选矿厂磨矿过程智能控制系统的研究与开发

中图分类号：TP183 论文编号：HBLH 2014-0001U D C： 密 级： 公 开 硕 士 学 位 论 文选矿厂磨矿过程智能控制系统的研究与开发作者姓名：丁晶晶学科名称：控制工程 研究方向： 过程控制 学习单位：河北联合大学 学习时间: 2.5 年 提交日期: 2014 年 12 月 5 日申请学位类别：工程硕士导师 姓名：王建民 教授 单位：河北联合大学 电气工程学院缐永辉 高工 单位：唐山银水钢铁股份有限公司公司自动化厂论文评阅人：匿名 单位：评阅人所在单位匿名 单位：评阅人所在单位论文答辩日期：2015 年 02 月 15 日 答辩委员会主席：姓名职称关 键 词： 磨机负荷；专家控制；模糊控制；PLC 唐山 河北联合大学2014 年 12 月Research and Development on Intelligent Control System of Grinding ProcessDissertation Submitted toHebei United Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of Engineering SciencebyDing Jingjing(Control Engineering)Supervisor: Professor Wang jianminMarch, 2015独 创 性 说 明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北联合大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解河北联合大学有关保留、使用学位论文的规定，即：已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交流。论文密级： 公开； 保密（至 年 月）(保密论文在解密后遵守此规定) 。作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要- I -摘 要磨矿过程在选矿生产中起着承前启后的作用，磨矿产品的质量和产量直接影响着整个选矿厂的经济效益。磨矿过程可被视为一个复杂的循环系统，外界干扰众多，同时，磨矿过程还具有非线性、大惯性、纯时滞长和参数间耦合严重等特性。传统人工操作，不仅非常耗费人力资源，而且还不能及时、准确地调整控制参数，单纯的依靠现场工人的经验控制，很容易造成整体系统频繁振荡，造成生产事故；由于上述磨矿过程的诸多特性，目前工业领域使用较多的常规 PID 控制也难以奏效。目前，磨矿粒度等工艺指标难以在线测量，很难实现磨矿粒度的优化控制，因而导致磨矿生产过程的不稳定，难以保证球磨机的工作效率，因此对磨矿过程进行自动控制是提高磨矿产品质量和产量的重要途径。其中，针对球磨机负荷量（下文简称磨机负荷）的检测和控制是实现磨矿过程自动控制中最重要的组成部分，磨机负荷直接影响着整个磨矿过程的生产效率。首先对当前国内外磨矿过程自动控制的技术水平和发展进行了概述，然后详细地分析了磨矿过程的工艺流程，并明确了控制内容及控制要求，即要求设备联锁控制，给矿量的检测、控制和累计，自动判断和调节给矿量，磨机负荷的检测和控制，矿浆浓度的控制等；根据分析系统的工艺流程和控制内容，确定了以球磨机的声音与电流作为系统输入，结合专家经验与模糊规则综合判断磨机负荷，从而控制给矿量，并编写了相应程序，实现了磨机负荷的智能控制。该系统选用西门子 S7-300PLC，相应的监控组态和 PLC 程序的编写分别选用 WinCC6.0 和 STEP7 软件，完成了生产现场工艺流程图、操作面板、历史趋势和报警等功能，实现了控制和管理的协调统一。该系统不需要对被控对象建立精确的数学模型，因此可以有效避免磨矿过程上述特性的影响，保持了球磨机的持续稳定运行，优化了磨矿过程的自动控制，使磨矿过程的自动控制更加智能，在保证粒度的前提下，实现了磨机负荷的最佳化。图 28 幅；表 5 个；参 62 篇。关键词：磨机负荷；专家控制；模糊控制；PLC分类号：TP183 河北联合大学硕士学位论文- II -AbstractGrinding process plays an essential role in the whole mineral processing industry, its quality and output directly influences the whole economic benefits. Grinding process can be taken as a complex circulatory system, affecting by many external factors, at the same time, grinding process has serious nonlinear, large inertia, pure lag time and coupling among parameters. Traditional manual operation not only take a lot of manpower, and it can not adjust parameters promptly and accurately, and it is easy to make the whole system oscillate simply rely on the experience of the workers, resulting in production accident; because of the characters of grinding process, the conventional PID control used widely in industry area is useless. Nowadays, grinding particle size and other technological parameters are difficult to measure online, and optimizing control is difficult to achieve, then resulting in the grinding production unstable, it can not be sure the efficiency of mill load, so realizing the automatic control of grinding production is an important way to improve the quality and quantity of grinding product. Among them, the detection and control of mill load is very important to realize the automatic control of grinding process, mill load affects the productivity of