（控制理论与控制工程专业论文）多变量统计过程控制在反浮选生产过程中的应用.pdf

鞍山 科技大学硕士学位论文 摘要 随着国际、国内市场的不断发展，对产品质量的要求越来越高。因此 追求高质量的产品、低成本的消耗成为企业能否在激烈的市场竞争中立于 不败之地的最首要的保证。 本文的主要任务是完成对选矿厂阳离子反浮选过程的控制系统设计， 以提高精矿品位和降低生产成本，并采用先进的自动控制技术，达到对过 程变量的实时检测，工艺流程的实时监控，过程参数的实时控制。 首先文章对浮选过程控制的国内外发展情况进行了阐述，对浮选过程 的工艺流程进行了简要介绍。 论述了浮选过程控制系统的总体结构和实现 方法。 然后在详细研究浮选工艺流程，了解操作条件对浮选技术指标的影响 的基础上为浮选过程模型选择了合适的输入和输出参数。 利用控制图法和 数据滤波技术对现场采集来的数据进行样本筛选，即采用了将不能正确映 射过程输入输出变量之间关系的 “ 坏样”剔除的数据预处理技术。 最后为解决浮选建模过程中遇到的时变、大滞后和弱非线形难题，本 文采用多变量统计过程控制技术p c r 和p l s 建立对经济技术指标精矿品位 和浮选回收率进行预测的预测模型，并在此基础上建立浮选药剂用量模 型。在浮选药剂用量模型的基础上建立了浮选过程药剂添加制度，实现对 浮选药剂流量的准确合理的实时控制，稳定了浮选过程，为实现以追求最 佳经济效益为控制目标的浮选过程的优化奠定基础。通过仿真研究和运行 试验表明，能够满足浮选过程控制的要求。 关键词:浮选过程，数据预处理， 多变量统计过程控制，主元分析，偏最 小二乘，软测量，建模 鞍山 科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t wi t h c o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t o f i n t e r n a t i o n a l a n d h o m e m a r k e t s , t h e d e m a n d s o n p r o d u c t q u a l i t y b e c o m e h i g h e r a n d h i g h e r . s o p u r s u i n g h i g h - q u a l i t y p r o d u c t s a n d l o w - c o s t c o n s u m e s i s t h e f i r s t - l i n e g u a r a n t e e f o r c o r p o r a t i o n t o b e i n v i n c i b l e p o s i t i o n i n f u r i o u s m a r k e t c o m p e t i t i o n . t h e m a i n t a s k o f t h e p a p e r i s t o f i n i s h t h e c o n t r o l s y s t e m d e s i g n o f c a t i o n r e v e r s e fl o a t a t i o n p r o c e s s o f m i n e m i l l t o e n h a n c e o u t p u t g r a d e a n d d e c r e a s e p r o d u c t i o n c o s t . t h e s y s t e m a d o p t s a d v a n c e d a u t o m a t a t e c h n i q u e i n o r d e r t o a c h i e v e r e a l - t i m e c o n t r o l o n p r o c e s s r e a l - t i m e s u p e r v i s e o n t e c h n i q u e fl o w a n d r e a l - t i m e c o n t r o l o f p r o c e s s p a r a me t e r s , p a r a me t e r s . f i r s t l y , t h e p a p e r e x p o u n d s n a t i v e a n d f o r e i g n i m p r o v e m e n t a c t u a l i t y o f fl o a t a t i o n p r o c e s s c o n t r o l , a n d i n t r o d u c e s t h e c r a f t w o r k fl o w o f fl o a t a t i o n p r o c e s s a n d a d v a n c e s t h e c o l l e c t i v i t y f r a m e w o r k a n d r e a l i z e d m e t h o d o f fl o t a t i o