机150余台，有效容积约3000立方米[2][3]。
从自磨机的规格来看，其规格越来越大，目前世界上最大规格的自磨机为φ12.19m×6.7m米。
我国目前最大规格的自磨机直径为5.5米，直径为8米的自磨机刚刚处于研制阶段。
从自磨机的种类来看，其种类越来越多，由干式自磨到湿式自磨，由全自磨到半自磨。
从自磨机的应用范围来看，其应用范围越来越广泛，目前自磨机已用到冶金、化工、建材、机械等许多部门。
目前，矿石自磨已发展成为一种举世公认的、先进的、重要的物料粉碎技术，因此在自磨机上实现自动化，以提高产量，稳定生产流程，降低磨矿费用，就成了我国选矿产业亟待解决的问题，并具有重大意义。
1.2选矿工艺自动化的发展
从选矿自动化发展来看，可分为三大阶段：
1.2.1初级阶段
五十年代以前，选矿过程不用仪表控制，完全用人工凭借个人的经验与知识操作控制生产过程，结果，生产指标不够稳定。
由于矿石性质及物理块状的起伏变化，致使操作困难，控制不及时，又不准确，难以使生产流程保持基本稳定，获得较好的生产指标，而且，劳动强度大，劳动条件差。
随着仪表工业的发展，在选矿工艺流程中用仪表对某些变量进行单项检测，如在磨机的给矿回路中加了皮带秤，人工计量和调整给矿速度；在给水回路中加了水表进行给水计量等。
由于对选矿过程采用了模拟仪表监测，从而节省了体力劳动，改善了劳动条件，提高了生产过程的稳定性，方便了生产操作。
目前我国大多数选矿厂的自动化水平处于这个阶段。
1.2.2稳定生产阶段
此阶段也称稳定控制阶段。
从初级阶段向前发展，在选矿厂局部机组参数采用最佳条件控制，使生产流程稳定，大多采用模拟仪表进行控制。
随着计算机广泛用于工业控制，在选矿领域也开始研究用计算机进行直接数字控制（DDC）。
在这一阶段中，微、小型计算机数字控制代替了人工控制，它直接作用于执行机构，如直接取样，直接控制阀门，直接控制给矿等。
在监测仪表过关的条件下，对某一个车间或某一个机组实行局部的稳定和最佳控制，使选矿厂的重要生产设备，如球磨机组等，在最佳的状态下工作。
目前，国外大多数选矿厂的自动化水平处于这个阶段。
国内除凤凰山铜矿厂由芬兰引进设备，用小型计算机控制外，少数选矿厂，如红透山铜选厂、首钢大石河铁选厂等，也曾进行过试验，但无一成功使用计算机控制。
1.2.3最优化生产阶段
在这个阶段中，随着控制理论的不断发展及控制技术的广泛应用，为在选矿生产中实现最优控制和选矿厂完全自动化奠定了基础。
通过综合考虑选矿过程中的各项影响因素，随入选矿石性质的变化而自动改变对各变量的控制，使选矿指标达到最佳值。
选矿厂各重要机组、各车间都采用计算机和各种检测仪发出的信号配合，最后，用一台中心计算机来调度其它计算机工作，对整个选矿过程实现最优控制。
南非等一些国家的选矿厂已进入最优化生产控制阶段。
磨矿作业自动化发展大致如此。
目前，采用计算机控制磨矿设备多见于球磨或棒磨，国内也已研究多年，并在少数选矿厂试用。
在控制方法上，已将现代控制理论中的最优控制，自适应控制、多变量控制等方法应用于球磨和棒磨控制中。
但计算机在自磨机控制应用则很少，国外仅有塞浦路斯皮马采矿公司等少数几个选矿厂在自磨机上采用计算机控制技术，国内尚未见报导。
在国内，自磨磨矿仍处于人工操作水平。
六五期间，曾作为二部（冶金部、机械部）的重点科研攻关课题，两次组织专门科研人员进行工业实验，尝试过用模拟仪表及分立逻辑电路实现对自磨机的自动控制，但均未成功。
