邹国斌,王庆凯,余 刚,徐 宁,朱胜强

(1.北京矿冶研究总院,北京市 100160;

2.矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室,北京市100160; 3.山东省黄金电力公司,山东莱州261441)

一种变结构的选矿过程泵池控制策略及其实现

邹国斌1,2,王庆凯1,2,余 刚1,2,徐 宁1,2,朱胜强3

(1.北京矿冶研究总院,北京市 100160;

2.矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室,北京市100160; 3.山东省黄金电力公司,山东莱州261441)

针对选矿过程泵池的控制要求,提出一种变结构的控制策略,建立Matlab模型并进行仿真,验证了策略的有效性,得到了实际调试时的初始建议参数。应用效果表明,变结构的泵池控制策略能充分利用砂泵池的缓冲能力,为后续流程提供稳定的工作条件。

变结构控制；选矿过程；泵池；Matlab模型

选矿流程中包含很多泵池,如磨矿分级泵池、浮选中矿泵池、矿浆分配泵池等。这些泵池往往作为流程之间或者流程内部分段的缓冲节点,用于平缓上游流程的波动,给下游流程预留足够的操作和控制空间。缓冲泵池一般配备液位检测仪表,通过调节渣浆泵的频率实现液位等调节量的控制,首要目标是确保泵池不冒槽、不抽空,其控制性能的优劣直接影响流程上下游之间的工艺平稳和选矿工艺指标[1]。

传统的泵池控制方式包括手动控制、恒液位控制、恒流量控制等。手动控制即操作工根据实际工况,手动设定渣浆泵频率。此种方式的劳动强度大,需要操作工时刻关注泵池液位情况,且无法适应泵池液位干扰大、泵池缓冲能力小的情况。恒液位控制即设定液位控制目标,采用PID等常规控制策略自动调整渣浆泵频率[2-3]。此种方式虽然避免了泵池冒槽和抽空,但会将干扰直接引入下游流程,导致后续工艺的波动,大大降低了泵池的缓冲效果。恒流量控制即设定矿浆排出流量控制目标,采用PID等常规控制策略自动调整渣浆泵频率。此种方式有利于下游流程的稳定,但在上游工况波动较大的情况下,容易造成泵池的冒槽、抽空现象,也会影响到下游流程的平稳运行。近年来,部分学者研究了预测控制、模糊控制等智能控制方法在选矿泵池控制中的应用,取得了较好效果[4~7]。但这类方法往往针对特定流程且实现复杂,适应性和推广性较差。由此可见,常规的控制策略不能适应缓冲泵池的控制要求,复杂控制策略适应性又较差。因此,设计并实现专用的控制策略,对选矿过程的平稳运行和提高工艺指标均具有重要的意义。

1 泵池控制的要求

典型的选矿过程缓冲泵池流程如图1所示。

图1 典型选矿过程缓冲泵池流程

上游排矿(如磨机排矿、浮选溢流泡沫等)直接进入泵池,根据工艺需要添加一定量的补加水调浆后,通过渣浆泵排出至下游流程。车间事故池矿浆或者清理卫生、消泡等过程产生的冲洗水也会进入泵池。在泵池上方,一般安装液位计用于实时检测泵池内矿浆液面。

实际工艺流程中,上游排矿量经常出现短期波动或长期漂移,补加水量需要根据工艺要求调节,事故池等返回量又具有随机性,加上缓冲泵池容积往往有限,给缓冲泵池的控制带来很大困难。结合工艺和控制实践,一种好的泵池控制策略需要满足以下要求：1)必须确保泵池生产安全。泵池液位不能太高,以免冒槽；也不能太低,以免抽空。且高限和低限要留有一定的裕量,以保证在进出量波动时有足够的调整时间。2)保证下游流程的平稳运行。在工况相对平稳时,需要确保泵池排矿的稳定,在工况发生长期漂移时,能够快速自适应至新的平衡点,最大限度地维持下游流程的稳定。3)充分吸收流程波动及干扰。在工况发生周期小波动或冲击干扰时,尽可能充分利用泵池的有效容积,避免泵速频繁调整,缓冲工况波动对流程的影响。

2 变结构的泵池控制策略

根据选矿过程缓冲泵池控制的要求,设计了变结构的泵池控制策略,充分利用泵池的有效容积,在不出现冒顶、抽空等事故的前提下优先保证下游流程的稳定,通过带记忆的变结构控制策略实现综合性能的最优。其控制框图如图2所示。其中变结构控制模块以液位实际值、液位控制限与液位中限为参数,综合判断选择相应的控制模式,如恒液位、恒泵速和超限控制,并实现各模式之间的无扰切换。