n p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m . wh e r e a f t e r , b a s e d o n t r a v e r s i n g fl o t a t i o n fl o w a n d f i n d o u t t h e i n fl u e n c e o f o p e r a t i o n c o n d i t i o n o n n o t a t i o n t e c h n i q u e i n d e x , t h e p a p e r s e l e c t s a p p r o p r i a t e i n p u t a n d o u t p u t p a r a m e t e r s f o r fl o t a t i o n p r o c e s s m o d e l . t h e p a p e r u s e s c o n t r o l c h a r t a n d d a t a f i l t e r i n g t e c h n i q u e t o c a r r y t h r o u g h s w a t c h r i d d l i n g o n d a t a c o l l e c t e d f r o m l o c a l e . t h a t i s t o s a y t h e p a p e r a d o p t s d a t a p r e t r e a t m e n t m e t h o d t o e l i mi n a t e b a d d a t a b e i n g c o r r e c t l y c a p a b l e o f m a p p i n g r e l a t i o n b e t w e e n i n p u t a n d o u t p u t p a r a m e t e r s . f i n a l l y , f o r t h e s a k e o f s e t t l e s o m e d i f f i c u l t p r o b l e m s o f fl o t a t i o n m o d e l i n g , s u c h a s t i m e v a r i e t y a n d g r e a t l a g , t h e p a p e r i n t r o d u c e s ms p c t e c h n i q u e ( p c r a n d p l s ) t o c o n s t i t u t e p r e d i c t m o d e l o n o u t p u t g r a d e a n d fl o t a t i o n c a l l b a c k r a t i o . t h e n fl o t a t i o n m e d i c a m e n t d o s a g e m o d e l i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e f o r w a r d m o d e l me d i c a m e n t a p p e n d e d s y s t e m o f fl o t a t i o n p r o c e s s i m p l e m e n t s e x a c t l y a n d r e a s o n a b l y r e a l - t i m e c o n t r o l o n fl o t a t i o n m e d i c a m e n t fl o w r a t e . b y d o i n g s o , t h e s y s t e m l e v e l s o f f fl o t a t i o n p r o c e s s a n d e s t a b l i s h e s b e d r o c k f o r o p t i m i z i n g fl o t a t i o n p r o c e s s w h i c h p u r s u e s f u r t h e s t b e s t e c o n o m y b e n e f i t s a s c o n t r o l o b j e c t i v e . b y s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a t i o n , i t c a n b e i n d i c a t e d t h a t a d v i s e d m o d e l s c a n s a t i s f y t h e r e q u e s t o f fl o a t a t i o n p r o c e s s c o n t r o l . k e y wo r d s : f l o t a t i o n p r o c e s s , d a t a p r e t r e a t me n t , ms p c, p c a, p l s , s o f t s e n s o r * mo d e l i n g 1 1 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪 论 第一章 绪论 1 . 