grinding process directly.Firstly, summarizing the current technical level and development of domestic and foreign grinding automation, and then analyzing the technical process of grinding, the control content and control request, including the control of equipments, the examination to grinding quantity, the automatic judgment and cutting giving-ore machine, control of grinding density; according to analyze the technical process and control content, which established mill sound and current as the input of system, combined with comprehensive expertise and fuzzy rules to determine the mill load, and controlling the amount of mine, and writing program to achieve the intelligent control of mill load. This system does not require establish a precise mathematical model of object so that it can avoid the effecting of characters of grinding, maintained the continuous and steady running of mill load, optimizing the automatic control of grinding, making the process more intelligent, achieving the best of mill load.Figure28; Table5; Reference 62Keywords: mill load, expert control, fuzzy control, PLCChinese books catalog: TP183目 次- III -目 次引 言 .1第 1 章 绪论 .21.1 论文选题的背景和意义 .21.2 磨矿过程工艺流程概述 .21.3 磨矿自动化发展现状与存在的问题 .31.3.1 磨矿自动化国内外发展现状 .31.3.2 磨矿自动化存在的问题 .51.4 课题的主要研究内容 .6第 2 章 磨矿过程理论分析 .72.1 磨矿过程控制分析 .72.2 球磨机运行特性分析 .82.2.1 球磨机工作原理 .82.2.2 球磨机运行状态分析 .92.2.3 磨机负荷特性分析 .92.3 磨矿过程控制技术 .102.3.1 磨矿过程自动控制可行性分析 .102.3.2 磨机负荷判断依据 .102.3.3 磨矿过程的智能控制策略 .112.3.4 专家控制原理 .112.3.5 专家控制系统实用化问题分析 .132.3.6 模糊控制原理 .142.3.7 专家控制与模糊控制相结合的智能控制系统 .15第 3 章 磨矿过程的智能控制系统 .163.1 智能控制系统的控制目标 .163.2 智能控制系统的检测和控制内容 .173.2.1 生产现场设备的控制 .173.2.2 给矿量的检测与控制 .173.2.3 球磨机轴承温度的检测 .18河北联合大学硕士学位论文- IV -3.2.4 球磨机电流的检测 .183.2.5 球磨机声音的检测 .183.2.6 给水量和加球个数的控制 .183.2.7 矿浆浓度的检测与控制 .183.2.8 磨机负荷的检测与判断 .193.3 磨矿过程优化控制 .203.3.1 目标函数 .203.3.2 自寻优优化方法 .213.4 智能控制系统的设计 .233.4.1 智能控制系统总体架构 .243.4.2 模糊推理及其实现 .263.4.3 专家控制及其实现 .30第 4 章 智能控制系统的实现 .334.1 智能控制系统的硬件配置 .344.1.1 上位机的选择 .344.1.2 下位机的选择 .374.1.3 上位机与下位机通讯方式的选择 .394.1.4 PLC 的保护措施 .404.2 智能控制系统的软件设计 .414.2.1 STEP7 软件设计步骤 .414.2.2 编程总体方案 .44第 5 章 智能控制系统的仿真测试 .46结 论 .49参考文献 .50致 谢 .54导师简介 .55作者 简介 .56学位论文数据集 .57引 言- 1 -引 言磨矿过程是整个选矿生产中最为关键的环节之一，它起着承上启下的作用。磨矿分级作业在选矿厂的基建投资和生产费用等方面都占据着很大的比例，其能耗约占整个选矿生产的 50%60%。磨矿过程的关键是针对球磨机不同运行状态的监测和磨机负荷的控制，磨矿产品的质量和产量会对后续作业乃至整个选矿过程的经济技术指标都产生很大的影响。磨矿过程存在着非线性、大惯性、滞后性和时变性等特性，加之磨机负荷的检测与控制属于“黑箱”问题，因而难于实现磨矿过程的优化控制，导致了磨矿过程的不稳定，难以保证该过程产品的质量和产量。目前，国内大多数中小选矿厂的磨矿过程均采用传统的人工操作，既耗费人力资源，并且人为主观因素导致而不能及时、准确地调整控制参数；国内少数大中型选矿厂实现了磨矿过程的自动控制，但是多采用常规 PID 控制，而且主要还是依赖与球磨机声音或者输入功率等单一参考数据来判断磨机负荷，使得系统不能持续稳定运行，并且“涨肚”现象频出，控制效果亦不理想。综上所述，为了消除人工操作的弊端，提高磨矿过程的生产效率，达到节能降耗的目的，开发研制先进的自动控制系统就显得至关重要。本文通过对球磨机声音和电流进行分析，利用专家控制和模糊控制等先进的控制技术，结合矿山企业多年的生产情况和磨矿生产工作人员多年来积累的丰富经验，总结出了多条适用于磨矿生产的专家控制规则，并在 PLC 中予以实现，利用专家控制规则对磨机负荷进行综合判断，通过模糊推理，计算出不同磨机负荷状态下相应的给矿量，从而实现了针对磨矿过程的智能控制，保证了球磨机的持续安全稳定运行，提高了磨矿过程生产效率。河北联合大学硕士学位论文- 2 -第 1 章 绪论1.1 论文选题的背景和意义选矿是冶金、有色金属、贵金属及化工等工业发展的基础，在当今原材料加工工业中发挥着不可或缺的作用。磨矿分级作业又是选别作业的基础，因此，有效改善针对球磨机运行状态的检测与控制，提高磨矿产品的质量和产量至关重要 1-3。磨机运行状态的一个重要参考就是球磨机的负荷量，它包括新给矿量、循环负荷、加水量和加球个数等 4。目前，选矿自动化技术起步较早的国家，如美国、澳大利亚和南非等国，已经不同程度地实现了对磨矿过程的自动控制；而我国选矿自动化起步于 20 世纪