赤铁矿磨矿过程运行优化控制软件系统研究

发布时间：2018-12-20 10:06

【摘要】：磨矿过程是紧随破碎工序之后,继续对矿物进行粉碎,以使有用矿物与脉石单体解离或不同有用矿物相互解离的重要工序,为后续选别工序提供原料,其产品粒度与生产效率直接影响了选矿厂的铁精矿品位等产品质量指标与生产能力。我国铁矿石资源丰富,但大部分为赤铁矿石,其存在品位低、嵌布粒度粗细且不均、矿物组成复杂且不稳定的特点。为了获得合格的磨矿产品粒度,赤铁矿一段磨矿过程普遍采用我国特有的由球磨机与螺旋分级机组成的闭路生产工艺。其工艺要求在生产过程中将磨矿粒度控制在理想的磨矿粒度范围内,并尽可能的接近最优值,且当赤铁矿原矿粒度与可磨性频繁波动时,避免发生磨机负荷异常工况,实现成产过程的安全、连续、稳定运行。我国赤铁矿磨矿过程是一个由多个生产设备有机联接而成的工业过程,具有复杂的动态特性,主要体现在：1)以磨矿粒度为输出,磨机给矿量、磨机入口加水流量和分级机溢流浓度为输入的动态模型具有强非线性、多变量耦合、磨矿机理不清,并受原矿粒度与可磨性、分级机返砂等不可测随机干扰的影响,难以建立数学模型的特点。2)赤铁矿中的强磁性颗粒在矿浆中存在“磁团聚”现象,使得在线粒度检测仪表难以真实测量磨矿粒度,实际生产过程只能采用实验室离线化验方式,然而由于磨矿粒度人工化验的周期(2小时左右)远大于闭环优化控制周期(15分钟),因此无法用于优化控制。3)当赤铁矿原矿粒度与可磨性变化时,如果磨机给矿量、磨机入口加水流量和分级机溢流浓度的设定值不合适,易造成磨机负荷工作在“欠负荷”或“过负荷”工况,严重时发生磨机“涨肚”或“空砸”等事故,影响磨矿过程的安全稳定运行。赤铁矿磨矿过程的上述复杂综合特性,使得已有的磨矿运行优化与控制方法及软件产品无法直接使用,因此赤铁矿磨矿过程的运行优化控制对现有的控制技术提出了挑战。在算法方面,为实现赤铁矿磨矿过程的运行控制目标,必须将多复杂算法、实际数据与知识相结合,开发集运行指标软测量、优化控制、故障诊断与自愈控制为一体的赤铁矿磨矿过程运行优化控制方法。在软件方面,虽然现有的商业化运行优化与控制软件提供了丰富的人机交互接口,但对核心控制方法的扩展支持不足,不仅无法对控制策略以及实现算法进行修改,也无法嵌入第三方算法开发与求解软件,而DCS/PLC控制系统的通用算法组态软件平台因无法满足复杂算法开发与运行要求而无法使用。为此,必须结合我国赤铁矿磨矿过程的特点,开发出适应我国赤铁矿磨矿过程的运行优化控制方法及软件系统,以服务于我国的选矿工业。本文在国家重大基础研究发展计划(973)重点课题“具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础与半实物仿真实验平台的研究(2009CB320604)”的支持下,开展了赤铁矿磨矿过程运行优化控制软件系统的研究,取得的主要成果如下：1.提出了由主模型和误差补偿模型组成的赤铁矿磨矿粒度软测量算法。其中,主模型根据物料平衡原理建立磨矿粒度的动态模型,并采用prey-predator方法校正模型参数；误差补偿模型采用基于非参数核密度估计与加权最小二乘方法的在线鲁棒随机权神经网络。2.提出一种数据驱动的赤铁矿磨矿过程运行优化控制算法,包括回路设定值优化,负荷异常工况诊断与自愈控制。其中,回路设定值优化以将磨矿粒度控制在目标范围内并尽可能接近目标值为目的,通过引入磨矿粒度与粒度目标值偏差的二次性能指标,采用串联神经网络,利用粒度期望值已知的条件,在线给出磨矿过程控制回路的设定值；负荷异常工况诊断与自愈控制以能够及时发现和处理负荷异常工况为目标,采用规则推理技术实时监视磨机负荷的运行工况,并当负荷异常工况发生时,采用案例推理技术给出回路设定值的调整量,通过控制回路实际输出跟踪调整后的设定值,使异常工况消除。3.开发了支持磨矿过程运行优化控制方法研究的组态软件平台,可用于实现磨矿粒度软测量、回路设定值优化、负荷异常工况诊断与自愈控制等算法。该软件平台包括运行优化控制算法图形化组态、算法管理、算法求解、控制策略校验与自动执行、数据显示与分析等功能模块。利用此软件平台组态开发了本文所提的控制方法,并在半实物仿真实验系统上进行了实验验证,取得了良好的控制效果,表明了所提方法和所研制的软件平台的可用性和有效性。4.开发了面向工业应用的赤铁矿磨矿运行优化控制软件系统。该软件系统包括数据录入、优化条件判断、磨矿粒度软测量、回路设定值校正、数据通信异常诊断、运行日志管理等功能模块。该软件系统在我国某赤铁矿选矿厂的磨矿过程进行了工业应用,首先采用实际工业数据验证了软件系统对磨矿粒度的在线估计性能,在此基础上利用该系统辅助现场操作员实现了对回路设定值的在线调整,从而提高了磨矿产品合格率与生产效率,有效说明了所开发的软件系统的有效性和可用性。
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【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD453;TP273
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本文编号：2387838