1课题来源 随着国际、国内市场的不断发展，对产品质量的要求越来越高。因此 追求高质量的产品、低成本的消耗成为企业能否在激烈的市场竞争中立于 不败之地的最首要的保证。我国钢铁企业的劣势之一是铁矿资源品质差， 铁精矿质量低，成本高。经济合理地提高铁精矿质量是我国钢铁行业应对 严峻挑战的有效措施之一。企业在面对入世后钢材市场激烈竞争的局面， 要求生存，求发展，在市场竞争中立于不败之地，必须提高产品质量，降 低生产成本，才能与国际市场接轨。 鞍钢集团弓长岭矿业公司 以下简称弓矿公司)选矿厂，是鞍钢主要 原料基地之一。弓长岭铁矿石属含铁石英岩，其主要成分是铁的氧化物 c f e e q、f e , q) 和脉石 ( s i q) ， 任何一种选矿方法的目 的都是提高铁矿 石中铁化合物的含量，亦即提高铁的品位，而充分降低硅的含量。目前采 用阶段磨矿、 单一磁选、 细筛再磨流程处理磁铁矿石， 矿石品位可达到6 4 % 左右，但仍不能达到钢铁企业对铁精矿品位的要求，与澳大利亚等国生产 的铁精矿有较大的差距，使后续炼铁各项技术经济指标差，影响炼铁成本 的降低。 近年来中国工程院余永富院士对提高铁精矿质量的意义、技术路线、 合理技术、经济评价体系进行了系统总结与开发研究。提出了铁精矿质量 铁、硅、铝三元素评价体系，既铁精矿质量的标准一个是铁含量，另一个 是杂质含量 ( 主要是硅、铝)必须达到高效冶炼要求，才能称之为优质铁 精矿。长期以来鞍钢的高炉入炉品位较低，多年来徘徊不前，与同行业相 比，存在一定差距。主要原因是鞍钢各下属矿山公司自动化程度不高而导 致精矿产品品位偏低，杂质含量偏高，从而严重制约了鞍钢的发展。 “ 鞍钢弓长岭矿业公司磁铁矿精矿 提铁降硅 工艺研究及工业应用” 是国家 “ 十五”科技攻关项目 大型紧缺金属矿产资源基地综合勘察与高 效开发技术研究的专题之一 ( 课题任务书编号2 0 0 1 b a 6 0 9 a - 1 4 ，攻关目 的是提高铁精矿产品质量，改善炼铁各项技术经济指标，提高钢铁企业整 体经济效益。 因此，弓矿公司为了拓展自身的生存空间，使国有矿山持续发展，根 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪 论 据国家 “ 十五”攻关课题要求，与长沙矿冶研究院共同合作，提前完成高 质量磁铁精矿选矿技术实验研究与工业实验，并投入工业生产应用。该项 目根据选矿技术的发展和弓矿公司磁选精矿的矿石性质，采用阳离子反浮 选工艺，对磁选精矿提出进行 “ 提铁降硅”的战略目标，改造传统的选矿 工艺，以提高精矿品位和降低生产成本，并采用先进的自动控制技术，达 到对过程变量的实时检测，工艺流程的实时监控，过程参数的实时控制。 1 . 2阳离子反浮选过程的工艺流程 浮选 ( 泡沫浮选) 是一种应用相当广泛的选矿技术， 是在有用矿物( 主 要是乓q) 与脉石矿物( 主要是s i q) 在矿浆中充分分散的条件下，依据各 种矿物表面性质的差异，从矿浆中借助汽泡的浮力选分矿物的方法。浮选 过程中采用浮选药剂来改变矿物的表面性质，是控制矿物浮选行为的一种 灵活有效的手段。利用浮选药剂改变矿物表面的疏水性或亲水性，把有用 矿物浮出浆面回收的浮选方法称为正浮选，反之浮选脉石矿物称为反浮 选，同时根据浮选药剂在矿浆中所产生的离子极性的不同分为阳离子浮选 和阴离子浮选。弓长岭选矿厂在 “ 提铁降硅”技术改造中所采用的浮选方 法是阳离子反浮选方法。其系统工艺流程图如下图所示: 图 i . 1 阳离子反浮选系统工艺流程示意图 本套系统的输入是细筛下精矿矿浆，它是前段初期选矿工艺的输出， 鞍山 科技大学硕士学位论文 第一章绪 论 其矿浆浓度为 3 8 % 左右，精矿品位为 6 4 % 左右，入口矿浆由给矿泵通过矿 浆管道泵入到高效搅拌槽中，同时按照一定浓度配比好的浮选药剂也通过 加药计量泵泵入到高效搅拌槽中，并通过加热处理使得矿浆温度达到适宜 的浮选温度，然后进入到浮选槽中，如果药剂量适当的话浮选槽便可以输 出品位为 6 8 . 5 % - 6 9 . 5 % 精矿，浮选槽输出的尾矿输入到扫选槽中进行进一 步的处理，扫选槽的输出一部分由中矿返回泵泵入到高效搅拌槽中重新加 工，而另一部分进入到浮选后期工艺磁选机、脱水槽等设备中进行后期处 理，处理结果为一部分当作尾矿排出，另一部分亦由中矿返回泵泵入到高 效搅拌槽中进行回收利用。 在整个 “ 提铁降硅”工艺流程中，浮选药剂起着至关重要的作用，在 浮选过程中，它改变固一 液、液一 气、固一 气界面的物理性质，创造矿物可 浮性的适宜条件，以利分选。因此，是否正确选择浮选药剂种类和是否准 确控制药剂用量，不仅影响红铁矿的浮选指标，而且很大程度上成为本次 “ 提铁降硅”工艺改造是否成功的决定因素之一。药剂合理添加的目的， 是保证矿浆中保持药剂的最佳浓度。