磨矿过程运行控制实验系统及方法技术方案

本发明专利技术一种磨矿过程运行控制实验系统及方法，属于自动控制技术领域，该系统包括运行优化控制器、过程回路控制器和三维虚拟磨矿过程运行器，所述的三维虚拟磨矿过程运行器中包括虚拟对象运行器和三维可视化运行器，其中的过程回路控制器利用新兴的软硬件技术和仿真技术，使开发的过程回路控制器和三维虚拟磨矿过程运行器尽可能的接近实际工业环境并具有良好的可视性和兼容性，该系统还集成了运行优化控制器，有效解决实际工业过程中回路设定值依赖人工经验，随意性强，决策不合理的问题，因此本发明专利技术具有通用性好、兼容性强、具有三维视觉效果、不受硬件设备的制约，并可以实现优化控制算法和物理设备模型算法的动态替换，开放性好的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动控制
，具体涉及一种。
技术介绍
本实验平台是为自动化工程师、控制理论研究者开发的一套磨矿工业过程运行控制实验系统。磨矿过程通常具有强非线性、大滞后、强耦合性等复杂特性，且生产过程中受许多因素的影响，为了提高产品的质量和生产效率，降低成本，保障运行安全，以产品加工过程中的质量、效率、消耗为控制目标的优化运行控制方法逐渐吸引了学术界和工业界众多学者的研究与应用。然而磨矿过程多是连续作业，危险性高、物理设备昂贵且实验成本高、周期长，有造成停产的风险，不便于进行现场控制实验，因此开发针对磨矿工业过程运行控制实验系统具有重要的研究价值与实际意义。一个完整的磨矿工业过程运行控制实验系统通常由运行优化控制器、过程回路控制器、虚拟磨矿过程运行器以及支撑网络组成。运行优化控制器集成了优化控制和运行监视的功能，既能够通过优化控制算法产生磨矿过程的回路设定值，也可以用来监视生产过程的运行信息并在生产过程出现异常或边界条件(原矿硬度、原矿密度、原矿粒度分布)发生变化时给出合理的系统运行工作点，并避免异常工况的发生。过程回路控制器依据运行优化控制器计算出的回路优化设定值，并结合虚拟磨矿过程运行器反馈的过程信息，利用过程控制算法调节控制量，并快速准确地实现控制回路设定值的跟踪，从而使产品指标控制在工艺指标目标要求的范围内。虚拟磨矿过程运行器由具体的工业设备(球磨机、螺旋分级机、泵池、旋流器、阀门、泵、电机等)构成，通过模拟实际工业现场生产过程的动态特性，输出各个虚拟物理设备的运行信息，实现替代实际物理设备的目的。支撑网络将实验平台中不同厂商、不同型号的计算机和控制器相互连接构成互通的网络。在已有的磨矿过程运行控制实验系统中，部分实验系统仅由过程回路控制器、虚拟磨矿过程运行器和支撑网络构成。由于缺乏磨矿过程运行优化控制器，其过程回路控制器通常依靠人工经验设定过程回路值，随意性强、干扰性大，不利于得到粒度产品的最优值。而且大部分实验系统的过程回路控制器米用PLC(Programmable Logic Controller)或DCS (DistributionControl System)产品，鉴于不同厂商的PLC或DCS产品之间兼容性差，编写的控制程序不便于移植，造成开发的实验系统通用性低。还有一些实验平台的虚拟磨矿过程模拟器采用的是国外比较著名的选矿模拟软件，比如METSM，这些软件价格昂贵，且其中的工艺模型大部分都是依据国外的工业流程建立的，与我国的实际运行的工业流程存在较大差异。而且这些软件都是封闭的，无法查看模型的具体信息，因此无法根据我国的实际情况修改模型，在很大程度上减小这些实验系统的实际应用价值。总的来说，现有的磨矿工业过程运行控制实验系统存在的问题主要有:1、运行优化控制器大多采用国内外大型自动化公司(如SIEMENS、ROCKWELL、H0LLYSYS等)的监控组态产品来搭建工艺流程和控制回路的运行画面，只是起到了监视过程信息的目的，却无法利用先进的优化控制算法来优化生产过程，提供科学合理的过程回路设定值。有的实验系统利用了一些采用高级语言编写的优化控制软件，但是这些优化软件通常是针对特定的先进控制算法，不支持外部控制算法的导入。如果想要利用其他的控制算法进行运行控制实验，还需另外购买相应的优化软件包。而且这些软件包，均不支持自定义算法的封装，属于专用或者封闭式系统。2、过程回路控制器通常采用上述自动化公司的PLC或DCS硬件产品实现，称之为硬PLC。由于技术垄断和产品保护的原因，不同公司的PLC/DCS产品之间难以相互支持。如果利用某一公司(比如A公司)的PLC/DCS产品的软硬件系统搭建了一套磨矿过程运行控制实验系统，那么以后还需要重新搭建一套磨矿过程运行控制实验系统时就必须采用A公司的产品，或者针对B公司的PLC/DCS产品重新搭建一套该控制系统。PLC/DCS设备不仅价格昂贵，而且安装复杂。此外，过程回路控制器不可能备全与虚拟过程运行器配套的所有IO模块，控制用的IO点会随着虚拟过程复杂程度的提高而增加。