第一章 绪论
1.1磨矿分级概念简介
原矿是直接从矿井中开采出来未经处理的矿石,一般是由无用的的脉石和有利用价值的矿石组成，亦或是有利用价值的矿石与脉石共生而不能直接利用。因此刚开采出来的矿石需要经过选矿过程进行加工，去除原矿脉石等无用成分。同时利用技术手段把原矿中有利用价值的矿石进行提取与富集成为精矿，为后续作业做准备。上述由原矿石到精矿的加工过程就称为选矿[1]。
选矿工艺过程包括：①分选前的准备；②分选；③分选后的产品处理。第一步，分选前的准备作业包括对原矿破碎处理和筛分、磨矿分级过程等，为下一步的选矿分离过程创造条件。第二步，分选作业是通过选矿方法分离出有用矿物得到产品。第三步，分选后产品处理包括精矿脱水和尾矿处理。
本论文主要研究磨矿分级作业过程,它是选矿过程的重要环节。
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1.2研究内容
1.2.1本论文的研究内容
本论文针对目前球磨机在磨矿过程中存在的非线性、多变量干扰因素、时滞性大等特点,利用自动控制技术、检测与通信技术对球磨机的磨矿过程进行研究。首先本论文针对传统 BP-PID 控制算法在球磨机给矿控制过程中震荡较大稳定性较差等问题，提出基于粒子群算法优化的 BP-PID 控制算法；针对旋流器分级过程中较难解决的变量间耦合作用较强的问题，本文采用动态矩阵控制算法来协调各个变量之间的关系，并利用 PSO-BP-PID 控制算法与动态矩阵控制算法分别完成球磨机给矿控制与旋流器分级控制的 Matlab 仿真实验。然后利用可编程控制器对湿式球磨机磨矿分级过程控制系统的硬件与软件部分进行设计。
课题研究内容如下：
（1）简单对湿式球磨机的磨矿工艺流程进行介绍，对国内外选矿厂控制技术的发展现状作了阐述。最后阐述了选矿控制过程的研究背景与意义。
（2）详细介绍了球磨机磨矿过程的工作原理与具体的工艺流程，以及球磨机磨矿过程中牵扯到的主要的磨矿设备与分级设备。针对目前球磨机磨矿过程存在的控制系统稳定性较差的问题选择控制方法，并给出球磨机磨矿控制系统的总体设计方案；
结合湿式球磨机磨矿系统的工作特性，本论文对该过程的控制算法进行研究。在对当前主流的控制策略进行讨论分析的基础上，在球磨机给矿控制过程选用神经网络与传统 PID 结合的控制算法，在水力旋流器的分级控制过程选用预测控制。本论文结合多种控制算法通过 Matlab 环境对控制对象的数学模型进行仿真实验，并对仿真实验的结果进行讨论与分析。
（3）湿式球磨机系统硬件设计。包含磨矿控制系统的硬件设计，电气线路设计以及对控制系统中具体控制器的选择，同时对系统中主要检测仪表设备进行选择与设计。
（4）对球磨机过程控制系统进行软件设计。本论文在球磨机控制系统硬件设计的基础上利用西门子 S7-300 编程软件进行软件设计与仿真；并通过 Win CCflexible 软件对控制系统的监控界面进行组态设计。
（5）对球磨机磨矿分级过程控制系统进行调试。
（6）对此次研究课题进行总结与并对未来研究方向进行展望。对论文的研究成果进行阐述，并指出研究内容的不足之处。对该领域未来研究过程需要完善的部分进行说明。
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第二章 球磨机磨矿控制系统方案设计
2.1 球磨机磨矿设备介绍
2.1.1 球磨机工作原理简介
球磨机是对破碎物料进行粉碎的核心设备，它把筒内磨矿钢球作为研磨介质。球磨机广泛应用于黑色金属以及有色金属等的选矿过程。球磨机的种类较多按照机械结构来划分主要包含圆锥球磨机、管式球磨机以及格子型球磨机等；按照不同的出矿方式又分为溢流型与格子型球磨机，他们是当前选矿企业最常用的球磨机。最常用的溢流型球磨机依据其筒体形状分为：管筒溢流型与短筒格子型，圆锥溢流型与短筒溢流型几种。它们的具体形状如下图 2.1 所示。
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2.2 湿式球磨机磨矿工艺流程
原矿石在经过碎矿工序之后，下一道工序就是磨矿工艺过程。磨矿工艺流程之后是浮选过程。磨矿工艺过程质量的好坏会直接影响到浮选过程进而影响到整个选矿作业过程，因此磨矿作业在整个选矿流程中占据重要地位。磨矿过程要避免“过磨”现象的出现。即保证将原矿的磨矿粒度保持在工艺要求的区间内，为浮选作业提供条件。球磨机通过及时排出其内部经过研磨的矿石来保证磨矿效率，
通过分级设备将合格产品从矿物中分离出来。这次改造项目主要利用闭环回路磨矿分级工艺流程，该工艺流程可以有效地进行磨矿分级控制。
