刘梦晓，段伟杰

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332100）

1 引言

当城门山铜矿位于江西省九江市柴桑区城门乡，隶属于江西铜业股份有限公司，是以铜、硫为主，共生钼、锌、铁，伴生金、银等多种金属元素的大型矿山，是国内已探明的18座大型铜矿和9大稀有稀散金属矿床之一［1]。20世纪50年代末60年代初开始进行开采，几经变革，2002年建成了处理量2000t/d的1#选矿厂，2012年选厂二期扩建，新建了日处理量5000t/d的2#选矿厂，目前矿石处理能力约8000t/d，是江铜集团的骨干矿山企业。

城铜选矿厂浓缩脱水工段的生产主要依赖工人现场操作，工人劳动强度大，自动化程度低，生产指标波动频繁，已成为制约城铜精矿生产的重要环节。因此，对浓密脱水流程进行智能化改造，建立浓密机生产过程机理模型，实时监测浓密机运行状态，自控控制阀门放矿，对于设备高效利用，提高生产效率，以及降低操作工人劳动强度，都具有很大的意义［2]。

2 铜精矿浓缩脱水生产工艺流程

选矿厂建有2座工厂，均具有独立完整的工艺流程，历经多年改造，1#系统浓密机和压滤设备均已废弃不用，一二选厂共用了2#系统浓密脱水流程。一厂和二厂浮选流程铜精矿通过溜槽进入30m浓密机，矿浆中悬浮颗粒在重力作用下自由沉降，浓密机中心经液压传动，耙架沿着池壁周围呈规律性圆周行走，保证矿浆呈悬浮态运动，同时起到矿浆压缩缓冲作用。耙架上的刮臂不断将矿浆刮向底部，大致形成了澄清层、自由沉降层、压缩层三级高度的池内状态［3]。根据生产状况，加入了絮凝剂加快颗粒物沉降，如图1所示。

图1 浓密机

澄清层溢流水进入回水池，通过输送泵扬至高位水池返回生产流程。池内浓缩后高浓度矿浆通过底部阀门放至铜精矿搅拌桶，然后经隔膜泵进入压滤机，压滤机压滤精矿粉落入精矿仓成为最终产品，经货车运送出矿，压滤机滤液进入回浆泵池，经渣浆泵重新扬送至铜浓密机。整体工艺流程如图2所示。

3 主要控制方案设计

由于建设初期条件不完善，现场很多设备并未配备检测仪表，现场工人采用手测、目测等方式记录数据，存在测量不及时、不准确等问题，因此首先新增了部分仪器仪表，实时获取设备关键信息。生产流程限于条件，依靠人工凭经验在现场进行操作，对原控制系统进行自动化改造，使之具备远程可启或调节的条件。在实现硬件检测和调节的工作上，进行软件设计编程，根据城门山生产实际，开发满足实际生产需求的上位机画面和控制功能模块。

图2 浓密脱水工艺流程

通过新建一套控制系统，读取现场设备数据和运行状态，得到浓密机内部机理状态，并在上位机实时显示，从而指导操作工人生产。同时为减少人工操作的随意性和误差，对底流进行自动放矿控制，保持底流浓度稳定，为后续流程提供符合要求的产品，从而提升生产经营指标［4]。选矿厂二厂已建有1套主控DCS系统，采用美国Rockwell公司的Controllogic 1756系列PLC作为主控CPU，精矿脱水车间设有一子站，已与主控PLC通过Control Net现场总线建立了通信连接［5]。为充分利用现有条件，避免重复投资，新建控制站接入原DCS系统，利用已打通的通信线路传输数据进入DCS系统数据库。新增1台优化工程师站，与DCS数据库通过OPC通信连接，得到现场生产作业大数据，并进行数据分析建模，得到浓密机池内生产状况模型，同时给出控制策略，对生产流程进行自动控制。其整体网络架构如图3所示。

图3 网络架构图

4 基于PLS建模的底流浓度软测量

浓密机池内反应过程复杂，受来料波动，介质黏度，出料大小等多种因素共同影响，难以建立精确的数学模型［6]。从生产过程机理研究为切入点，基于过程机理与数据驱动相融合方式，对于解决这种复杂过程建模提供了一条新思路［7]。根据浓密机生产机理，将采集的入料流量，出料流量，池内压力，浓度泵电流等海量数据进行分析，并与实际测量的底流浓度相比较，实现了对底流浓度的智能预测及软测量。