3、METSIM等专业的选矿仿真模拟软件主要是面向工艺优化，且其模型库封闭，不利于根据实际情况修改模型参数和完善模型。现有的虚拟磨矿过程运行器通常是二维视图，不利于直观的感受实际的磨矿工业运行过程。现有的磨矿过程运行控制系统结构不一，仿真性能参差不齐，不能很好的将控制技术、计算机技术、软件技术融合到一起。因此，利用最新的设计方法和技术开发出一个通用性好、可视化程度高的磨矿过程运行控制实验系统是非常有研究意义和实际应用价值的。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种，以达到提高通用性和兼容性、具有三维视觉效果、不受硬件设备的制约，并实现优化控制算法和物理设备模型算法的动态替换，提高开放性的目的。一种磨矿过程运行控制实验系统，该系统用于两段闭路磨矿装置的运行控制实验，所述的两段闭路磨矿装置包括一段球磨机、螺旋分级机、二段球磨机、泵池、水力旋流器、泵、电机和加水阀门；磨矿过程运行控制实验系统包括运行优化控制器、过程回路控制器和三维虚拟磨矿过程运行器，所述的三维虚拟磨矿过程运行器中包括虚拟对象运行器和三维可视化运行器，其中，(I)运行优化控制器:是接收粒度期望指标、优化设定关键决策变量、监控过程数据的装置；运行优化控制器通过使用OPC通讯技术与过程回路控制器进行通讯，获得实时的过程数据，然后根据输入的产品粒度期望指标以及边界条件信息启动磨矿优化控制算法，从而决策出控制回路设定值，并实时监控控制回路设定值和实际值，通过运行优化控制器的数据监控界面对控制回路设定值进行修正，并将修正值下载到过程回路控制器中；(2)过程回路控制器:是利用控制回路设定值和实际值的偏差，通过过程控制算法进行闭环跟踪控制的装置；该装置通过OPC通讯技术获取运行优化控制器的回路设定值和三维虚拟磨矿过程运行器的控制回路实际值，利用过程控制算法产生控制虚拟对象运行器的输入控制量，以跟踪运行优化控制器计算出的回路设定值；(3)三维虚拟磨矿过程运行器:是利用对象模型算法来模拟磨矿工业现场的生产过程，采用虚拟对象运行器的虚拟传感器获取生产过程中的物理量实际值，并具有三维视觉效果的装置；虚拟对象运行器是具有模型算法封装、工艺过程组态、模型算法运行的装置，通过接收过程回路控制器的控制量来产生磨矿过程的过程数据；三维可视化运行器是利用三维建模的方式构建三维视觉效果、动态展示磨矿过程的装置。所述的粒度期望指标包括一段粒度期望值和二段粒度期望值；所述的关键决策变量为控制回路设定值，包括给矿量回路设定值、磨矿浓度回路设定值、旋给浓度回路设定值、旋给流量回路设定值、溢流浓度回路设定值；所述的过程数据包括给一段粒度实际值、二段粒度实际值、给矿量回路设定值和实际值、磨矿浓度回路设定值和实际值、旋给浓度回路设定值和实际值、旋给流量回路设定值和实际值、溢流浓度回路设定值和实际值；所述的边界条件信息包括原矿密度、原矿硬度和原矿粒度分布。所述的控制量包括给矿量回路中的电机频率、磨矿浓度回路中的加水阀门开度、旋给浓度回路中的加水阀门开度、旋给流量回路中的底流泵电机频率和溢流浓度回路的加水阀门开度。所述的对象模型算法包括一段磨机磨矿过程动态机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磨矿过程运行控制实验系统，该系统用于两段闭路磨矿装置的运行控制实验，所述的两段闭路磨矿装置包括一段球磨机、螺旋分级机、二段球磨机、泵池、水力旋流器、泵、电机和加水阀门；其特征在于：磨矿过程运行控制实验系统包括运行优化控制器、过程回路控制器和三维虚拟磨矿过程运行器，所述的三维虚拟磨矿过程运行器中包括虚拟对象运行器和三维可视化运行器，其中，（1）运行优化控制器：是接收粒度期望指标、优化设定关键决策变量、监控过程数据的装置；运行优化控制器通过使用OPC通讯技术与过程回路控制器进行通讯，获得实时的过程数据，然后根据输入的产品粒度期望指标以及边界条件信息启动磨矿优化控制算法，从而决策出控制回路设定值，并实时监控控制回路设定值和实际值，通过运行优化控制器的数据监控界面对控制回路设定值进行修正，并将修正值下载到过程回路控制器中；（2）过程回路控制器：是利用控制回路设定值和实际值的偏差，通过过程控制算法进行闭环跟踪控制的装置；该装置通过OPC通讯技术获取运行优化控制器的回路设定值和三维虚拟磨矿过程运行器的控制回路实际值，利用过程控制算法产生控制虚拟对象运行器的输入控制量，以跟踪运行优化控制器计算出的回路设定值；（3）三维虚拟磨矿过程运行器：是利用对象模型算法来模拟磨矿工业现场的生产过程，采用虚拟对象运行器的虚拟传感器获取生产过程中的物理量实际值，并具有三维视觉效果的装置；虚拟对象运行器是具有模型算法封装、工艺过程组态、模型算法运行的装置，通过接收过程回路控制器的控制量来产生磨矿过程的过程数据；三维可视化运行器是利用三维建模的方式构建三维视觉效果、动态展示磨矿过程的装置。...