一方面是因为自磨机是一个非常复杂的工业过程对象，在理论和实践上对自磨机的机理认识，专家们尚没有一个统一的解释，还提不出一个可用数学描述的控制模型，成为一个典型的“黑箱”问题；另一方面进入自磨机的矿石性质多变，使得自磨机的运行行为随机多变；再就是自磨机给矿系统的纯滞后大，严重的非线性，使自磨机的控制难度大，易产生所谓的“胀肚”事故。
当然，目前没有一种较好的手段对料位和排矿浓度进行直接检测，也成为自磨机实现自动控制的一个很复杂的问题。
2.自磨机控制系统的结构设计
本溪钢铁公司歪头山铁矿选矿车间现有九个磨矿系列，每一个磨矿系列均由湿式自磨机和球磨机组成。
目前，仅选用2#自磨机为被控对象，并为其设计了控制结构。
考虑到九个磨矿系列的自磨机都要采用计算机控制，又按分布式控制结构进行了设计。
2.1自磨机控制系统的组成
本系统的首要任务是对湿式自磨机的给矿量和给水量实施监测控制。
给矿量的控制原则是在使磨机料位最佳而又不“胀肚”的前提下，使自磨机的处理能力最大。
根据文献[7]的介绍和试验证明，自磨机驱动电机的功率P与充填率Φ之间存在极值特性，自磨机的充填率可用调节给矿量来改变，因为驱动电机功率P与给矿量MI之间也存在极值非线性特性。
另外，由于无法对充填率进行直接控制，只有通过控制给矿量达到间接控制充填率的目的，使自磨机保持最佳料位运行。
给水量的控制原则是根据湿式自磨工艺要求，保证磨机排出的矿浆浓度基本恒定，按给矿量的多少比例给水，即通过重量变送器测得给矿量送入微机，经过计算按比例控制电动阀开启角度，调节进入自磨机的水量。
本控制系统采用两极控制结构，即过程控制级和监测级。
过程控制级由E80ACPU为处理器的STD工业控制机MS-9102模板和MS-0805多功能I/O模板组成，它直接参与自磨机的过程控制，进行数据采集和处理。
MS-0805有8路8位的模拟量输入通道，2路8位的模拟量输出通道。
目前，使用6个模拟量输入通道，分别用于矿量、水量、电功率、电耳、给水操作器以及给矿操作器的数据采样。
对给水操作器及给矿操作器采样，其目的是为了在控制系统由手动切换到自动时实现无扰动切换。
2路8位模拟量输出通道分别用于控制进水量和进矿量。
本控制系统中，用电振控制箱和电动阀门分别控制进矿量和进水量。
用电子皮带称和电磁流量计分别对进入自磨机的矿量和水量进行计量。
用功率变送器输出电动机所消耗的电功率信号及电耳输出的声响信号来反映自磨机中的物料充填情况。
监测级选用了APPLE机，其主要任务是数据管理，负责打印报表、工况图型显示、动态数据显示等。
另外，APPLE机也可间接地参与自磨机的过程控制。
两极系统通过标准RS-232串行通讯接口进行联系。
自磨机自动控制系统的结构如图2-1所示。
2.2分布式控制系统的结构设计
如果歪头山铁矿选矿车间的九台自磨机都采用微机自动控制，仍用如图2-1所示的两级控制结构，会造成不必要的浪费，从性能以及效益上看，显然是不合理的。
把每个磨矿系列的控制机配置一块总线通讯模板，并配上相应的实时网络软件，将其挂在一条总线上，用APPLE机做网络管理机及系统监测机，就构成了分布式控制系统。
分布式控制系统结构如图2-2所示。
电磁流量计
水管
自磨机
阀门
FC
FT
电振控制箱
去球磨
皮带
电机
电子皮带称
电耳
K1
K2
手
动
打印机
自动
给矿操作器
显示面板
WT—重量变送器FT—流量变送器ST—声响变送器FC—电动给水器PT—功率变送器
图2-1自磨机自动控制系统结构框图
8#
自磨机
9#
自磨机
2#
自磨机
1#
自磨机
......
过程
控制机
过程
控制机
过程
控制机
过程
控制机
......
网络通
讯接口
网络通
讯接口
网络通
讯接口
网络通
讯接口
自磨机
......
