承德某選礦廠磨機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)

張 杰 王建民 楊志剛 李艷姣

(河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院)

選礦是冶金、有色、貴金屬及化工等工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，在當(dāng)今原材料加工工業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。選礦通常包括碎礦篩分、磨礦分級(jí)、選別、濃縮、脫水等工藝，其中磨礦分級(jí)和選別是選礦工序中最關(guān)鍵的工序，且磨礦分級(jí)作業(yè)是選別作業(yè)的基礎(chǔ)，因此，強(qiáng)化對(duì)球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢測與控制是改善分選效果的前提［1］。磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)是球磨機(jī)的負(fù)荷量，它包括新給礦量、循環(huán)負(fù)荷、加水量和加球量等［2］。目前，選礦自動(dòng)化技術(shù)起步較早的國家基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)磨機(jī)負(fù)荷的自動(dòng)監(jiān)控;而我國選礦廠磨礦分級(jí)系統(tǒng)的控制起步較晚，控制技術(shù)也相對(duì)落后。由于磨機(jī)運(yùn)行機(jī)理復(fù)雜、慣性大且被控對(duì)象參數(shù)耦合性強(qiáng)，加之其具有時(shí)變性、非線性和大滯后性，所以控制效果一般不理想［3-4］。本文介紹的基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)以承德某選礦廠一段磨礦分級(jí)系統(tǒng)為背景，該系統(tǒng)既具有PID控制的穩(wěn)定性和可靠性，又能發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)自尋優(yōu)控制還能很好地解決磨機(jī)負(fù)荷最佳工作點(diǎn)實(shí)時(shí)漂移的問題，是目前國內(nèi)外先進(jìn)的磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 一段磨礦分級(jí)系統(tǒng)工藝流程

該選礦廠一段磨礦共有6個(gè)系列，每個(gè)系列工藝設(shè)備聯(lián)系圖見圖1。

圖1 一段磨礦分級(jí)系統(tǒng)工藝設(shè)備聯(lián)系示意

碎礦最終產(chǎn)品從磨選廠房的粉礦料倉經(jīng)調(diào)速計(jì)量皮帶引出，再經(jīng)喂料皮帶給入一段球磨機(jī)，同時(shí)自動(dòng)加球機(jī)和安裝電動(dòng)閥門的球磨機(jī)加水管分別向球磨機(jī)內(nèi)補(bǔ)加鋼球和水;新給料與分級(jí)機(jī)返砂在球磨機(jī)內(nèi)完成研磨后進(jìn)入螺旋分級(jí)機(jī)，螺旋分級(jí)機(jī)的返砂返回球磨機(jī)再磨，分級(jí)機(jī)溢流進(jìn)入后續(xù)作業(yè)。

2 磨機(jī)運(yùn)行特性

球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜，具有非線性、大慣性和純滯后性，時(shí)變使得磨機(jī)負(fù)荷的最佳工作點(diǎn)不停地漂移，較強(qiáng)的參數(shù)耦合性使得難以針對(duì)該過程建立精確的數(shù)學(xué)模型。在磨礦分級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，物料特性、鋼球狀況、球磨機(jī)襯板磨損等的不恒定性都會(huì)對(duì)磨機(jī)運(yùn)行特性產(chǎn)生影響［5-6］。圖2為球磨機(jī)的工作特性曲線［7］，直觀地反映了球磨機(jī)的功率特性P、出力特性F、磨音特性S與磨機(jī)內(nèi)料量M的關(guān)系。

圖2 球磨機(jī)工作特性曲線

從圖2可知，球磨機(jī)運(yùn)行過程中，磨機(jī)內(nèi)料量為M1時(shí)功率最大，磨機(jī)內(nèi)料量為M2時(shí)出力最大。M1、M2將整個(gè)磨機(jī)內(nèi)料量劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)段。磨機(jī)在Ⅰ區(qū)段運(yùn)行時(shí)，其出力和功率均較低;在Ⅱ區(qū)間運(yùn)行時(shí)，磨機(jī)的出力和功率均較高;在Ⅲ區(qū)間運(yùn)行時(shí)，磨機(jī)的出力急劇變動(dòng)且功率較低，該區(qū)間由于磨機(jī)內(nèi)料量較多，往往容易出現(xiàn)漲肚現(xiàn)象。綜上所述，磨機(jī)在Ⅱ區(qū)間內(nèi)運(yùn)行才能保持平穩(wěn)、高效、低能耗。