根据矿石的特性、药剂的性质、工艺 要求，可以通过选择适当的加药点，以不同的加药方式，达到保持矿浆中 最佳药剂浓度的目的。 在本套提铁降硅工艺中所使用的浮选药剂是通过十二胺( r - n h , ) 和 盐酸 ( h c l)反应得到的，十二胺和盐酸在混合管道中混合，在搅拌槽中 搅拌 反 应 后， 生 成脉 - n h , 卜 恤 - n h , 了与 矿 浆中 的s i q晶 体( s i o 2 + h 2 0 ) 结合，生成一种疏水性很强的物质，这种物质借助气泡的浮力浮出浆面， 将s i 伏作为精选尾矿排出，如下图所示: 图 1 . 2 药剂添加示意图 1 . 3浮选过程自动控制的现状 浮选过程的自动控制历来被认为是一个国际性的难题。主要原因是浮 选过程自身的复杂性及其对外界因素干扰的敏感性。过程的主要影响因素 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪 论 可有以下几方面: 1 )矿石性质的稳定性，例如入选原矿品位、粒度、含泥量、有用矿 物的组成和分布特性，脉石矿物的组成和分布特性、硫化矿的氧 化率、矿物的溶解性，甚至采矿的充添料对浮选过程均有显著影 响; 2 )矿浆特性，包括矿浆流量、浓度、温度、粘性、矿物颗粒的粒度 分布和细度、矿浆的p h 值、可溶性无机离子几有机物含量; 3 )工艺特性，包括浮选工艺的制定、流程结构、浮选回路和设备配 置、矿物的分选顺序、药剂制度等。 4 )矿浆的流体动力学特性，主要指浮选设备和调浆槽的选择，槽内 不同区域的湍流强度、 布、混合特性和死区等 充气速率、气泡、矿粒及泡沫层的空间分 浮选过程控制的首要任务是确定目标函数。最常用的目标函数分成三 个层次，既稳定浮选过程，在确保精矿等级的条件下追求最大回收率和追 求最佳经济效益。其中稳定浮选过程是最基本的要求，只有在浮选过程基 本稳定的条件下才有可能以追求最大分选效率为控制目标;以追求最佳经 济效益为控制目标必须综合考虑市场需求、产品的价格、原料价格及其他 生产成本。在计算机网络广泛应用的今天，综合考虑上述因素，实现生产 技术指标的动态调整己经成为可能。进行浮选过程技术指标的在线预测是 实现生产技术指标动态调整的前提。 1 . 3 . 1以稳定浮选过程为控制目标 对浮选作业而言，在大多数情况下磨矿分级过程是关键影响因素之 一。磨矿产品的粒度和矿浆浓度直接影响浮选过程的稳定性。因此，磨矿 过程控制很早以前就受到人们的重视。 浮选作业中，浮选槽液位是稳定浮选过程的关键操作变量之一。文献 1 介绍了采用 k m m可编程调节器组成的浮选槽液位自动控制系统。该系 统的主要特点是根据实际经验，对液位检测信号进行折线化处理。在组态 中引入了空气流量变化对液面的修正，并针对液面调节回路的控制特性， 设置了 p i d参数。文献 2 , 3 研制了 x n m - 9 4矿浆液位变送器，并基于西 林铅锌选矿厂锌浮选流程提出了一种新型、实用的浮选过程矿浆液位控制 策略，研制了由上位计算机、s r - 5 3调节器、z j k型角行程电动执行器、 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪 论 d f d - 0 9 0 0 电动操作器, d c f 伺服放大器及传感器组成的矿浆液位控制系统。 浮选过程中药剂用量的精确控制，是实现浮选过程 自动控制、稳定浮 选过程的基本要求。文献 4 1 介绍了一种智能注射式加药机的研制开发情 况。该加药机采用 m c s - 5 1单片机系统作为控制主机，具有药量设定、显 示、 打印等功能， 也可根据数学模型进行闭环控制。 文献 5 - 1 叨介绍了p l c 程控加药机的配置、工作原理、功能特点，以及其在凡口铅锌矿、金川有 色金属公司和凤凰山铜矿等选矿厂的应用情况。文献【 1 1 利用 工 n 七 e 1 8 0 9 8 单片机构成浮选过程加药控制系统，通过单片机发出的 9 6路 p w m脉冲控 制信号，可以同时控制 9 6路气、液态药剂的添加，通过 4路 h s o输出， 可以控制固体药剂的添加速度。 1 . 3 . 2以追求最大回收率为控制目标 在线监控矿浆品位是实现在确保精矿等级的条件下以追求最大回收 率为控制目标的前提条件。国外在 2 0 世纪 7 0 - 8 0 年代 1 2 1 ，较多地使用 了在线品位分析仪，主要是采用高功率 x 射线管，该仪器精度较高、分析 的元素较多，但取样过程过于复杂，体积庞大、价格昂贵。8 0 年代后期， 芬兰奥兰昆普公司推出了低功率库里厄一 3 0 x p 、 库里厄一 2 0 在线 x荧光品位 分析仪。美国原子能中心也生产了 工 n s c a n 型载流分析仪，这种仪器虽然 精度较低，但取消了取样系统， 直接放在矿浆流中， 使用方便，应用较广。 文献 1 3 1 介绍了钦精矿品位在线检测系统在攀钢选钦厂的应用情况。文献 t 1 4 , 1 5 介绍了以国产化工控机代替从芬兰引进的库里厄一 3 0 载流x 荧光 分析仪的a o p 计算机，自 行设计了比a o p 计算机操作系统功能更强、更适 应中国国情的“ a o s 2 0 0 0 分析仪专家系统” ， 该系统不仅具有a o p 系统原有 的管理功能和分析精度，而且全面汉化，并介绍了该系统在凡口铅锌矿的 应用情况。 