图2 变结构的泵池控制策略框

变结构的泵池控制策略如下所述：1）根据泵池液位与上上限、上限、下限、下下限的关系分为5个控制区间,针对每个区间实现不同的控制策略。按液位由高至低分别为上限报警区、上限调整区、稳定区、下限调整区、下限报警区。2）液位处于稳定区时,泵速维持不变,以保证下游流程的稳定。此时系统处于平衡状态。3）若液位从稳定区进入调整区,说明系统发生了工况变化,平衡被破坏。此时需调整泵速,使液位重新进入稳定区,达成新的平衡后再次进入恒泵速控制。4）若液位从调整区进入报警区,说明系统进入了异常状态。如进入上限报警区,则将频率设定为最大值,以防止泵池冒槽；如进入下限报警区,则将频率设定为最小值,以防止泵池抽空。

变结构的缓冲泵池控制策略可用状态转移图表述,如图3所示。

图3 变结构的泵池控制状态转移

3 泵池控制策略参数仿真

变结构的缓冲泵池控制策略应用成功的关键在于控制参数的设定。不合理的参数不但无法实现泵池的平稳控制,在模式切换过程中还可能造成人为振荡。考虑到工业现场往往不允许进行长时间和剧烈的调试过程,对控制策略和参数整定过程进行仿真具有重要实际意义。

建立泵池变结构控制的Matlab/Simulink模型,如图4所示。变结构控制策略采用matlab有限状态机（Stateflow）表述,渣浆泵采用一阶模型,泵池采用积分模型,如表1所示。

表1 泵池仿真模型

图4 变结构泵池控制策略Matlab/Simulink模型

图5 变结构泵池控制策略仿真结果

利用渣浆泵开环运行数据和泵池物理尺寸可拟合表1中模型的参数。以国内某选矿厂流程为例,通过数据拟合得到渣浆泵模型中a=16,b=3；泵池模型中k=1/36。对模型中的流量和液位分别增加白噪声和周期性干扰后,对泵池进行变结构控制策略仿真。经过多轮参数整定,得到泵池控制的效果如图5所示。仿真结果验证了控制策略的有效性并得到最优参数。该组参数既保证了液位触发控制限后快速调整到位,24 h内的调整次数和调整时间占比也较小,可将其作为实际调试时的初始参数。

4 现场应用

在国内某大型矿山选矿厂磨矿分级泵池采用本文所述变结构控制策略,在仿真整定的控制参数基础上微调即得到稳定运行的参数。其应用效果如图6所示,24 h内砂泵仅做了9次调整,调节时间所占比例约12.5%,而传统控制方法几乎100%的时间在进行调节。该策略较之常规恒液位控制方案更能充分利用砂泵池的缓冲能力,在保证液位安全的前提下,使得渣浆泵转速尽可能不变,为后续旋流器分级提供稳定的工作条件。

图6 变结构泵池控制策略应用效果

5 总结与展望

本文针对选矿过程泵池的控制要求,提出一种变结构的控制策略,建立matlab模型并进行仿真,验证了策略的有效性,得到了实际调试时的初始建议参数。应用效果表明,变结构的泵池控制策略相比常规方式,更能充分利用砂泵池的缓冲能力,在保证液位安全的前提下,使得渣浆泵转速尽可能不变,为后续流程提供稳定的工作条件。

[1] 文祥.变频调速在球磨泵池液位控制系统中的应用 [J].铜业工程,1999(1):15-17.

[2] 陆清林.PLC在浮选液位自动控制中的应用[J].电工技术,2009 (11):36-37.

[3] 庞小波,陆燕慧,仝战营,等.基于超声波测距的液位自动控制系统[J].微计算机信息,2008(24):124-125.

[4] 张海峰,汪文洲,陈琴,等.广义预测控制在泵池回路中的应用[J].冶金自动化,2012(1):25-30.

[5] 薛来文,谢琼泽,王文田,等.球磨—旋流器数学模型在磨矿分级自控系统中的应用[J].矿冶工程,2012(2):50-53.

[6] 梁蕾,李振国.选矿过程矿浆液位的模糊控制算法研究[J].金属矿山,2009(7):103-105.

[7] 赵大勇,柴天佑,付俊,等.旋流器分级过程的智能控制[J].东北大学学报（自然科学版）,2011(2):157-161.

A Variable Structure Control Strategy and its Implementation of Pump Sump in Mineral Process

ZOU Guobin1,2,WANG Qingkai1,2,YU Gang1,2，XU Ning1,2，ZHU Shengqiang3
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy,Beijing 100160,China; 2.Beijing Key Laboratory of Automation of Mining and Metallurgy Process,Beijing 100160,China；3.Shandong HuangJinPower Company,LaiZhou,Shandong 261441,China）

According to the control requirements of the pump sump in mineral process,a variable structure control strategy and its implementation of pump sump in mineral process is presented.The Matlab model is established and simulated,which proving the strategy effective and providing the parameters.The application results show that this control strategy can make full use of the buffer capacity of the pump sump,while providing a stable working conditions for the follow-up process.

variable structure control;mineral process;pump sump；theMatlab model

TP391.9

A

1004-4345(2015)03-0031-03

2015-04-28

国家高技术研究发展计划（863计划）：选冶检测与优化控制技术项目选矿过程信息物理融合的优化控制技术课题（2011AA060203）。

邹国斌（1984—），男，工程师，主要从事选矿过程自动化及其优化控制研究工作。