3 基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)

3.1 專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)主要由用戶接口、推理機(jī)、知識(shí)庫、磨礦數(shù)據(jù)庫和智能控制器等部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖3。

用戶接口為操作人員提供了良好的人機(jī)交互界面，用戶與系統(tǒng)的交互通過可選擇的多級(jí)菜單命令實(shí)現(xiàn)，這些菜單命令構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)，用戶可以方便地進(jìn)入不同命令層。

圖3 磨機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

推理機(jī)負(fù)責(zé)推理求解給定的評(píng)價(jià)問題，從而完成由指定評(píng)價(jià)對(duì)象的輸入指標(biāo)到指定評(píng)價(jià)目標(biāo)的映射過程。推理機(jī)采用產(chǎn)生式規(guī)則作為知識(shí)的表達(dá)形式。

知識(shí)庫中存放著保證系統(tǒng)運(yùn)行的控制知識(shí)、各種評(píng)價(jià)原則下評(píng)價(jià)目標(biāo)同模糊自尋優(yōu)控制之間的匹配知識(shí)等。知識(shí)庫中的知識(shí)采用產(chǎn)生式規(guī)則表示。

磨礦數(shù)據(jù)庫用于存放已形成體系的評(píng)價(jià)對(duì)象的結(jié)構(gòu)化指標(biāo)屬性值，并按規(guī)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。

智能控制器包含模糊PID控制器和自尋優(yōu)控制器2部分，主要用于追蹤不斷漂移的磨機(jī)負(fù)荷最佳工作點(diǎn)。

3.2 專家系統(tǒng)的工作原理

基于模糊自尋優(yōu)控制的磨機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)工作原理見圖4。

圖4 專家系統(tǒng)工作原理

操作人員通過用戶接口將期望指標(biāo)輸入，系統(tǒng)通過專家控制與優(yōu)化計(jì)算確定物料、水和鋼球等的參考量并組織生產(chǎn)，控制系統(tǒng)然后通過對(duì)磨機(jī)的聲音和功率的監(jiān)測來計(jì)算推理出當(dāng)前磨機(jī)負(fù)荷，并完成反饋，同時(shí)礦漿濃度計(jì)將礦漿濃度信息實(shí)時(shí)地傳送回去，以便使專家系統(tǒng)作出評(píng)價(jià)和判斷，從而對(duì)物料、水和鋼球介質(zhì)的給定量進(jìn)行合理調(diào)整。

3.3 智能控制器的設(shè)計(jì)

智能控制器是該專家系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該智能控制器將常規(guī)PID控制、模糊控制與自尋優(yōu)控制結(jié)合起來，不僅發(fā)揮了常規(guī)PID控制穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而且模糊控制使得控制器的魯棒性大大增強(qiáng)，自尋優(yōu)控制更是可以實(shí)時(shí)跟蹤磨機(jī)的負(fù)荷工作點(diǎn)，使得磨機(jī)的負(fù)荷量始終保持在相對(duì)理想的區(qū)間。

圖5 模糊自尋優(yōu)控制器

3.3.1 自尋優(yōu)控制的引入

自尋優(yōu)控制是在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，通過不斷改變負(fù)荷設(shè)定值，尋找出最大出力點(diǎn)，從而使系統(tǒng)長期保持在最佳出力區(qū)間［8］。假設(shè)某一時(shí)間磨機(jī)負(fù)荷的設(shè)定值為L，此時(shí)的給料量為M1，磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定值增加1個(gè)步長ΔL，那么新的磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定值變?yōu)長+ΔL，系統(tǒng)在新的磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定值下穩(wěn)定運(yùn)行的給料量為M2，如果M2－M1＞ε(ε表示無限接近于0的正數(shù))，則表明步進(jìn)方向正確;磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定值繼續(xù)增加1個(gè)步長，如果M2－M1＜ε，則表明步進(jìn)方向錯(cuò)誤，那么磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定值就不能增加這一個(gè)步長，即表明磨機(jī)此時(shí)已達(dá)到最佳處理量區(qū)間。

3.3.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

單純依靠自尋優(yōu)控制方法會(huì)使磨機(jī)負(fù)荷的設(shè)定值為一個(gè)固定值，如果步長太小，收斂速度則較慢;如果步長太大，則會(huì)增大搜索損失，也可能會(huì)引起振蕩，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定［9］。將模糊PID控制與自尋優(yōu)控制結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定值步長的自動(dòng)改變。