利用现代控制理论和智能优化方法对浮选过程实施优化控制是当今 的热点研究方向。文献 1 6 报道了自 适应控制在浮选过程控制中的应用情 况，自适应最小方差控制用于m o u n t i s a m i n e s l i m i t e d 铜选厂，降低药 剂消耗 1 0 % 并稳定了精矿质量。文献仁 1 7 报道了自 适应控制在 m o u n t工 s a m i n e s l i m i t e d 铅锌选厂铅粗选作业中的应用情况。文献 1 8 以扑收剂用 量、起泡剂用量和矿浆液位为输入变量 ( 原矿流量、铜品位、平均给矿粒 度和 p h 值为干扰因素) ，以铜精矿品位和尾矿品位为输出变量，建立了动 鞍山 科技大学硕士学位论文 第一章绪 论 态模型并对浮选回路实施了多变量预估控制。文献 1 9 报道了用混合神经 元模型 ( h y b r i d n e u r a l m o d e l )对铜粗选回路进行的辨识和优化控制。 模型以扑收剂用量、起泡剂用量和浮选槽液位为操作变量，矿浆的流量、 浓度、粒度和原矿品位为输入变量，精矿品位为观测变量，进行了仿真研 究，仿真结果表明馄合神经元模型适合于浮选过程的辨识和优化控制。文 献t 2 0 3 利用专家系统对 b r e n d a m i n e s l t d . 铜选厂实施控制，专家系统根 据在线品位分析仪提供的数据调节 p i 控制器的设定值。该系统的应用稳 定了浮选指标，并将铜精矿品位由2 7 . 7 % 提高到 2 8 . 8 % 。文献 2 1 在智利 某铜选厂实施专家模糊控制，是回收率提高2 % 0 1 . 3 . 3以追求最佳经济效益为控制目标 现代企业运行的最终目的都是追求最佳经济效益，因此，以经济效益 为控制目标对工业过程进行控制是研究人员追求的最高境界。 文献 工 创以式 ( 1 . 1 )为目标函数，对奥托昆普 p h y a s a l m i选厂锌浮 选过程实施优化控制。以式 ( 1 . 2 )为目标函数，对 b l a c k m o u n t a i n 选厂 铅浮选回路进行优化控制，使铅回收率提高2 % ，回路经济效益提高5 % 0 精矿价值一 成本 j = -. . . . - - . - . . . .二 汀 原矿 中铎 的v r 值 1 . 1 ) . 7= 完成收入 目 标收入 ( 1 . 2 ) 文献 2 2 介绍 p l a n t s t a r 2 0 0 0 软件包的组成及功能。p l a n t s t a r 2 0 0 0 是专为矿物加工过程设计的全厂级控制平台，该平台允许在一个控制系统 中使用多种控制策略。该系统浮选模块 ( f l o a t s t a r )在某选厂的应用使 回收率提高 1 % ,磨矿 一 模块 ( m i l l s t a r )提高 1 0 % 的处理量，粒度分布的标 准偏差降低一半。 1 . 4浮选过程稳态模型 经典的建模方法可以分为三类: 1 )微观现象模型 2 3 1 于揭示对象的本质 该模型致力于描述对象的物理和化学现象 利于改进操作，但是由于过程的复杂性， ，有助 目前还 没有将其用于实际的可能。 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪 论 2 ) “ 黑箱”模型 2 4 - 2 6 1 :该模型避开了对象的内部机理分析，而是对过 程输入输出数据进行处理，如回归分析、参数辨识等等。建模方法简 单，但是以大量的试验为代价，而且其推广性差。 3 )宏观现象模型 2 7 1 :该模型来源于化学过程，它对过程进行宏观的但 又具有物理意义的描述。其数学模型表达来源于基础概念，物理意义 清晰，但其精度有限，且模型系数依然要通过试验数据校验来获得。 尽管如此，该模型依然得到大量应用，成为过程设计和仿真的主要数 学模型。 优化浮选过程的核心问题在于浮选机的优化运行，建立其稳态模型是 进行浮选稳态优化的前提。浮选过程是一个包含物理、化学及物理化学变 化的复杂变化，难以得到其机理模型。对于复杂过程，“ 黑箱”法是比较 有效的建模方法。本文的浮选过程稳态模型就是采用 “ 黑箱”方法。 1 . 5研究课题的目的和意义 反浮选生产过程是典型的连续生产过程，其生产过程的正常、平稳运 行牵涉到输出铁精矿的经济技术指标，而其产品质量关系到企业利润能否 最终实现，而这些因素是由多个过程变量的综合作用所决定的。为了保证 生产过程的正常、平稳运行和产品质量，有必要从多变量的角度对生产过 程进行监控。同样的情况也存在于其它的连续生产过程中。 在反浮选自动控制系统中，通过硬件集成和软件组态提供的单变量趋 势图、测量值实时显示、上下限报警等手段来对生产过程进行监控。这些 监控方法没有脱离单变量监控的范畴， 在需要对多个过程变量进行监控的 场合，也只是用多个单变量监控的手段来实现。 但是，简单地对多个变量分别进行单变量监控不仅存在可行性上的问 题，而且无法反映出连续生产过程的真实情况。首先，生产过程操作人员 由于精力有限，同时观察大量过程变量是非常困难的。其次，连续生产过 程的一个重要特点就是过程变量之间存在着高度相关关系，这种变量之间 相关关系的稳定性和生产过程平稳性以及产品质量的一致性有着密切的联 系，分别对多个变量进行单变量监控无法反映这种相关关系的变化情况。 