【技术特征摘要】
1.一种磨矿过程运行控制实验系统，该系统用于两段闭路磨矿装置的运行控制实验，所述的两段闭路磨矿装置包括一段球磨机、螺旋分级机、二段球磨机、泵池、水力旋流器、泵、电机和加水阀门；其特征在于:磨矿过程运行控制实验系统包括运行优化控制器、过程回路控制器和三维虚拟磨矿过程运行器，所述的三维虚拟磨矿过程运行器中包括虚拟对象运行器和三维可视化运行器，其中， (1)运行优化控制器:是接收粒度期望指标、优化设定关键决策变量、监控过程数据的装置；运行优化控制器通过使用OPC通讯技术与过程回路控制器进行通讯，获得实时的过程数据，然后根据输入的产品粒度期望指标以及边界条件信息启动磨矿优化控制算法，从而决策出控制回路设定值，并实时监控控制回路设定值和实际值，通过运行优化控制器的数据监控界面对控制回路设定值进行修正，并将修正值下载到过程回路控制器中； (2)过程回路控制器:是利用控制回路设定值和实际值的偏差，通过过程控制算法进行闭环跟踪控制的装置；该装置通过OPC通讯技术获取运行优化控制器的回路设定值和三维虚拟磨矿过程运行器的控制回路实际值，利用过程控制算法产生控制虚拟对象运行器的输入控制量，以跟踪运行优化控制器计算出的回路设定值； (3)三维虚拟磨矿过程运行器:是利用对象模型算法来模拟磨矿工业现场的生产过程，采用虚拟对象运行器的虚拟传感器获取生产过程中的物理量实际值，并具有三维视觉效果的装置；虚拟对象运行器是具有模型算法封装、工艺过程组态、模型算法运行的装置，通过接收过程回路控制器的控制量来产生磨矿过程的过程数据；三维可视化运行器是利用三维建模的方式构建三维视觉效果、动态展示磨矿过程的装置。2.根据权利要求1所述的磨矿过程运行控制实验系统，其特征在于:所述的粒度期望指标包括一段粒度期望值和二段粒度期望值；所述的关键决策变量为控制回路设定值，包括给矿量回路设定值、磨矿浓度回路设 定值、旋给浓度回路设定值、旋给流量回路设定值、溢流浓度回路设定值；所述的过程数据包括给一段粒度实际值、二度粒度实际值、给矿量回路设定值和实际值、磨矿浓度回路设定值和实际值、旋给浓度回路设定值和实际值、旋给流量回路设定值和实际值、溢流浓度回路设定值和实际值；所述的边界条件信息包括原矿密度、原矿硬度和原矿粒度分布。3.根据权利要求1所述的磨矿过程运行控制实验系统，其特征在于:所述的控制量包括给矿量回路中的电机频率、磨矿浓度回路中的加水阀门开度、旋给浓度回路中的加水阀门开度、旋给流量回路中的底流泵电机频率和溢流浓度回路的加水阀门开度。4.根据权利要求1所述的磨矿过程运行控制实验系统，其特征在于:所述的对象模型算法包括一段磨机磨矿过程动态机理模型算法、螺旋分级机机理模型算法、二段磨机磨矿过程动态机理模型算法、旋流器机理模型算法、泵池模型算法、执行机构模型算法；所述的物理量实际值包括给矿量实际值、磨矿浓度实际值、旋给流量实际值、旋给浓度实际值和溢流浓度实际值、一段粒度实际值和二段粒度实际值。5.根据权利要求1所述的磨矿过程运行控制实验系...

【专利技术属性】
技术研发人员：代伟，柴天佑，丁进良，岳恒，秦岩，周平，卢绍文，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：