建模时采用偏最小二乘方法（PLS），偏最小二乘回归是一种多因变量对多自变量的回归建模方法。PLS方法可以通过将数据从高维空间投影到低维空间，得到互相正交的特征向量，最后建立特征向量之间的一元线性回归关系。PLS方法有效地克服了普通最小二乘回归（Least Squares method，LS）的共线性问题，同时PLS将多元回归问题转化为多个一元回归，适用于样本数较少而变量数较多的过程建模［8]。根据现场生产实际，在浓密机内部安装了4个压力传感器，传感器之间的距离是确定的，选取压力值Pa,Pb,Pc,Pd作为建模变量，同时离线测量底流浓度，采集大量数据进行计算收敛，得到PLS模型所要求的回归系数θ。

当得到新样本Xnew时，利用θ按下式直接计算出预测结果：

图4 浓密机关键变量软测量系统

底流浓度软测量验证结果：

（1）离线验证：平均绝对误差1.74%；最大绝对误差3.3%。

（2）在线验证：平均绝对误差1.2%；最大绝对误差3.71%。

图5显示了浓度软测量值与实际测量值比较，误差在工艺要求范围内，可以指导实际生产。

图5 浓度软测量值与实际值比较

5 基于专家控制规则的底流自动放矿控制

浓密机底流自动放矿控制是冶金行业浓缩脱水流程的重要难题，由于无法建立底流浓度与入料矿量、出料矿量、池内压力的精确数学模型，传统PID控制无法取得良好控制效果。文献[9]采用了智能推理与Fuzzy-PID控制器相结合的方法 ，文献[10]提供了基于一种占空比调节阀门的开环控制方法，取得了一定成果。实践证明，专家控制系统对非线性复杂控制系统有良好控制效果［11]。本文针对城门山生产现状，通过模拟工人操作规则，结合日常工作经验，提出了基于专家控制规则的底流自动放矿控制。

在浓密机生产中，最重要的问题是耙架压力过大，造成浓密机系统停机。所以必须优先保证浓密机压力不会超过最大范围，发生停产事故［12]。同时铜精矿搅拌桶是有一定容量的，必须保证液位在一定范围，液位过低压滤机得到的精矿太少无法进行连续生产，液位过高则满出泵池，发生跑冒滴漏。底流浓度是自控放矿的控制目标，底流有四路闸板阀为放矿的执行机构。因此，该系统为三输入四输出的多输入多输出非线性控制系统。根据城门山选矿厂生产实际，浓密池耙架压力Ya，搅拌槽液位Ye，浓度软测量值Ne作为系统输入，四路闸板阀F1-F4作为输出，通过轮询放矿的方式，控制阀门输出调节浓度值。

部分控制规则如下：

（1）当搅拌桶液位高于连锁上限时IF Ye>Ye.Max，停止放矿THEN F(N)=0；

（2）当耙架压力高于安全上限，且搅拌桶液位低于连锁下限时IF YA>Ya.Max AND Ye

（3）当耙架压力低于安全上限，且底流浓度高于工艺上限，且搅拌桶液位低于连锁下限时IF YANe.Max AND Ye

（4）当耙架压力低于安全上限，且底流浓度低于工艺下限时IF YA

以上系统输入均可以通过画面人工选择是否投用，当浓度软测量值明显偏离正常范围后给出报警提示，可手动选择切除，将剩余参数作为系统输入。并且手动自动具有无扰切换功能，可随时进行手动自动切换。如图6所示

图6 底流自动放矿控制

每次放矿开启阀门F(n)，得到开到位信号后，置中间数m加1，当m>f时切换到F(n+1)并复位，切换到下一台阀门开启，避免长期动作单一阀门造成设备过度磨损。当发出开阀信号且长时间未得到开到位信号，认为设备故障，给出报警提示。

6 应用效果

应用效果见表1。

表1 统投用前后效果对比

浓缩脱水智能控制系统开发上线运行后，操作工人可在操作间实时查看设备运行状态，。当发生故障时可以及时发出报警并提示，大大提高了设备安全运行的可靠性。操作站还可直接远程起停部分设备，实现了底流浓度自动放矿，减轻了工人的劳动工作量，与投用前相比，底流浓度平均提高近9%，压滤板数明显减少，降低了备件损耗和单位能耗，创造了良好的经济效益。