源于统计过程控制s p c的多变量统计过程控制m s p c方法， 分析p c a、部分最小二乘p l s , 产过程历史数据中提炼统计信息 主元回归 尸 c 尺等多元统计方法， 通过主元 可 以从生 、 建立统计模型( 如p c a模型、p l s 模型) ， 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪 论 并根据统计模型将存在相关关系的多个过程变量投影到有少量隐变量定 义的低维空间中去，用少量变量反映多个变量的综合信息，使生产过程的 监控、故障检测和诊断以及一些相关的研究工作得以简化。 本文在对m s p c进行理论方法学习研究的基础上， 将m s p c方法应用于 典型的连续生产过程一反浮选生产过程，实现多变量统计过程监控和统计 经济技术指标的预测建模。 1 . 6本文的主要研究内容 本文拟采用多变量统计过程控制建立浮选过程模型，以解决浮选建模 过程中遇到的时变、大滞后等难题，并在此基础上建立浮选过程智能预测 系统和控制系统，为实现以追求最佳经济效益为控制目标的浮选过程的优 化奠定纂础。 弓矿公司选矿厂浮选过程控制系统实现了过程参数的集中显示和管 理，并对浮选药剂进行自动添加;并在研究原矿性质和浮选作业条件与药 剂用量及浮选经济技术指标之间的关系，并建立相应的数学模型。 本文的主要研究内容包括以下几个方面: 约 研究浮选工艺流程，了解操作条件对浮选技术指标的影响，为浮选过 程模型选择合适的输入和输出参数。 z )以弓矿公司选矿厂的浮选过程为例，研究给矿浓度、给矿品位、给矿 粒度、精矿品位、浮选回收率和给矿流量与浮选药剂用量之间的数学 模型。 3 )以弓矿公司选矿厂的浮选过程为例，研究给矿浓度、给矿品位、给矿 粒度、给矿流量和浮选药剂用量与浮选回收率和精矿品位之间的关系 并建立数学模型。 4 )在浮选药剂用量模型的基础上建立浮选过程药剂添加制度。 5 )在浮选回收率和精矿品位模型的基础上建立浮选技术指标预测系统。 本文的章节安排如下: 第一章是绪论部分，阐述了本课题的选题来源，对阳离子反浮选的工 艺流程和对浮选过程控制系统的研究现状进行了综述，阐述了本课题的研 究意义和目的。 第二章主要介绍了阳离子反浮选过程控制系统的软硬件设计; 第三章着重讲述了多变量统计过程控制技术，详细介绍了统计过程控 鞍山 科技大学硕士学位论文第一章绪 论 制的基本理论知识，包括主元分析方法、主元回归和部分最小二乘方法， 简述了基于多变量统计过程控制技术的软测量技术。 第四章主要研究了利用控制图法和数据滤波对现场采集来的数据进 行样本筛选，即将不能正确映射过程输入输出变量之间关系的 “ 坏样”剔 除的数据预处理技术。 第五章对过程变量提取主元，进行数据压缩降维，然后对反浮选过程 应用主元回归和部分最小二乘方法分别进行技术经济指标的预测模型和 药剂添加模型进行建模。 论文的第六章是结论与展望。 鞍山 科技大学硕士学位论文第二章反浮选过程控制系统设计 第二章反浮选过程控制系统设计 2 . 1 2. 1 阳离子反浮选过程控制系统综述 . ， 反浮选过程控制模型 从过程控制的角度， 可以将反浮选过程看作是这样一个系统: 一定的 原料参数和操作参数作用于设备参数( 统称为工艺参数) ， 则有一定的状态 参数和指标参数与之相对应，其模型如下图所示: 工艺参数 图2 . 1 阳离子反浮选过程控制模型 其函数关系式为: ( 原料参数、设备参数和操作参数) 一 ( 状态参数) 一(指标参数) ; 式中: 1 )原料参数= r - n h , 溶液纯度，盐酸溶液纯度， 给矿品 位， 2 )操作参数锐浮选药剂流量，矿浆温度，p h值介 一 3 )设备参数= 1 浮选机转速，矿浆搅拌槽转速， 4 )状态参数二 给矿浓度，给矿流量，给矿粒度， 5 )指标参数= 输出精矿品位， 浮选回收率， 精矿产率，s i o , 含量， 以上五类参数在总量上达到几十个，反映出了反浮选过程控制指标要 求高、影响因数多、扰动变量多的过程本质。同时，这种复杂性还体现在 各种因素的密切相关。阳离子反浮选过程控制的目的就是通过调整原料参 数、操作参数和设备参数使状态参数和指标参数达到最优。状态参数反映 了反浮选过程的状态，指标参数是指选矿厂的产量和质量指标。 鞍山 科技大学硕士学位论文第二章反浮选过程控制系统设计 2 . 1 . 2反浮选过程控制的复杂性分析 阳离子反浮选过程是一个复杂的动态过程，其复杂性主要表现为: 1 )控制上的开环特征:由于工艺条件的限制，精矿品位、浮选回收率和 精矿产率不能或没有条件在线实时检测，浮选过程的命中率 ( 输出精 矿品位达到工艺指定的目标值)完全取决于浮选过程开始时依据可检 测条件给出的经验设定值。尽管目前有对浮选过程的各种各样的定性 分析，但由于实验条件的限制和处理过程的复杂，还没有确定的统一 算法作为定量判断的依据，只能在控制设计中通过对浮选结果处理所 获知识的积累与学习来解决这种开环特征带来的问题，以提高浮选过 程的命中率; 2 )反应过程的不确定性:由于铁矿石成分的复杂性，浮选过程受到其他 矿物元素的影响，所以整个反应过程无法用精确的数学模型来描述; 3 )边界条件的不确定性: 浮选过程的边界条件中存在着很多不确定因素。 