改造项目中分级设备选用水力旋流器，选矿厂分级设备过去主要选用螺旋分级机，而目前的选矿厂在分级过程中常选择水力旋流器作为分级设备。水力旋流器具有质量较轻、所需配件较少、安装维护较简单、调节与控制较为方便以及机械结构较为紧凑等优点。与此同时水力旋流器和球磨机之间形成了闭环回路控制过程，相比传统的分级设备它的循环过程负荷较小，有助于与节约能源提高磨矿分级的效率。下图 2.6 即为球磨机磨矿分级过程的工艺流程简图。
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第三章 球磨机磨矿控制系统控制算法研究......................................... 19
3.1 球磨机磨矿控制方案................................19
3.1.1 球磨机磨矿分级过程简析............................. 19
3.1.2 球磨机给矿控制方案...............................20
第四章 球磨机磨矿控制系统的硬件设计............................... 45
4.1 球磨机磨矿控制系统总体方案.................................. 46
4.2 球磨机磨矿控制系统控制对象与检测设备的介绍................. 47
4.3 可编程控制器硬件设计.................................51
第五章 球磨机磨矿过程控制系统的软件设计............................ 57
5.1 PLC 控制系统控制程序设计................................. 58
5.2 球磨机磨矿控制系统的硬件组态.......................... 59
第六章 球磨机磨矿分级控制系统的调试
6.1 湿式球磨机磨矿分级控制系统的模拟调试
湿式球磨机磨矿分级控制系统的模拟调试，即对球磨机磨矿控制系统进行设计时，把对现场的模拟控制信号当作可编程控制器的输入信号，结合可编程控制器的状态灯的具体情况对其在磨矿现场的运行状况进行检测。通过对比磨矿控制现场运行的程序与规定的功能图表是否一致来完成对可编程控制器顺序控制程序的调试。由于此次湿式球磨机磨矿分级控制过程较为复杂，每个部分具有不同的工作方式，因此有必要采取有选择性的、按照一定顺序的策略对整个控制系统分步调试。在面对调试过程中出现的错误时，必须及时解决，避免问题的堆积。虽然控制系统的模拟调试可以对控制程序上出现的问题进行修改与完善，但还存在很多问题需要到现场实际调试解决。
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第七章 总结与展望
7.1 总结
本课题以湿式球磨机控制系统作为控制算法的验证平台，对于智能控制方法研究领域具有实际的重要意义。本文研究的球磨机磨矿控制系统是一种典型的多变量、非线性控制系统，各个变量之间还具有较强的耦合作用。在常规 PID 控制算法与BP神经网络研究分析的基础上提出了基于BP-PID控制的改进控制算法改善球磨机磨矿过程控制，而水力旋流器分级控制则采用预测控制中的动态矩阵控制算法来进行。在 Matlab 中完成仿真实验后，对球磨机磨矿分级控制系统进行软硬件设计与现场调试来验证实际控制效果。本文主要工作内容如下：
（1）对湿式球磨机磨矿控制系统的基本工作原理与具体的工艺流程以及系统组成部分进行了介绍。并针对目前球磨机磨矿分级过程存在的系统稳定性较差等问题来选择控制系统的控制策略，并给出总体设计方案。
（2）针对球磨机磨矿控制系统中常规 PID 控制效果与系统稳定性较差的问题，把常规 PID 和 BP 神经网络结合，对 PID 参数自整定，BP-PID 控制算法比常规 PID 算法实现了一定的优化，但是依然无法满足磨矿控制系统的稳定性要求。
针对 BP-PID 控制算法的控制稳定性不够以及控制精度较差的问题，本文引入经过粒子群优化算法优化的 BP 神经网络控制算法，并在 Matlab 环境中完成仿真实验，验证最优的控制算法。
针对旋流器分级过程中较难解决的变量间耦合作用性强的问题，本文采用预测控制中的 DMC 算法来协调各变量之间的关系。并在 Matlab 中对系统进行仿真，仿真结果表明，分级控制中所采用的 DMC 控制策略解决耦合问题有一定的效果，并提升了工艺指标。
参考文献（略）