模糊PID控制器主要包括模糊參數(shù)整定器和自適應(yīng)PID控制器2部分［10］，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊PID控制器

模糊參數(shù)整定器的輸入量偏差為e和偏差變化率為ec，初始輸出量為KPZ、KIZ和KDZ，最終輸出量為KP、KI和KD。e和ec首先經(jīng)過模糊推理，在此過程中，數(shù)據(jù)庫中輸入量和輸出量的模糊子集的隸屬度矢量值會(huì)提供給推理機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，推理機(jī)根據(jù)e和ec在不同階段對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，歸納總結(jié)出模糊規(guī)則，接著由清晰化接口將模糊量轉(zhuǎn)化為控制輸出量，第N次采樣時(shí)的比例、積分和微分系數(shù)的校正值為ΔKP、ΔKI和ΔKD，然后再傳遞給自適應(yīng)PID控制器。模糊PID控制器會(huì)根據(jù)偏差的大小、方向和變化趨勢(shì)等特征，再結(jié)合被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，按照預(yù)期的控制要求，通過模糊規(guī)則做出相應(yīng)控制決策，對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

參數(shù)KP、KI和KD自調(diào)整的計(jì)算式為

上述輸入量和輸出量的模糊子集均為{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，輸入量的論域?yàn)閧－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，輸出量的論域?yàn)閧－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7}，隸屬度函數(shù)均為在論域范圍內(nèi)的三角函數(shù)。

在不同的e下，KP、KI和 KD的模糊規(guī)則為:當(dāng)|e|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的KP，為避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，取KI=0，KD取值應(yīng)較小;當(dāng)|e|中等大小時(shí)，應(yīng)取較小的KP，KI可適當(dāng)增加，但不應(yīng)過大，而對(duì)于KD則要根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度適當(dāng)取值;當(dāng)|e|較小時(shí)，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的KP和KI，同時(shí)為避免系統(tǒng)在平衡點(diǎn)出現(xiàn)振蕩，KD的取值要適當(dāng)。

模糊自尋優(yōu)控制與一些傳統(tǒng)控制方法相比，只需要了解被控對(duì)象的時(shí)變特性，而并不需要建立具體的模型，并且所要尋找的最佳負(fù)荷點(diǎn)并不是一個(gè)固定值，也不是一個(gè)預(yù)測值，這個(gè)值是由實(shí)際生產(chǎn)所決定，在線實(shí)時(shí)搜索可得［11］。

3.4 磨機(jī)負(fù)荷控制策略

磨機(jī)負(fù)荷難以直接檢測，磨機(jī)的振動(dòng)、磨音和磨機(jī)電流可以間接反應(yīng)磨機(jī)負(fù)荷的變化。當(dāng)磨機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，磨音主要來源于鋼球之間以及鋼球和襯板的摩擦、碰撞，聲音較大且頻率較高，聽起來清脆;當(dāng)磨機(jī)負(fù)荷較大時(shí)，磨音主要來源于物料和鋼球以及物料和襯板之間的摩擦、碰撞，聲音較小且頻率較低，聽起來沉悶［12］。鑒于現(xiàn)場噪音的干擾，僅憑磨音判斷磨機(jī)負(fù)荷的準(zhǔn)確度較差，所以也將磨機(jī)電流考慮其中。這2個(gè)信號(hào)的變化可以較好地反映磨機(jī)負(fù)荷的變化。

由于各量之間為非線性關(guān)系，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以根據(jù)圖2將整個(gè)磨機(jī)運(yùn)行過程劃分為3個(gè)階段，這3個(gè)階段的各量之間可近似地看作是線性關(guān)系，這樣就可以建立起對(duì)應(yīng)階段的T—S模型，從而可以針對(duì)不同的階段選擇不同的控制策略［13-15］。

根據(jù)磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)特征，可將磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為以下5種情形:

(1)磨音清脆，磨機(jī)電流小，表明磨機(jī)處于欠磨運(yùn)行狀態(tài)。

(2)磨音較清脆，磨機(jī)電流較大，且磨機(jī)負(fù)荷呈上升趨勢(shì)，表明磨機(jī)欠磨程度有所好轉(zhuǎn)。

(3)磨音約為61 dB，磨機(jī)電流大，表明磨機(jī)正常運(yùn)行，磨機(jī)負(fù)荷處在最佳區(qū)間。

(4)磨音沉悶，磨機(jī)電流較大，表明磨機(jī)飽磨運(yùn)行。

(5)磨音沉悶，磨機(jī)電流較小，表明磨機(jī)過飽磨運(yùn)行。

第3種情形時(shí)，磨機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均在圖2所示的Ⅱ區(qū)間內(nèi)，所以常規(guī)PID控制即可滿足要求;一旦磨機(jī)出現(xiàn)欠磨或者飽磨時(shí)，模糊自尋優(yōu)控制器將實(shí)時(shí)搜索判斷，專家系統(tǒng)會(huì)適當(dāng)加大或者減小給料量，從而盡快使得磨機(jī)重新回到正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 專家系統(tǒng)的硬件和軟件

4.1 硬件配置

承德某選礦廠專家系統(tǒng)的硬件采用了西門子公司的S7－300PLC和工控機(jī)構(gòu)成了一個(gè)DCS系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

該系統(tǒng)包括3層結(jié)構(gòu):

(1)生產(chǎn)管理層。該層主要面向廠領(lǐng)導(dǎo)，通過廠內(nèi)以太網(wǎng)，董事長、總經(jīng)理和礦長等可在辦公室了解現(xiàn)場情況。

(2)監(jiān)視操作層。該層主要包括作為服務(wù)器的工控機(jī)和中控室設(shè)備，操作人員在中控室通過計(jì)算機(jī)可監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場信號(hào)的變化并加以相應(yīng)操作，服務(wù)器負(fù)責(zé)層與層之間的通訊，同時(shí)該層記錄的數(shù)據(jù)可用于日后數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)故障分析。

(3)過程控制層。該層由2個(gè)S7－300PLC和6個(gè)ET200遠(yuǎn)程分站組成，一方面與中控室進(jìn)行通訊，另一方面還與現(xiàn)場設(shè)備相連接。

圖7 DCS系統(tǒng)

4.2 軟件設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面，上位機(jī)部分選用西門子公司的WINCC來完成人機(jī)界面的組態(tài)，提供良好的用戶界面，其主界面如圖8所示。

操作人員可以通過“參數(shù)設(shè)定”來設(shè)置加水量、濃度和累積量清零等相關(guān)參數(shù);“磨機(jī)數(shù)據(jù)”可以顯示磨機(jī)實(shí)際負(fù)荷、礦漿濃度、電耳聲強(qiáng)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息;“報(bào)警界面”和“趨勢(shì)界面”則可分別顯示報(bào)警出錯(cuò)的具體位置和整個(gè)磨礦分級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行情況的歷史曲線。操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測球磨機(jī)的運(yùn)行狀況乃至整個(gè)磨礦分級(jí)作業(yè)的情況。

在軟件設(shè)計(jì)過程中，把整個(gè)軟件部分模塊化，這樣不僅方便調(diào)試，而且使軟件可以更好地維護(hù)。

5 應(yīng)用效果

該專家系統(tǒng)于2012年8月在承德某選礦廠進(jìn)行了安裝和調(diào)試，并投入試運(yùn)行。圖9是1#磨機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷運(yùn)行曲線。

從圖9可以看出，磨機(jī)負(fù)荷起初保持相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)人為加入5%的擾動(dòng)后，負(fù)荷量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，但經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)節(jié)后，負(fù)荷量又會(huì)穩(wěn)定在最初的給定值。在整個(gè)過程中，系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)變化平穩(wěn)，無大幅波動(dòng)，系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

試運(yùn)行情況表明，球磨機(jī)的臺(tái)時(shí)處理量提高了7%，生產(chǎn)成本降低了3%，同時(shí)徹底改變了該廠原先依靠工人24 h身處球磨機(jī)旁聽磨音憑借經(jīng)驗(yàn)來判斷磨機(jī)負(fù)荷的境況，從而大大地改善了操作人員的工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

6 結(jié)語

圖8 上位機(jī)主界面

圖9 磨機(jī)負(fù)荷運(yùn)行曲線

針對(duì)球磨機(jī)的大慣性滯后、時(shí)變性、非線性和難以建立精確模型等特點(diǎn)，本研究提出了基于模糊自尋優(yōu)控制的專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)將模糊控制、自尋優(yōu)控制和常規(guī)PID控制技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成了兼容PLC和工控機(jī)的DCS系統(tǒng)，通過控制優(yōu)化和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的控制目標(biāo)。承德某選礦廠的運(yùn)行效果表明，該專家系統(tǒng)在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

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