可测边界条件的不确定性主要表现在人工参与造成的检测误差，矿浆 搅拌的均匀程度偏差;不可测边界条件的不确定性主要来自浮选药剂 成份的波动; 4 )控制指标的多样性:对于浮选过程而言，满足生产目标意味着实现多 个优化指标，例如输出精矿品位、药剂用量、浮选回收率、反应时间 和铁精矿产率等。 2 . 1 . 3过程控制优化目标 为实现系统优化运行的目的，浮选过程控制系统要满足以下目 标: 1 )使得输出精矿品位和浮选回收率达到工艺要求目标值; 2 )在满足上述指标的前提下使得药剂流量达到最小，因为过量的浮选药 剂不但降低精矿回收率，增加生产成本，而且污染环境，浪费资源。 2 . 2浮选过程控制系统基本框图 选矿厂设备的运行条件和工作环境极差，存在非常严重的水、汽、灰 尘和电磁千扰等不利于设备可靠运行的因素。按照工艺要求，选择适当的 控制方式和系统结构，保证控制系统可靠而准确的运行，对控制结果的影 响至关重要，同时，为了保证工程技术人员方便直观地操作设备，还应该 鞍山 科技大学硕士学位论文第二章反浮选过程控制系统设计 做到人机界面友好，实现全中文显示。 弓矿公司选矿厂浮选过程控制系统采用了集散控制思想，即集中管 理、分散控制。模拟量和数字量的采集、加药量的控制和显示等均由相应 的专用智能仪表完成。各部分相对独立，即其中任何一部分发生故障并不 影响系统其它部分的工作。该系统可根据现场需要任意组态，以满足各选 矿厂的不同需要，系统的结构框图参见图 2 . 2 。系统投入运行后，有效地 改善了工人的工作条件，降低了劳动强度及选矿厂的生产成本，提高了产 品的合格率，为选矿厂带来了可观的经济效益。 一一一一一一一一一一 一一一一一 一一一一一 一一 一一 工业控制计算机 一 匣 孙dde 匕_ _ _ 显示器 组态王 可 编 程 控 制 器自 动 加 药 机 数据采集站 ( 模拟舅) 品位分析仪 ( 数字量) 显示工作站执行控制器 工业大屏幕电 磁 阀 图2 . 2反浮选过程控制系统基本框图 在这种恶劣的环境下，选择p l c作为数据采集模块是完全必要的，也 是完全可以胜任的，过程仪表测量浮选过程各过程变量如给矿流量、给矿 浓度等，然后输出标准信号( 如4 - 2 0 m a电流信号) ，由p l c把这些模拟量 进行滤波处理，并转换为数字量输入到i p c中。而对现场的运行数据，根 据有关模型进行复杂的计算处理，现场控制画面显示，工业控制计算机 ( i p c ) 具有独特的优势。在i p c内部，组态王负责与p l c的通讯和控制现 场画面描述，统计控制模型负责控制算法的处理。在组态王和统计控制模 型之间采用动态数据交换( d d e ) 机制，达到进程之间数据的动态交换。 因此，对于选矿厂浮选过程控制系统，需采用两极控制方式:上位机 采用i p c，下位机采用p l c. p l c负责现场数据的采集;i p c根据操作状 鞍山科技大学硕士学位论文第二章反浮选过程控制系统设计 态和过程参量以及统计过程控制模型确定药剂流量给定值，且将现场的工 作状态以直观良好的画面显示，同时接受有关工作人员的控制指令，儿c 和i p c的参数交换通过各自的通讯单元进行，整个控制系统主要由过程检 测仪表、p l c , i p c及自动加药机组成。 2 . 3反浮选过程控制系统的信息获取 反浮选过程的信息按其来源不同，分为在线检测信息和外部输入信 息。在线检测信息可以通过p i c在线采集，外部输入信息需要人工参与。 信息的获取如下图所示: 一憾撇能 州纷引一 测信息 图2 . 3 反浮选过程控制系统的信息获取 ( ( l 当需要人工设定参数或人工参与时，有此过程; 。在线指导时， 控制决策在监控站上设定; 在线控制时， 表示控制行为。 ) 现场仪表包括流量计、浓度计、品位分析仪、粒度计等，分别用来测 量给矿矿浆的流量、浓度、品位、粒度等参数，热电阻模块用来测量矿浆 温度。仪表输出选用4 - 2 0 m a 标准电流信号，热电阻选用p t l 0 0 铂热电阻。 2 . 4浮选过程自动加药系统 浮选药剂的添加直接关系到浮选技术指标和生产成本的管理。围绕这 一问题选矿自 动化的工作者做了大量的研究工作，从最初单片机系统设计 的自动加药机，发展到目前在各选厂广泛使用的p l c自动加药机，其技术 以日趋成熟。 弓矿公司选矿厂 一 自动加药系统有自动、手动两种z作模式:自动模式 下可根据药剂浓度、工艺参数、处理量自动计算各加药点的瞬时加药量; 手动模式下操作工可通过计算机直接输入各加药点的瞬时加药量。计算机 鞍山科技大学硕士学位论文第二章反浮选过程控制系统设计 可对各加药点药量自动累加，打印班报表和日报表。 2 . 4 . 1系统总体功能 浮选过程计算机控制系统分为两级: 1 )电气设备与过程回路控制级 设备与回路控制及把顺序控制( 如:主要电气设备启动、停止、设备 状态报警等功能) 和回路控制( 如浓度、液位、料位、流量、压力、温度和 尸 刀值等工艺参数的采集、工艺调节、报警等功能) 集成在一起进行控制， 构成了综合自动化系统中的过程控制级。 2 )工业过程监控级 通过工业控制网络把过程控制级与监控级联系起来，过程控制级接受 监控站的各种指令，把过程参数、设备参数等数据传送给监控系统，完成 工艺过程的监控功能。 电气设备的启动、停止可通过计算机屏幕上的软键实现，回路控制可 实现自动控制调节和手动调节。 