总线
APPLE机
网络通
讯接口
图2-2分布式控制系统结构
3.自磨机系统控制算法的研究
本控制系统共有二个被控量，一个是进矿量，另一个是进水量。
下面分别讨论对进矿量和进水量进行自动控制的基本思想和方法。
3.1自磨机的料位特征
3.1.1自磨机运行特性
为了讨论和分析问题的方便，需要对自磨机的运行特性有所了解。
自磨机在磨矿时作为动力的电动机所消耗的电功率P可表示为式（3-1），即：
P=P（D，L，ω，MI，MO，C，N）（3-1）
式中，D为自磨机的有效直径；L为自磨机的有效长度；ω为自磨机的角速度；MI为进矿量；MO为排矿量；C为矿石性质；N为排矿浓度。
当一台自磨机设计完成之后，其参数D、L、ω就确定不变了。
自磨机在进行磨矿作业时，当矿石性质相对不变及排矿浓度合适时，电动机所消耗的功率P与进矿量MI和排矿量MO有关。
进矿量MI与排矿量MO之差反映了自磨机内部矿石积累情况。
在磨机内允填的矿石占有一定的有效空间，一般把矿石占有自磨机内部有效空间的比率称之为允填率或料位，并记为Φ。
因此，式（3-1）可用式（3-2）来表示：
P=P（Φ）（3-2）
实践证明，在矿石性质C相对不变及排矿浓度合适的情况下，电动机的功率P与料位Φ有如图3-1所示的关系，亦即自磨机的运行特性。
P
Φ
图3-1自磨机运行特性
上图表明，功率P的变化可以反映自磨机内部矿石充填率的变化，即料位Φ的变化，并且功率P具有极值特性，当料位Φ大于某一数值之后，功率P将会下降。
由于矿石性质及其块状的变化，有时需要根据这些情况的变化，适当地向自磨机内部添加磨矿介质，以提高自磨机的矿处理能力。
磨矿介质一般是直径20cm的钢球，因钢球的比重约为矿石的2.5倍，所以加入钢球之后，钢球与矿石的碰撞力将比矿石与矿石的碰撞力大，因而增加了磨矿能力。
通过对歪头山铁矿选矿车间2#自磨机系统的测量，得到了加球4%、加球1%及不加球的三组P-Φ关系数据，如表3-1所示，其中，P以功率变送器输出的电流信号表示，Φ为实际测量值。
相应的P-Φ关系曲线如图3-2所示。
表3-1（其中电功率为毫安值）
Φ
26
27
31
34
35
38
39
42
45
46
47
48
P（0%）
0.36
0.38
0.40
0.42
0.43
0.435
0.425
P（1%）
0.37
0.41
0.42
0.44
0.43
0.42
P（4%）
0.42
0.43
0.45
0.46
0.465
0.47
0.45
加球4%
P（mA）
0.47
加球1%
0.44
加球0%
0.435
0.43
0.37
0.35
Φ（%）
182645
图3-2不同加球量的磨机运行特性曲线
图3-2表明，当加球时P-Φ关系曲线将向上漂移。
产生漂移的原因是加入自磨机内钢球的比重比矿石大，在料位不变的情况下，磨机内部的物料总重量比不加球时的总重量有所增加，故使电动机进一步消耗更多的功率。
实际上图3-2中的P-Φ关系曲线应该是一个曲线族，因为向自磨机内部加入钢球之后，经过一段时间的运行，由于钢球与矿石之间不断地碰撞和摩擦，钢球将会逐渐地被消耗掉，这时，P-Φ关系曲线又重新回到不加球时的P-Φ曲线上来。
这个过程是一个缓慢的过程，根据现场的实际经验，一般来讲新加入的钢球在一个月左右的时间内被消耗掉。
另一方面，由于自磨机内壁的保护衬板也会随时间的增加而被磨薄，新保护衬板约经过四个月左右的时间被磨损致坏，即四个月左右的时间需更新保护衬板，因此，即是在不加球的情况下，自磨机长期运行下去，不加球的P-Φ关系曲线也会产生上下漂移。
生产运行经验表明，应强调一点，即自磨机的料位中不能也不准许在Φ>45的状态下运行。
因为在这种状态下，会产生所谓的“胀肚”事故，此时自磨机内部的矿石会向外溢出，甚至会被迫停止生产，人工排除磨机内多余的矿石后才能恢复正常生产，严重时会损坏磨矿设备。
3.1.2矿石处理量Q（处理能力）与料位Φ（功率P）的关系
自磨机在磨矿作业时，由900KW同步电机带动磨机运转，使自磨机内部的矿石在运转过程中，部分矿石被带到磨机顶部作平抛落体运动，另一部分矿石作滑动和滚动运动。
当获得能量的矿石与磨机衬板碰撞摩擦时，产生破碎力和摩擦力，使矿石的粒度逐步缩小，约为-200目，直至形成矿浆被排出磨机体外。
破碎力和摩擦力的大小，直接影响着自磨机的磨矿能力。
当料位Φ为0时，即自磨机空载运行，则由矿石产生的破碎力和摩擦力为0；当料位Φ很大，比如考虑极限值Φ=100的情况，磨机内部允满了矿石而没有间隙，此时由矿石产生的破碎力和摩擦力也可看作为0，所以，料位在0-100之间一定存在一个料位ΦM，使矿石产生的破碎力和摩擦力之和为最大。
若设破碎
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