3 )控制系统各部分之间的信号联系。 2 . 4 . 2系统组成 浮选过程计算机监控系统由以下几部分组成: 1 )监控站计算机 ( 研华工控机) 2 )可编程控制器 3 ) e p s o n 1 6 0 0 k打印机 4 ) u p s电源 监控站运行在w i n d o w s 2 0 0 0 操作平台之上，采用组态王组态软件进行 硬件集成和软件组态，可与p l c内部存储单元进行读写，建立监控站和 p l c的数据交换。由p l c的内部程序根据控制方式实现相应的控制功能， 由监控站完成对整个工艺流程的实时监控管理功能。 2 . 4 . 3功能设计 本系统为选矿厂过程监控和管理提供了可靠而灵活的控制手段。其主 要系统功能包括: 鞍山 科技大学硕士学位论文第二章 反浮选过程控制系统设计 1 )各工序工艺流程动态显示: 2 )设备的启动、停止控制; 3 )简单可靠的人机交互和控制; 4 )工艺参数设定、调整; 5 )多层安全的控制权限体系( 按操作员、系统工程师、管理人员的不同级 别进行分别注册) ; 6 )工艺参数趋势曲线( 实时趋势及历史趋势) 显示与打印; 7 )历史数据采集与自动归档存储; 8 )生产报表 自动或随时生成打印; 9 )设备运转信息统计; 1 0 ) 事件记录( 操作员操作记录、工艺参数和设备状态与控制方式发生改 变、报警发生、确认等) ; 1 1 ) 报警显示 按事件顺序、优先级别、故障点所在区域等) ; 1 2 ) 实时报警/ 事件信息打印; 1 3 ) 数据统计分析: 2 . 4 . 4软件部分 监控画面形象、丰富，准确地反映了生产工艺流程，设备状态变量监 视及工艺参数过程变量检测选取适度，切合生产实际，完全可以满足生产 要求。系统的打印功能设计实用、合理，系统报警打印和画面拷贝已成为 分析事故，分清事故责任的重要依据。生产报表打印己成为生产管理的重 要资料 。 2 . 5利用 “ 组态王”实现浮选过程的实时监测 目前工控领域，“ 组态王 ”是较为流行的工控组态软件之一。 支持w i n d o w s 9 8 / n t / 2 0 0 0 操作系统，它以 该软件 s acd a ( s u p e r v is o r y c o n t r o l a n d d a ta a c q u is i t i o n ) 为中心， 已经广泛应用于电力、制 冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域。 2 . 5 . 1 “ 组态王”的体系结构 1 )过程设备:组态王软件使用的实时数据来自于现场 p l c中的寄存器， 鞍山科技大学硕士学位论文第二章 反浮选过程控制系统设计 或另外一些输入/ 输出设备( 如数据采集卡等) 。 2 ) 1 / 0 设备驱动程序:它不断地从输入设备读数据并送到对应驱动程序 映象表的地址里，同时读出驱动程序映象表数据并送到相应的输出设 备。 3 )驱动程序映象表:可以把它看成是内存中的一个数据区域，被划分为 许多 “ 邮箱” ，有1 / o设备驱动程序创建和维护。其中每个邮箱称为一 个记录，每个记录可以装一个连续的数据点。驱动程序根据用户设置 的通讯参数及轮循时间等信息创建和维护驱动程序映象表，通过访问 驱动程序映象表，组态王可以向操作员显示接收的数据。然而，在访 问数据之前组态王需要有一个地方来保存得到的信息。这就需要建立 一个实时数据库。 4 )实时数据库:它是组态王的核心，实时数据库中含有丰富的数据类型， 系统在进行刷新、趋势显示、报警判断、历史数据记录等工作时所用 到的数据皆取自于实时数据库，而实时数据库对用户是开放的，可以 利用d d e 与别的程序进行数据交换，对于不同的设备只需要使用不同 的1 / 0 设备驱动程序，这对我们进行二次开发是非常重要的。 5 )扫描、报警、控制程序:它是一个运行在s c a d a 节点上的系统任务， 它负责从驱动程序映象表中读取数据，进行处理并传送到实时数据库 中。 6 )内部数据库访问软件:从本地或远程数据库读取数据，并把它们传送 到应用程序需要的人机界面当中。当然，数据也可以被写回到过程硬 件中。 总之，1 / o 设备驱动程序，扫描、报警、控制程序，实时数据库组成 了 “ 组态王”组态软件的数据采集和管理功能。一个s c a d a节点就是一个 有实时数据库，1 / 0设备驱动程序，扫描、报警、控制程序的单元。在此 基础上，“ 组态王”实现了数据的全面集成，这是该工控组态软件的核心 内容，主要包括监视、报警、保存和归档数据、生成和打印报表等多种功 能。 2 . 5 . 2浮选过程实时监测系统的实现 图2 . 4为系统软件组态的操作按钮，用于实现浮选过程实时监测系统 功能的切换。可以从按钮上显示的位图明了的看出按钮的功能。 鞍山科技大学硕士学位论文第二章反浮选过程控制蒜统设计 或另外些输入输出设备( 如数据采集謦等) 。 2 ) i 0 设备驱动稳痔：宅不凝逡麸羲入浚蘩读数据势遴到对应熬旗程穿 映象表的地址单，同时读出驱动程序政象表数据并邀到相应的输出设 备。 3 ) 驱凌程彦映蒙袭；霹戳把它番菠是内存孛懿一个数攥医域，羧翻分为 许多“邮箱”，有i 0 设备驱动程序创建和维护。冀中每个邮箱称为一 个